CN115158653A - 一种复合翼垂直起降太阳能无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复合翼垂直起降太阳能无人机，包括机体结构、能源系统、动力系统和机载航电系统。复合翼垂直起降太阳能无人机通过机上的太阳电池将光能转化为电能实现能量的自供给，通过多旋翼产生向上的拉力实现垂直起降，通过螺旋桨产生向前的拉力实现巡航飞行，具有航时长、航程远、升限高、起降灵活、使用成本低的优点。

Description

一种复合翼垂直起降太阳能无人机

技术领域

本发明涉及一种复合翼垂直起降太阳能无人机，属于无人机总体设计技术领域。

背景技术

近年来，随着无人机技术和电推进技术的进步，电动无人机也迎来了飞速的发展。包括电动直升机、多旋翼飞机、固定翼飞机在内的无人机，都有各自的优势和局限。直升机和多旋翼飞机具有垂直起降、可悬停，但巡航效率低、速度慢的特点。固定翼具有速度快、航时久、载重大，但需要依靠跑道起降、无法悬停的特点。因此，结合固定翼飞机和旋翼机优点的垂直起降无人机应运而生。垂直起降无人机包括倾转旋翼、倾转机翼、复合翼和尾座式等几种，倾转式和尾座式无人机技术难度较大，复合翼无人机的技术难度适中。

然而，受限于储能电池的能量密度，电动无人机的航时始终无法实现突破，市场上成熟电动无人机的航时通常在数小时甚至更低的水平。随着薄膜太阳电池的技术发展和广泛应用，为电动无人机的能量短板问题提供了一条解决途径，英国的西风太阳能无人机已经实现了26天的连续飞行。但国内外已有的太阳能无人机多采用水平滑跑、手抛或球载的起降方式，都不具备自主垂直起降的能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种复合翼垂直起降太阳能无人机，通过机上的太阳电池将光能转化为电能实现能量的自供给，通过旋翼产生向上的拉力实现垂直起降，通过螺旋桨产生向前的拉力实现巡航飞行。

本发明采用的技术解决方案是：

一种复合翼垂直起降太阳能无人机，包括：机体结构、能源系统、动力系统和机载航电系统；

机体结构包括：机翼、机身、尾撑杆、平尾、垂尾、起落架、副翼、升降舵和方向舵；机翼为无人机的主升力面；机身吊挂于机翼下方；尾撑杆为方形桁架，位于机翼下方，左右各一个尾撑杆；平尾和垂尾作为无人机的安定面，位于尾撑杆的尾部，两个垂尾对称分布，平尾安装于两个垂尾的顶端；起落架作为无人机的支撑装置，在起飞和着陆阶段支撑无人机并减缓地面冲击；两个副翼设置在机翼后缘，升降舵设置在平尾后缘，方向舵设置在垂尾后缘，副翼、升降舵和方向舵实现对无人机的飞行控制；

能源系统包括：太阳电池、蓄电池、电源控制器和设备配电器；太阳电池为无人机提供能量来源；蓄电池安装于机身内部，为无人机夜间飞行提供能量来源；电源控制器对应于太阳电池的布阵，分布式安装于机翼内部，实现太阳能的控制；设备配电器安装于机身内部，实现机载用电设备的供配电；

动力系统包括：电动机、螺旋桨和旋翼；电动机将机上的电能转换为动能，共五个，其中一个电动机驱动螺旋桨旋转，其余四个电动机驱动各自对应的旋翼旋转；螺旋桨安装于机身最前端，为无人机平飞和爬升阶段提供水平方向的拉力；四个旋翼分别位于左右尾撑杆上，为无人机起降阶段提供垂直方向的拉力；

机载航电系统用于导航、飞行控制、测控和环境控制。

进一步的，所述太阳电池采用高光电转换效率的柔性薄膜太阳电池，均匀铺装于机翼和平尾上表面，其光电转换效率不低于20％；太阳电池的铺片面积占机翼和平尾有效面积的90％以上。

进一步的，太阳电池将吸收的太阳辐射能量转换为电能，一部分用来维持动力系统和机载航电系统的正常运转，一部分对蓄电池进行充电作为夜间飞行的能量来源。

进一步的，蓄电池采用可循环充放电的锂电池。

进一步的，机翼的中翼段平面形状为矩形，外翼段平面形状为梯形。

进一步的，螺旋桨采用大桨径定距桨，旋翼采用高转速变距桨。

进一步的，四套旋翼分别位于左右尾撑杆上，左右尾撑杆用于连接机翼和尾翼，同时也用于安装旋翼，旋翼的弦向安装位置根据全机的重心位置来匹配确定。

进一步的，螺旋桨和旋翼均具备位置锁定功能，以防止桨尖触地或产生干扰；螺旋桨在起降阶段桨叶锁定到水平位置，旋翼在平飞和爬升阶段桨叶锁定到和尾撑杆平行位置。

进一步的，机载航电系统包括：导航系统、飞控系统、测控系统、环控系统和机载线缆；导航系统、飞控系统、测控系统以及环控系统分布式安装于机身内部、机翼内部或机翼表面。

进一步的，起落架为四点支撑，前起位于机翼下方，后起位于垂尾底端。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的复合翼垂直起降太阳能无人机以太阳能作为能量来源，无需其他能源消耗，清洁、环保、可再生、使用成本低。

(2)本发明的复合翼垂直起降太阳能无人机白天使用太阳能转换的电能，夜晚使用太阳能转换的存储在蓄电池里的电能，实现了能量的自平衡，理论上可以无限续航。

(3)本发明的复合翼垂直起降太阳能无人机通过配置四旋翼来实现垂直起降、悬停，不依赖于跑道起降，使用灵活方便。

(4)本发明的复合翼垂直起降太阳能无人机通过大展弦比高升阻比的气动布局来实现高效巡航，可以进行长航时远距离任务飞行。

(5)本发明的复合翼垂直起降太阳能无人机旋翼和固定翼模态切换简单，控制容易。

附图说明

图1为本发明复合翼垂直起降太阳能无人机俯视图；

图2为本发明复合翼垂直起降太阳能无人机主视图；

图3为本发明复合翼垂直起降太阳能无人机侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1至图3所示，本发明提供的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，包括机体结构、能源系统、动力系统和机载航电系统。

机体结构包括：机翼1、机身2、尾撑杆3、平尾4、垂尾5、起落架6、副翼7、升降舵8和方向舵9。机翼1作为无人机的主要升力面，中翼段平面形状为矩形，外翼段平面形状为梯形；机身2内放置大部分机载航电设备，吊挂于机翼1下方；尾撑杆3为方形桁架，位于机翼1下方，左右各1个；平尾4和垂尾5作为无人机的安定面，位于尾撑杆3的尾部，平尾4安装于左右各1个垂尾5的顶端；起落架6为四点支撑，前起位于机翼1下方，后起位于垂尾5底端；舵面包括机翼1后缘的2个副翼7、平尾4后缘的1个升降舵8和垂尾5后缘的2个方向舵9，实现对无人机的飞行控制；

优选的，机翼采用大展弦比、中翼段矩形、外翼段梯形的气动布局，并选择高升力系数的翼型，以此来提高全机升阻比和续航因子，减小平飞和爬升阶段的螺旋桨拉力和飞行功耗，增加航时和航程。

能源系统包括：太阳电池10、蓄电池11、电源控制器12、设备配电器13。太阳电池10采用高光电转换效率的柔性薄膜太阳电池，均匀铺装于机翼1和平尾4上表面，为无人机提供能量来源；蓄电池11采用可循环充放电的高能量密度锂电池，安装于机身2内部，为无人机夜间飞行提供能量来源；电源控制器12对应于太阳电池10的布阵，分布式安装于机翼1内部，实现太阳能的控制；设备配电器13安装于机身2内部，实现机载用电设备的供配电；

优选的，太阳电池采用柔性薄膜电池，柔性薄膜电池重量轻、表面光滑，并且能够很好的与无人机共形，可以减小对气动特性的不利影响。机翼和平尾上表面铺装太阳电池，其光电转换效率不低于20％；太阳电池的铺片面积占机翼有效面积的90％以上，可以最大限度地利用机翼和尾翼上表面的空间。

太阳电池10将吸收的太阳辐射能量转换为电能，一部分用来维持动力系统和机载航电系统的正常运转，一部分对蓄电池进行充电作为夜间飞行的能量来源。

动力系统包括电动机14、螺旋桨15、旋翼16。电动机14将机上的电能转换为动能，共5个，其中1个驱动螺旋桨15旋转，4个驱动旋翼16旋转；螺旋桨15安装于机身2最前端，为无人机平飞和爬升阶段提供水平方向的拉力；旋翼16共4套，分别位于左右尾撑杆3上，为无人机起降阶段提供垂直方向的拉力；

优选的，螺旋桨采用大桨径定距桨，尽量提高平飞和爬升阶段的效率，使无人机能够高效巡航。旋翼采用高转速变距桨，尽量提高起降阶段的拉力，使无人机能够快速起降。

优选的，电动机采用无刷直流电机，与螺旋桨和旋翼相匹配，驱动螺旋桨的1个电机效率高、转速相对较低，驱动旋翼的4个电机转速高、扭矩大。

4套旋翼分别位于左右尾撑杆上，左右尾撑杆一方面起到连接机翼和尾翼的作用，一方面起到安装旋翼的作用，最大限度的实现了功能复用。旋翼的弦向安装位置根据全机的重心位置来匹配确定。

优选的，螺旋桨15和旋翼16均具备位置锁定功能，以防止桨尖触地或产生干扰。螺旋桨15在起降阶段桨叶锁定到水平位置，旋翼16在平飞和爬升阶段桨叶锁定到和尾撑杆3平行位置。

机载航电系统包括导航系统17、飞控系统18、测控系统19、环控系统20的所有机载设备和机载线缆。机载设备大部分安装于机身2内部，部分安装于机翼1内部或机翼1表面，机载线缆根据电源控制器12、设备配电器13、舵面7、8、9和机载设备的位置来确定。机载设备和机载线缆的布置较为分散，在图中仅标示出主要的设备位置。

本发明复合翼垂直起降太阳能无人机通过机上的太阳电池将光能转化为电能实现能量的自供给，通过多旋翼产生向上的拉力实现垂直起降，通过螺旋桨产生向前的拉力实现巡航飞行，具有航时长、航程远、升限高、起降灵活、使用成本低的优点。

举例说明：

某复合翼垂直起降太阳能无人机，在机翼及尾翼上表面铺装太阳电池，起飞总重150kg，翼展20m，机翼中翼段为矩形、外翼段为梯形，机翼展弦比20，机翼参考面积20m²，设计巡航升阻比25，设计巡航升力系数1.1，机翼及尾翼合计铺装30％转换效率的柔性太阳电池18m²，携带能量密度为350Wh/kg的蓄电池50kg，固定翼巡航飞行模式下的螺旋桨桨径为2m，推重比为0.1，巡航转速为400～800rpm，旋翼垂直起降模式下的四组多旋翼桨径为0.4m，推重比为0.3，巡航转速为1500～2000rpm。以在北京地区6月份5km高度飞行为例，中午12点前后太阳辐射功率约为1000W/m²，上午8点前后太阳辐射功率约为500W/m²，按照全天辐照时间12小时，平均辐射功率650W/m²，全天通过飞机上的太阳电池可发电42.12kWh，夜间储存在蓄电池内的能量为17.5kWh。无人机在5km高度的飞行速度约为13.5m/s，推进系统需用功率约为1.2kW，机载设备功率约为0.2kW，巡航总功率约为1.4kW，夜间飞行12小时需要的能量为16.8kWh，全天飞行24小时需要的能量为33.6kWh。无人机通过太阳电池所获取的能量大于飞行需用功率，不需要消耗额外的燃料，理论上就可在5km高度上做持续数日的飞行任务，单日的飞行航程能够达到1000km以上。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于包括：机体结构、能源系统、动力系统和机载航电系统；

机体结构包括：机翼(1)、机身(2)、尾撑杆(3)、平尾(4)、垂尾(5)、起落架(6)、副翼(7)、升降舵(8)和方向舵(9)；机翼(1)为无人机的主升力面；机身(2)吊挂于机翼(1)下方；尾撑杆(3)为方形桁架，位于机翼(1)下方，左右各一个尾撑杆(3)；平尾(4)和垂尾(5)作为无人机的安定面，位于尾撑杆(3)的尾部，两个垂尾(5)对称分布，平尾(4)安装于两个垂尾(5)的顶端；起落架(6)作为无人机的支撑装置，在起飞和着陆阶段支撑无人机并减缓地面冲击；两个副翼(7)设置在机翼(1)后缘，升降舵(8)设置在平尾(4)后缘，方向舵(9)设置在垂尾(5)后缘，副翼(7)、升降舵(8)和方向舵(9)实现对无人机的飞行控制；

能源系统包括：太阳电池(10)、蓄电池(11)、电源控制器(12)和设备配电器(13)；太阳电池(10)为无人机提供能量来源；蓄电池(11)安装于机身(2)内部，为无人机夜间飞行提供能量来源；电源控制器(12)对应于太阳电池(10)的布阵，分布式安装于机翼(1)内部，实现太阳能的控制；设备配电器(13)安装于机身(2)内部，实现机载用电设备的供配电；

动力系统包括：电动机(14)、螺旋桨(15)和旋翼(16)；电动机(14)将机上的电能转换为动能，共五个，其中一个电动机驱动螺旋桨(15)旋转，其余四个电动机驱动各自对应的旋翼(16)旋转；螺旋桨(15)安装于机身(2)最前端，为无人机平飞和爬升阶段提供水平方向的拉力；四个旋翼(16)分别位于左右尾撑杆(3)上，为无人机起降阶段提供垂直方向的拉力；

机载航电系统用于导航、飞行控制、测控和环境控制。

2.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：所述太阳电池(10)采用高光电转换效率的柔性薄膜太阳电池，均匀铺装于机翼(1)和平尾(4)上表面，其光电转换效率不低于20％；太阳电池的铺片面积占机翼(1)和平尾(4)有效面积的90％以上。

3.根据权利要求2所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：太阳电池(10)将吸收的太阳辐射能量转换为电能，一部分用来维持动力系统和机载航电系统的正常运转，一部分对蓄电池进行充电作为夜间飞行的能量来源。

4.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：蓄电池(11)采用可循环充放电的锂电池。

5.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：机翼(1)的中翼段平面形状为矩形，外翼段平面形状为梯形。

6.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：螺旋桨采用大桨径定距桨，旋翼采用高转速变距桨。

7.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：四套旋翼分别位于左右尾撑杆上，左右尾撑杆用于连接机翼和尾翼，同时也用于安装旋翼，旋翼的弦向安装位置根据全机的重心位置来匹配确定。

8.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：螺旋桨和旋翼均具备位置锁定功能，以防止桨尖触地或产生干扰；螺旋桨在起降阶段桨叶锁定到水平位置，旋翼在平飞和爬升阶段桨叶锁定到和尾撑杆平行位置。

9.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：机载航电系统包括：导航系统(17)、飞控系统(18)、测控系统(19)、环控系统(20)和机载线缆；导航系统(17)、飞控系统(18)、测控系统(19)以及环控系统(20)分布式安装于机身(2)内部、机翼(1)内部或机翼(1)表面。

10.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降太阳能无人机，其特征在于：起落架(6)为四点支撑，前起位于机翼(1)下方，后起位于垂尾(5)底端。

Images