RU2686350C1 - Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями - Google Patents
Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686350C1 RU2686350C1 RU2017146685A RU2017146685A RU2686350C1 RU 2686350 C1 RU2686350 C1 RU 2686350C1 RU 2017146685 A RU2017146685 A RU 2017146685A RU 2017146685 A RU2017146685 A RU 2017146685A RU 2686350 C1 RU2686350 C1 RU 2686350C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wing
- aircraft
- section
- skin
- solar panels
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000004616 structural foam Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 2
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 abstract 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 5
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000005437 stratosphere Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C3/00—Wings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области авиации, а именно к конструкции планеров летательных аппаратов, использующих в качестве силовой установки электродвигатели, функционирующие за счет энергии, получаемой с солнечных панелей, запасаемой в аккумуляторных батареях для полета в периоды недостаточной освещенности. Предлагаемое крыло содержит панели фотоэлектрических преобразователей, силовой продольный набор, стыковочные элементы с соседними консолями и обшивку. Фотоэлектрические преобразователи интегрированы в верхнюю обшивку крыла. При этом сама секция выполнена в виде трехслойной сэндвич панели, в которой верхний слой композиционного материала и конструкционный пенопласт выполняют роль диэлектрика. При этом верхняя и нижняя обшивка крыла выполнены нежесткими на кручение, в результате происходит закручивание крыла при действии управляющих воздействий при сохранении целостности конструкции крыла. Повышается устойчивость при эксплуатации. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Область техники.
Изобретение относится к области авиации. Более точно, изобретение относится к конструкциям легких летательных аппаратов (ЛА), например, планеров, предпочтительно беспилотных автономных планеров, использующих в качестве силовой установки электродвигатели, функционирующие за счет энергии, получаемой с солнечных панелей, запасаемой в аккумуляторных батареях для полета в периоды недостаточной освещенности.
Предшествующий уровень техники.
В настоящее время многие компании занимаются разработкой и попытками создания легких беспилотных высотных планеров на солнечных батареях, которые были бы способны к длительным автономным полетам на больших высотах (в том числе в стратосфере), при этом были бы достаточно прочными для того, чтобы выдерживать сильные порывы ветра и быть применимыми в любую погоду.
Основной задачей при создании подобных решений является нахождение разумного баланса между площадью крыла ЛА, его массой и прочностью. Из уровня техники известен ряд решений, направленных на решение подобных проблем.
Так, в патенте US 20060278757 А1, опубл. 14.12.2006, раскрывается двухмоторный аппарат, выполненный из полимерных композитных материалов. На аппарате установлены электродвигатели, питание которых осуществляется от фотоэлектрических преобразователей, расположенных на верхней поверхности крыла.
Существенным недостатком такого решения является жесткость конструкции аппарата и снижение ее ресурса при действии атмосферных возмущений, а также сложность масштабирования в большую сторону из-за закона увеличения массы от размера аппарата, применимого к данной схеме (закон квадрата-куба).
В другом патенте, US 7762495 В2, опубл. 27.07.2010, описывается летательный аппарат, использующий систему электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей, включающий в себя удлиненный корпус с горизонтальными и вертикальными управляющими поверхностями, а также плоский солнечный парус, соединенный с корпусом. Аппарат накапливает солнечную энергию в течение дня и, соответственно, расходует в отсутствие солнца.
Недостатком такого решения является рост массы и аэродинамического сопротивления конструкции за счет реализации солнечного паруса и сложность масштабирования в большую сторону (закон квадрата-куба).
В патенте на полезную модель RU 144446 U1, опубл. 30.12.2013, описывается консоль крыла летательного аппарата, использующего систему электропитания на основе фотоэлектрических преобразователей, силовой поперечный и продольный наборы консоли крыла, и обшивку. Панели фотоэлектрических преобразователей установлены внутри конструкции консоли крыла и выполнены с возможностью поворота, при этом обшивка консоли крыла выполнена прозрачной, а силовой поперечный и продольный наборы консоли крыла покрыты светоотражающим материалом.
Недостатком такого решения является возможность реализации только наборной конструкции крыла, которая имеет небольшую надежность. Наличие продольного и поперечного силовых наборов крыла, а также установка фотоэлектрических преобразователей с возможностью поворота, что увеличивает вес описанной конструкции и снижает устойчивость к действию атмосферных возмущений. Также исключается использование внутренних объемов крыла для размещения различных блоков. Свет, проходящий через обшивку крыла, неизбежно частично отражается и рассеивается, также элементы конструкции затеняют собой значительную площадь панелей при остром угле падения лучей.
В патенте US 9604715 В2, опубл. 25.08.2016, описывается стратосферный самолет длительного времени полета на солнечной энергии, имеющий сегментированные жесткие крылья, способные с помощью приводов в местах излома менять свою форму для оптимального сбора солнечной энергии.
Недостатком такого решения является увеличенный вес крыла в местах излома, уменьшение надежности, необходимость устанавливать привод изменения формы крыла. При изменении формы крыла лишь половина его становится под оптимальным углом, вторая половина вообще перестает получать свет. При изменении формы уменьшается проекционная площадь крыла, что приводит к уменьшению аэродинамического качества, увеличению скорости полета, и как следствие, увеличивается потребная мощность полета. Сомнительна целесообразность попытки увеличить количество поступающей энергии и при этом ухудшить летные характеристики самолета. Недостатком такого решения является жесткость конструкции аппарата и снижение ее ресурса при действии атмосферных возмущений, сложность масштабирования в большую сторону из-за закона увеличения массы от размера аппарата, применимого к данной схеме самолета (закон квадрата-куба).
Наиболее близким по существу решением, которое авторы выбрали за прототип, является беспилотный ЛА Helios. Конструкция крыла этого ЛА с установленными на верхней поверхности солнечными панелями описана в патенте US 5810284, опубл. 22.09.1998. Там описывается летательный аппарат с большой продолжительностью полета, функционирующий за счет энергии солнечных панелей. Аппарат выполнен по схеме «летающее крыло» без фюзеляжа или рулевых поверхностей. Фотоэлектрические преобразователи установлены на верхней поверхности крыла.
Полет на большой высоте при низких уровнях мощности требует очень легкого самолета с большой грузоподъемностью (т.е. низкой нагрузкой на крыло). Беспилотные летательные аппараты, описанные в данном патенте, разрабатывались в период с 1983 по 2003 год компанией AeroVironment, Inc. в рамках программы исследований космических исследований и сенсорных технологий NASA (ERAST), направленной на увеличение высоты полета. 14 августа 2001 года их беспилотный летательный аппарат Helios установил рекорд высоты 96 863 футов (29 524 м). Для достижения такой высоты новаторская конструкция Helios имела размах крыла 247 футов, площадь крыла 1,976 квадратных футов и нормальный вес всего 1600 фунтов. Чтобы достичь такого низкого веса, Helios использовал наборную конструкцию всего крыла, очень легкую гибкую структуру, высокий уровень распределения веса по пролету (пролетная нагрузка) и распределенную конфигурацию силового агрегата. К сожалению, такие чрезвычайно легкие структуры относительно хрупкие. Helios был потерян во время испытательного полета из-за порывов ветра 26 июня 2003 года.
Соответственно недостатком такого решения является наборная конструкция крыла, состоящая из продольного и поперечного силовых наборов крыла, а также установка фотоэлектрических преобразователей на верхней поверхности крыла, что увеличивает вес описанной конструкции, панели создают неровности, что увеличивает аэродинамическое сопротивление крыла, снижает устойчивость к действию атмосферных возмущений. В процессе полета происходит деформация крыла большого удлинения под действием полетных нагрузок, система управления не имеет эффективных органов управления, борющихся с деформацией крыла. При масштабируемости подобная система становится очень хрупкой.
Сущность изобретения.
Задачей настоящего изобретения являлось создание легкой и при этом устойчивой конструкции крыла планера, которая была бы легко масштабируема (в меньшей степени рост массы подчинялся бы закону квадрата-куба). Соответственно решалась также задача повышения устойчивости конструкции планера аппарата к действующим на него атмосферным возмущениям, а также улучшении аэродинамических характеристики.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в создании крыла большого удлинения минимальной удельной массы с интегрированными солнечными панелями, увеличении ресурса конструкции крыла и продолжительности его эксплуатации, установке внутрь крыла аккумуляторных батарей и различных блоков, упрощении обслуживания.
Результат достигается тем, что:
Крыло летательного аппарата, выполнено состоящим из нескольких соединенных секций, при этом форма крыла может удерживаться элементами управления, которые представляют собой, например, хвостовые балки, разнесенные по размаху всего крыла.
При этом секция крыла включает фотоэлектрические преобразователи, стыковочные элементы с соседними секциями, силовой набор и обшивку и отличается тем, что силовой набор представлен только лонжеронами, а фотоэлектрические элементы интегрированы в верхнюю обшивку секции крыла, при этом сама секция выполнена в виде трехслойной сэндвич панели, в которой верхний слой композиционного материала и конструкционный пенопласт выполняют роль диэлектрика, при этом верхняя и нижняя обшивка крыла выполнены нежесткими на кручение, в результате происходит закручивание крыла при действии управляющих воздействий при сохранении целостности конструкции крыла. Секция крыла предпочтительно имеет толщину профиля 6-10%.
Сущность изобретения заключается в том, что крыло выполняется гибким, причем не только на изгиб, но и на кручение, при этом силовой набор каждой секции крыла представлен лишь лонжеронами. Форма крыла при этом удерживается принудительно, при помощи системы управления.
Фотоэлектрические преобразователи интегрированы в обшивку крыла, что положительно сказывается на аэродинамических характеристиках всей конструкции. Само крыло при этом выполнено предпочтительно в виде трехслойной сэндвич-панели, в которой верхний слой композиционного материала и конструкционный пенопласт выполняют роль диэлектрика.
За счет выполнения верхней и нижней обшивок крыла нежесткими на кручение, при действии управляющих воздействий происходит закручивание крыла при сохранении целостности конструкции крыла. Выполнение крыла нежестким на изгиб осуществляется за счет малой толщины его профиля, что способствует уменьшению нагрузок на крыло. При этом форма крыла удерживается принудительно при помощи нескольких хвостовых балок разнесенных по размаху всего крыла.
Аккумуляторные батареи и различные внутренние блоки устанавливаются во всю длину крыла через его торец.
Масса самолета, в основном, содержится в крыле, в котором задан высокий уровень распределения веса по пролету (пролетная нагрузка) и распределенная конфигурация силового агрегата.
Крыло разделено на секции любого размера, соответственно секции, как модули, могут быть легкозаменяемыми, добавляя модули, можно увеличивать размах самолета, меняя модули, можно менять конфигурацию, например, полезной нагрузки. Секции могут быть соединены друг с другом с возможностью поворота относительно друг друга, что позволяет крылу закручиваться на больший угол.
Таким образом, совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила увеличить размах крыла аппарата и повысить устойчивость конструкции планера к действующим на него атмосферным возмущениям. При этом удалось уменьшить массу крыла, а также включить в силовую конструкцию крыла солнечные ячейки и установить внутрь крыла аккумуляторные батареи и различные блоки.
Более подробно вышеописанные черты и преимущества станут понятны из дальнейшего подробного описания со ссылками на фигуры чертежей.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - общий вид консоли крыла.
Фиг. 2 - сечение крыла.
Фиг. 3 - сборка сегментов крыла между собой и с фюзеляжем.
Осуществление изобретения.
На фиг. 1 приведен общий вид консоли заявленного крыла. Силовой набор крыла представлен лишь одним или несколькими лонжеронами, а соединительная часть секции крала выполнена таким образом, чтобы обеспечить возможность взаимозаменяемости. Гибкость на изгиб обеспечивается за счет тонкого (6-10%) профиля крыла, чего удалось достичь за счет интеграции солнченых элементов в обшивку крыла, а также выполнения самого крыла в виде трехслойных панелей. Форма крыла может удерживаться принудительно, например, в заданных пределах при помощи системы управления, которая может представляь из себя распределенные по размаху фюзеляжи с горизонтальными оперениями.
Профиль крыла подробно представлен на Фиг. 2. Верхняя обшивка крыла выполнена сэндвичевой конструкции с заполнителем из пенопласта (4). В предпчотительном варианте выполнения солнечные панели заламинированы защитной пленкой (1) для защиты от внешних воздействий, например, атмосферных. Пленка выбирается таким образом, чтобы она не снижала качество работы самих фотоэлектрических преобразователей. Солнечные панели наклеены на электроизоляционный композиционный материал (3), являющийся частью обшивки крыла, под ним находится пенопласт-диэлектрик (4). С обратной стороны наполнителя из пенопласта наклеен слой углепластика (5), воспринимающего основную часть нагрузок.
Лонжероны, соответственно, включают полки и стенки выполненные из углепластика с заполнителем из пенопласта.
Нижняя обшивка крыла выполнена сэндвичевой конструкции с заполнителем из пенопласта (4), с обоих сторон покрытого углепластиком (5).
Верхняя и нижняя обшивки консоли выполнены нежесткими на кручение.
Низкая толщина профиля крыла обеспечивает возможность больших величин прогиба, а большой изгиб средней линии профиля обеспечивает высокую подъемную силу при малом сопротивлении. Исполнение крыла гибким снижает нагрузку. В предложенной схеме увеличение массы ближе к квадратичному закону и незначительное увеличение нагрузки на крыло, компенсируется с запасом увеличением числа Re, что при масштабировании только улучшает летные характеристики.
Тот факт, что конструкция крыла не имеет поперечного набора силовых элементов позволяет устанавливать внутрь крыла аккумуляторные батареи и различные блоки через его торец на всю длину крыла, что повышает эффективность использования пространства, а также упрощает обслуживание и/или замену оборудования.
Так как крыло разделено на секции любого размера, соответственно секции, как модули, могут быть легкозаменяемыми, добавляя модули, можно увеличивать размах самолета, меняя модули, можно менять конфигурацию, например, полезной нагрузки.
Возле хвостовой части профиля обшивка из 2-х сэндвич панелей, переходит в одну, в которой пенопластовый сердечник задает форму профиля.
Пример реализации изобретения.
Пример 1.
Были изготовлены и испытаны опытные секции крыла длиной 9 метров, шириной 0.85 метра, толщиной профиля 6%. Возможный радиус изгиба без повреждений силовых элементов и солнечных панелей составил 10 метров. Угол закручивания одной секции доходит до 60 градусов без повреждения обшивки и солнечных ячеек. В одну секцию устанавливается 30 кг аккумуляторных батарей и электронных блоков, равномерно распределенных по длине, в полете подъемная сила компенсирует прогиб и, в итоге, крыло не испытывает изгибающих нагрузок (в невозмущенной атмосфере).
Claims (4)
1. Секция крыла летательного аппарата, включающая фотоэлектрические преобразователи, стыковочные элементы с соседними секциями, силовой набор и обшивку, отличающееся тем, что силовой набор представлен только лонжеронами, а фотоэлектрические элементы интегрированы в верхнюю обшивку секции крыла, при этом сама секция выполнена в виде трехслойной сэндвич панели, в которой верхний слой композиционного материала и конструкционный пенопласт выполняют роль диэлектрика, при этом верхняя и нижняя обшивка крыла выполнены нежесткими на кручение, в результате происходит закручивание крыла при действии управляющих воздействий при сохранении целостности конструкции крыла.
2. Секция по п. 1, отличающаяся тем, что секция крыла имеет толщину 6-10%.
3. Крыло летательного аппарата, отличающееся тем, что состоит из нескольких соединенных секций по п. 1.
4. Крыло по п. 3, отличающееся тем, что форма крыла удерживается элементами управления.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017146685A RU2686350C1 (ru) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017146685A RU2686350C1 (ru) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2686350C1 true RU2686350C1 (ru) | 2019-04-25 |
Family
ID=66314520
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017146685A RU2686350C1 (ru) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2686350C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2087383C1 (ru) * | 1994-07-13 | 1997-08-20 | Владимир Сергеевич Егер | Способ изготовления аэродинамических/гидродинамических обтекаемых изделий типа крыла из композиционного материала |
US5810284A (en) * | 1995-03-15 | 1998-09-22 | Hibbs; Bart D. | Aircraft |
US20140145032A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-29 | The Boeing Company | Multi-Box Wing Spar And Skin |
RU144446U1 (ru) * | 2013-12-30 | 2014-08-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Производственная Корпорация "Иркут" | Консоль крыла планера летательного аппарата, использующего в энергетической установке фотоэлектрические преобразователи |
-
2017
- 2017-12-28 RU RU2017146685A patent/RU2686350C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2087383C1 (ru) * | 1994-07-13 | 1997-08-20 | Владимир Сергеевич Егер | Способ изготовления аэродинамических/гидродинамических обтекаемых изделий типа крыла из композиционного материала |
US5810284A (en) * | 1995-03-15 | 1998-09-22 | Hibbs; Bart D. | Aircraft |
US20140145032A1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-05-29 | The Boeing Company | Multi-Box Wing Spar And Skin |
RU144446U1 (ru) * | 2013-12-30 | 2014-08-20 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Производственная Корпорация "Иркут" | Консоль крыла планера летательного аппарата, использующего в энергетической установке фотоэлектрические преобразователи |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10005541B2 (en) | Methods for providing a durable solar powered aircraft with a variable geometry wing | |
EP3286077B1 (en) | Solar-powered aircraft | |
EP3524520B1 (en) | Solar powered airplane | |
US9604715B2 (en) | Solar powered aircraft with a variable geometry wing and telecommunications networks utilizing such aircraft | |
US10543917B2 (en) | Flying drone comprising two wings in tandem to which photovoltaic cells are coupled | |
CN102602527B (zh) | 一种临近空间无人飞行器 | |
CN102730183A (zh) | 一种新型太阳能飞机 | |
US11485473B2 (en) | Airfoil body | |
CN102774490A (zh) | 新型长航时太阳能无人机 | |
CN215944856U (zh) | 一种固定翼察打一体无人机模型 | |
Guo et al. | Development of a solar electric powered UAV for long endurance flight | |
CN113371175A (zh) | 一种固定翼察打一体无人机模型及其设计方法 | |
KR20140079641A (ko) | 무인 항공기의 태양전지 날개 | |
US20240246675A1 (en) | Blended wing body aircraft with transparent panels | |
CN112141329A (zh) | 一种垂直起降太阳能无人机 | |
RU2686350C1 (ru) | Крыло летательного аппарата с интегрированными солнечными панелями | |
CN103287569A (zh) | 非跑道场地起降和可悬停的升推式大尺度太阳能无人机 | |
EP1736406A1 (en) | Airplane with an electric drive | |
US11697507B1 (en) | Aircraft with a multi-walled fuel tank and a method of manufacturing | |
US20230348089A1 (en) | Systems and methods for a blended wing body aircraft with permanent tanks | |
CN207089628U (zh) | 固定翼电驱动无人机及无人飞行器 | |
CN210455205U (zh) | 一种垂直起降太阳能无人机 | |
CN205345311U (zh) | 一种固定翼太阳能飞机 | |
CN109515705A (zh) | 一种垂直起降的无人机 | |
CN219115754U (zh) | 一种太阳能续航双翼无人飞机 |