專利名稱：一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，它采用了飛艇、充氣式機翼和可傾轉螺旋槳相結合的方案，可以在臨近空間飛行和穩定懸停，屬于臨近空間飛行器領域。
背景技術：
臨近空間是指距地面20 100公里的空域，由于其重要的開發應用價值而在國際上引起廣泛關注。平流層飛艇是一種可工作在臨近空間的飛行器。平流層飛艇具有長滯空時間(與飛機、導彈相比)和高分辨率(與衛星平臺相比)等優點，可以為空中預警、偵察、通信、監視等軍事用途提供不可多得的空中載體，因而引起各國廣泛關注和研究。但是，傳統的飛艇有以下幾個缺點 傳統的飛艇的升空原理主要是在飛艇內部充滿比空氣更輕的氣體形成浮力。然而，臨近空間空氣密度很小，單純依靠浮力的飛行器尺寸巨大，而巨大的尺寸會超過材料張力的極限；所以，不僅大尺寸飛艇制造困難，而且氣囊材料本身也對其尺寸有很大的約束。傳統的飛艇需要壓艙物來調整飛艇的重量，實現飛艇的靜平衡。隨著燃料的消耗，飛艇的重量會減輕，就需要增加壓艙物，飛艇降落時也需要增加壓艙物。現在的飛艇普遍利用水的回收來實現，但是水的回收系統會增加額外的重量，減小飛艇的載荷。另一種方法是放出一部分氣體來減小浮力，目前的飛艇都使用的是安全性較高的氦氣，而氦氣資源比較稀缺，所以，放氣的方法也不可取。
發明內容
I、目的本發明的目的是為了提供一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，它克服了現有技術的不足，是一種體積相對較小、有效載荷大、起降很方便的臨近空間飛行器。2、技術方案為了實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案。本發明一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，它是由艇體、太陽能電池、可傾轉螺旋槳、充氣式機翼、尾翼、起落架、載荷艙、蓄電池和控制系統組成；它們之間的位置連接關系是太陽能電池覆蓋在艇體的上表面，可傾轉螺旋槳在艇體上部沿縱軸安裝，尾翼固定在艇體尾部，充氣式機翼位于艇體中前部的左右兩側，起落架安裝在艇體下部，飛行時可收回到艇體內，載荷艙、蓄電池、控制系統都放置在艇體腹部內。所述艇體呈流線形，釆用半硬式的結構方案，艇體釆用氦氣囊和外蒙皮雙重結構，在氦氣囊和外蒙皮之間具有預定壓力的空氣層，一方面有助于防止漂浮氣體的慢性泄漏，同時起到熱量傳遞緩沖帶的作用，有利于溫度控制的實現。飛艇的首尾為剛性外框，艇體之間用沿長度方向的龍骨相連；所述太陽能電池是柔性薄膜電池，貼合在飛艇上表面，把太陽能轉換成電能供艇上設備和推進裝置使用；
所述可傾轉螺旋槳由大直徑螺旋槳、無刷直流電機和傾轉機構組成；其間關系是大直徑螺旋槳裝在無刷直流電機的輸出軸上，傾轉機構與無刷直流電機連接；該大直徑螺旋槳是三槳葉的變距螺旋槳；該無刷直流電機是無位置傳感器的低速無刷直流電機，具有體積小、成本低、抗干擾能力強、可靠性高等特點；該傾轉機構利用舵機通過蝸輪蝸桿裝置帶動可傾轉螺旋槳的軸傾轉，利用蝸輪蝸桿傳動的自鎖特性保證可傾轉螺旋槳的軸傾轉后穩定在預定位置；它可以在過艇體縱軸的豎直平面內正負180°旋轉，飛艇垂直起飛、著陸和懸停時，可傾轉螺旋槳的軸垂直于地面，提供向上的升力；飛艇水平飛行時，可傾轉螺旋槳的軸可向前或向后傾轉90°角，呈水平狀態，當作拉力螺旋槳使用，使飛艇加速或減速；它在艇體上部沿縱軸安裝，關于飛艇重心對稱，使升力作用點和飛艇重心在同一豎直線上。所述充氣式機翼為多氣梁整體式充氣機翼，它由封閉的蒙皮和內部的柔性拉條組成，拉條與上下翼面蒙皮之間構成平行的管道式內腔。該機翼內部的兩側翼梢處留有氣道與氣管接口相通，從而使得整個機翼內部的所有內腔始終處于相互聯通的狀態，保證了充氣狀態下整個機翼內部的壓力一致，依靠其內部的氣體壓力和拉條約束來保持機翼的外形。在翼根有用來為機翼充氣和抽氣的氣泵。在垂直起降和懸停時將機翼折疊，可以減小空氣阻力和飛艇的不穩定性，在需要機動和運輸大載荷時，將機翼充氣展開，可以提供較大 的動升力；所述尾翼單葉舵面的幾何形狀為梯形，采用X形布局，使飛艇有較好地操縱性能和穩定性能；它的內部由結構骨架支撐，外部裹有織物蒙皮以保持氣動特性。所述起落架為前三點式起落架，在飛艇起飛、著陸時起支撐作用，飛艇升空后收回到艇內，減小飛行阻力； 所述載荷艙用來放置有效載荷、燃料電池和控制系統，位于艇體腹部內可以使飛艇外表平滑，減小飛行阻力；所述蓄電池為氫氧燃料電池和鋰離子電池。氫氧燃料電池在白天存儲由太陽能電池產生的多余的電能，在晚上供艇上設備和推進裝置使用，使飛艇能晝夜連續工作；鋰離子電池作為燃料電池故障時的緊急備用電池，保證飛艇能及時安全降落；所述控制系統是光傳飛行控制系統，它由信號采集裝置、飛行控制計算機、光纜和 執行機構組成。信號采集裝置包括指令接收裝置和傳感器，它將地面指令和飛行參數通過光纜傳輸到飛行控制計算機，飛行控制計算機對信號進行處理，發出控制指令，通過光纜傳輸到執行機構；該指令接收裝置是無線信號接收機；該傳感器是光傳感器，用于線位移、角位移、溫度、氣壓、速度、加速度等參數的測定和監控；該飛行控制計算機是基于DSP的嵌入式飛行控制計算機；該光纜是以多模石英光纖為芯的多芯帶狀光纜；該執行機構是調節型電動執行器，它根據指令作出相應的動作；控制系統可以根據地面指令或預定程序對舵面、充氣式機翼的氣泵以及可傾轉螺旋槳的無刷直流電機轉速和傾轉機構的舵機等進行控制、調整，使飛艇能正常、穩定飛行。其中，該可傾轉螺旋槳的數量是兩件。3、優點及功效本發明一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，其主要優點是將飛艇、充氣式機翼、可傾轉螺旋槳相結合，在產生相同升力的條件下，減小了飛艇的體積，減輕飛艇自重，節約材料；
采用X形尾翼布局，保證了飛艇有較好的操縱性和穩定性；采用充氣式機翼，在垂直起降和懸停時將機翼收起，可以減小空氣阻力和飛艇的不穩定性，在需要機動和運輸大載荷時，將機翼充氣展開，可以提供較大的動升力；飛艇的靜升力用來平衡飛艇除有效載荷以外的重量，動升力和螺旋槳升力用來提升有效載荷。可以通過改變螺旋槳的輸出功率調節升力，實現飛艇的起飛、著陸和懸停。所以不需要壓艙物和現在使用的水回收系統，提高了飛艇的承載能力。
圖I為本發明的結構示意圖(主視圖)圖2為本發明的結構示意圖(立體圖)圖中具體標號說明如下I——艇體2——太陽能電池3—可傾轉螺旋槳4—充氣式機翼5——尾翼6——起落架7——載荷艙8——蓄電池9——控制系統
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明作進一步描述，但本實施例并不用于限制本發明，凡是采用本發明的相似方法及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。見圖I、圖2，本發明一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，它是由艇體I、太陽能電池2、可傾轉螺旋槳3、充氣式機翼4、尾翼5、起落架6、載荷艙7、蓄電池8和控制系統9組成；它們之間的位置連接關系是太陽能電池2覆蓋在艇體I的上表面，兩個可傾轉螺旋槳3在艇體I上部沿縱軸安裝，尾翼5固定在艇體I尾部，充氣式機翼4位于艇體I中前部的左右兩側，起落架6安裝在艇體I下部，飛行時可收回到艇體內，載荷艙
7、蓄電池8、控制系統9都放置在艇體I腹部內。所述艇體I呈流線形，釆用半硬式的結構方案，釆用氦氣囊和外蒙皮雙重結構，在氦氣囊和外蒙皮之間具有預定壓力的空氣層，一方面有助于防止漂浮氣體的慢性泄漏，同時起到熱量傳遞緩沖帶的作用，有利于溫度控制的實現。外蒙皮采用幾種不同的強化纖維材料粘合而成的薄片，在設計安全率為5的條件下，拉伸強度達到lOOkg/cm，其比重為180g/m2 ;氣囊使用的是超輕量強化纖維復合材料，同樣設計安全率為5的條件下，拉伸強度5kg/cm,比重為45g/m2。飛艇的首尾為剛性外框，艇體I之間用沿長度方向的龍骨相連，龍骨架采用碳素增強復合材料，具有高比強度和高比剛度。所述太陽能電池2采用砷化鎵柔性薄膜電池，貼合在飛艇上表面蒙皮上，把太陽能轉換成電能供艇上設備和推進裝置使用；平流層太陽能密度可達1262w/m2，砷化鎵電池效率可達23%以上，則可轉化得到的電能為290w/m2。所述可傾轉螺旋槳由大直徑螺旋槳、無刷直流電機和傾轉機構組成；其間關系是大直徑螺旋槳裝在無刷直流電機的輸出軸上，傾轉機構與無刷直流電機連接；該大直徑螺旋槳是三槳葉的變距螺旋槳；該無刷直流電機是無位置傳感器的低速無刷直流電機，具有體積小、成本低、抗干擾能力強、可靠性高等特點；該傾轉機構利用舵機通過蝸輪蝸桿裝置帶動可傾轉螺旋槳3的軸傾轉，利用蝸輪蝸桿傳動的自鎖特性保證可傾轉螺旋槳3的軸傾轉后穩定在預定位置；為保證可傾轉螺旋槳3的效率，可傾轉螺旋槳3的轉速不宜太高(應在500r/min左右〕。在20000米高空的空氣質量非常好，所以可傾轉螺旋槳3幾乎不需要維護，可傾轉螺旋槳3的效率可以達到75% 85%左右。可傾轉螺旋槳3可以在過艇體I縱軸的豎直平面內正負180°旋轉，飛艇垂直起飛、著陸和懸停時，可傾轉螺旋槳3的軸垂直于地面，提供向上的升力； 飛艇水平飛行時，可傾轉螺旋槳3的軸可向前或向后傾轉90°角，呈水平狀態，當作拉力螺旋槳使用，使飛艇加速或減速；其數量為兩件。所述充氣式機翼4為多氣梁整體式充氣機翼，氣囊蒙皮采用尼龍加TPU涂層的復合材料，通過在兩層氣囊蒙皮之間通過拉條的約束來控制翼型，在翼梢處留有通氣通道，各個氣囊相互連通，整個充氣式機翼4承力均勻，對于防風壓變形有著相對較好的作用，同時在抗彎扭方而與剛性機翼原理相似。在需要機動和運輸大載荷時，通過氣泵使飛艇氣囊中的氣體進入充氣式機翼4，將充氣式機翼4充氣展開，可以提供較大的動升力；在垂直起降和懸停時通過氣泵把充氣式機翼4中的氣體抽回到飛艇氣囊內，把充氣式機翼4折疊，可以減小空氣阻力和飛艇的不穩定性；所述尾翼5單葉舵面的幾何形狀為梯形，采用X形布局，可以保證飛艇的橫向和縱向穩定性，通過操縱四個舵面，可以實現飛艇的俯仰和偏航；而且，采用X形尾翼布局可以避免機翼繞流對尾翼5的直接干擾，因而不會產生明顯的干擾阻力。同時由于機翼繞流離尾翼5較遠，尾翼5附近的氣流品質也就不會受到大的影響，從而保證了飛艇有較好地操縱性能和穩定性能；所述起落架6為前三點式起落架，在飛艇起飛、著陸時起支撐作用，飛艇升空后收回到艇內，減小飛行阻力；所述載荷艙7用來放置有效載荷、燃料電池和控制系統，由鋁合金薄板構成，通過螺釘固定在飛艇的龍骨上，置于飛艇腹部內，可以使飛艇外表平滑，減小飛行阻力；所述蓄電池8為氫氧燃料電池和鋰離子電池，氫氧燃料電池的能量比重可達500Wh/kg，鋰離子電池的能量比重達200Wh/kg。氫氧燃料電池在白天用太陽能電池產生的多余的電能把水分解成氫氣和氧氣，把能量儲存起來；在晚上氫氣和氧氣通過燃料電池產生電和水，供飛艇上設備和推進裝置使用，使飛艇能晝夜連續工作；鋰離子電池作為燃料電池故障時的緊急備用電池，保證飛艇能及時安全降落；所述控制系統9是光傳飛行控制系統，它由信號采集裝置、飛行控制計算機、光纖和執行機構組成。信號采集裝置包括指令接收裝置和傳感器，它將地面指令和飛行參數通過光纖傳輸到飛行控制計算機，飛行控制計算機對信號進行處理，發出控制指令，通過光纖傳輸到執行機構；該指令接收裝置是無線信號接收機；該傳感器是光傳感器，用于線位移、角位移、溫度、氣壓、速度、加速度等參數的測定和監控；該飛行控制計算機是基于DSP的嵌入式飛行控制計算機；該光纜是以多模石英光纖為芯的多芯帶狀光纜；該執行機構是調節型電動執行器，它根據指令作出相應的動作。控制系統可以根據地面指令或預定程序對舵面、充氣式機翼4的氣泵以及可傾轉螺旋槳3的無刷直流電機轉速和傾轉機構的舵機等進行控制、調整，使飛艇能正常、穩定飛行。本發明在不同飛行狀態下的原理如下
垂直起降充氣式機翼4處于折疊狀態，可傾轉螺旋槳3豎直向上，產生向上的升力，調整電機的輸出功率，可以改變上升的速度。離地一定高度之后，收起起落架6。垂直降落充氣式機翼4處于折疊狀態，可傾轉螺旋槳3豎直向上，減小電機的輸出功率，減小升力，使飛艇高度降低，調整電機輸出功率，可以改變下降的速度。接近地面時，放出起落架6。滑跑起降載荷很大時，充氣式機翼4處于展開狀態，可傾轉螺旋槳3水平向前，產生向前的拉力，使飛艇向前滑跑，達到一定的速度時，調整尾翼5上的舵面，使飛艇起飛，收起起落架6。滑跑降落的過程與此相似。懸停充氣式機翼4處于折疊狀態，可傾轉螺旋槳3豎直向上，調整電機輸出功率，使總升力和飛艇總重量平衡。如果充氣式機翼4展開，會使飛艇的空氣動力作用點前移，增加不穩定性，所以充氣式機翼4要處于折疊狀態。尾翼5會使空氣動力作用點后移，減少不穩定性。另外，與直升機的原理相同，可以調整可傾轉螺旋槳3的角度，產生不同方向的力，使飛艇實現定點懸停。 水平飛行充氣式機翼4從折疊狀態充氣展開，可傾轉螺旋槳3向前傾轉預定的角度，產生向前的分力，使飛艇向前加速，隨著飛艇速度增加，充氣式機翼4上產生的升力增力口，可以逐漸增大可傾轉螺旋槳3向前傾轉的角度，使向前的分力增加，向上的分力減小。最終可傾轉螺旋槳3處于水平狀態，產生的力全部用來克服飛艇在水平方向上的阻力。減速時，使可傾轉螺旋槳3向后傾轉。
權利要求
1.一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，其特征在于它是由艇體、太陽能電池、可傾轉螺旋槳、充氣式機翼、尾翼、起落架、載荷艙、蓄電池和控制系統組成；太陽能電池覆蓋在艇體的上表面，可傾轉螺旋槳在艇體上部沿縱軸安裝，尾翼固定在艇體尾部，充氣式機翼位于艇體中前部的左右兩側，起落架安裝在艇體下部，飛行時收回到艇體內，載荷艙、蓄電池、控制系統都放置在艇體腹部內； 所述艇體呈流線形，釆用半硬式的結構方案，艇體釆用氦氣囊和外蒙皮雙重結構，在氦氣囊和外蒙皮之間具有預定壓力的空氣層，一方面有助于防止漂浮氣體的慢性泄漏，同時起到熱量傳遞緩沖帶的作用，有利于溫度控制的實現，飛艇的首尾為剛性外框，艇體之間用沿長度方向的龍骨相連； 所述太陽能電池是柔性薄膜電池，貼合在飛艇上表面，把太陽能轉換成電能供艇上設備和推進裝置使用； 所述可傾轉螺旋槳由大直徑螺旋槳、無刷直流電機和傾轉機構組成；大直徑螺旋槳裝在無刷直流電機的輸出軸上，傾轉機構與無刷直流電機連接；該大直徑螺旋槳是三槳葉的 變距螺旋槳；該無刷直流電機是無位置傳感器的低速無刷直流電機；該傾轉機構利用舵機通過蝸輪蝸桿裝置帶動可傾轉螺旋槳的軸傾轉，利用蝸輪蝸桿傳動的自鎖特性保證可傾轉螺旋槳的軸傾轉后穩定在預定位置；它在過艇體縱軸的豎直平面內正負180°旋轉，飛艇垂直起飛、著陸和懸停時，可傾轉螺旋槳的軸垂直于地面，提供向上的升力；飛艇水平飛行時，可傾轉螺旋槳的軸向前或向后傾轉90°角，呈水平狀態，當作拉力螺旋槳使用，使飛艇加速或減速；它在艇體上部沿縱軸安裝，關于飛艇重心對稱，使升力作用點和飛艇重心在同一豎直線上； 所述充氣式機翼為多氣梁整體式充氣機翼，它由封閉的蒙皮和內部的柔性拉條組成，拉條與上下翼面蒙皮之間構成平行的管道式內腔；該機翼內部的兩側翼梢處留有氣道與氣管接口相通，從而使得整個機翼內部的所有內腔始終處于相互聯通的狀態，保證了充氣狀態下整個機翼內部的壓力一致，依靠其內部的氣體壓力和拉條約束來保持機翼的外形；在翼根有用來為機翼充氣和抽氣的氣泵；在垂直起降和懸停時將機翼折疊，減小空氣阻力和飛艇的不穩定性，在需要機動和運輸大載荷時，將機翼充氣展開，提供較大的動升力； 所述尾翼單葉舵面的幾何形狀為梯形，采用X形布局，使飛艇有較好地操縱性能和穩定性能；它的內部由結構骨架支撐，外部裹有織物蒙皮以保持氣動特性； 所述起落架為前三點式起落架，在飛艇起飛、著陸時起支撐作用，飛艇升空后收回到艇內，減小飛行阻力； 所述載荷艙用來放置有效載荷、燃料電池和控制系統，位于艇體腹部內使飛艇外表平滑，減小飛行阻力； 所述蓄電池為氫氧燃料電池和鋰離子電池；氫氧燃料電池在白天存儲由太陽能電池產生的多余的電能，在晚上供艇上設備和推進裝置使用，使飛艇能晝夜連續工作；鋰離子電池作為燃料電池故障時的緊急備用電池，保證飛艇能及時安全降落； 所述控制系統是光傳飛行控制系統，它由信號采集裝置、飛行控制計算機、光纜和執行機構組成；信號采集裝置包括指令接收裝置和傳感器，它將地面指令和飛行參數通過光纜傳輸到飛行控制計算機，飛行控制計算機對信號進行處理，發出控制指令，通過光纜傳輸到執行機構；該指令接收裝置是無線信號接收機；該傳感器是光傳感器，用于線位移、角位移、溫度、氣壓、速度、加速度參數的測定和監控；該飛行控制計算機是基于DSP的嵌入式飛行控制計算機；該光纜是以多模石英光纖為芯的多芯帶狀光纜；該執行機構是調節型電動執行器，它根據指令作出相應的動作；該控制系統根據地面指令或預定程序對舵面、充氣式機翼的氣泵以及可傾轉螺旋槳的無刷直流電機轉速和傾轉機構的舵機進行控制、調整，使飛艇能正常、穩定飛行。
2.根據權利要求I所述的一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，其特征在于該可傾轉螺旋槳的數量是兩件。
全文摘要
一種采用充氣式機翼和可傾轉螺旋槳的臨近空間飛艇，它是由艇體、太陽能電池、可傾轉螺旋槳、充氣式機翼、尾翼、起落架、載荷艙、蓄電池和控制系統組成；它們之間的位置連接關系是太陽能電池覆蓋在艇體的上表面，可傾轉螺旋槳在艇體上部沿縱軸安裝，尾翼固定在艇體尾部，充氣式機翼位于艇體中前部的左右兩側，起落架安裝在艇體下部，飛行時可收回到艇體內，載荷艙、蓄電池、控制系統都放置在艇體腹部內。本發明是一種體積相對較小、有效載荷大、起降很方便的臨近空間飛行器。它在臨近空間飛行器領域里有著良好的發展前景。
文檔編號B64B1/20GK102717887SQ201210162549
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者李人杰, 王新升, 王曉慧 申請人:北京航空航天大學