一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器的制造方法
【專利摘要】本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，通過在上下層旋翼上鋪設太陽能電池，以及飛行器中心部分安裝斯特林電機，真正將太陽能光熱一體化發電技術運用到碟式飛行器的設計中，為解決碟式飛行器能源問題提供了一個很好的方案。槳葉上的太陽能電池在滿足氣動特性需求的同時，將太陽能轉化為電能為飛行器提供能源，同時旋轉的槳葉可以使太陽能電池有效的散熱，提高了工作效率。上下兩層旋翼的布局沿不同方向旋轉可以抵消扭矩。通過聚光裝置，給斯特林電機提供熱源，同時從旋翼引氣作為冷源，可以有效地進行熱電轉化，為系統提供能源。此外，通過運用總距、變距以及航向操縱技術，可以有效提高碟式飛行器的機動性。
【專利說明】—種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器
一、【技術領域】
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[0001]本發明提供一種碟式太陽能飛行器研制方案，屬于新概念航空航天器系統【技術領域】。
二、【背景技術】
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[0002]常規飛行器通過調整舵面(翼面)的偏轉控制氣動力來實現飛行控制，而碟式飛行器呈圓盤形，是一種無尾無舵、翼身完全融合的非常規飛行器。垂直起降或懸停時，它依靠上下層槳葉的旋轉產生升力，兩層槳葉以不同的方向旋轉以抵消扭矩；平飛時，依靠噴氣發動機產生推力。而碟式飛行器的控制通常由變質量矩控制和推力矢量控制結合來完成。碟式飛行器能夠自由懸停和垂直起降，結構緊湊，易于控制。相對其他類型的飛行器而言，碟式飛行器兼具良好的平飛性能和垂直起降性能，能產生更大的升力。這些優勢決定了其具有廣泛的應用領域，不但具有一般戰場需要的各種作戰功能，比如對目標區域的定點監測，為其他作戰武器指示目標等，甚至可以作為投放武器的載體。
[0003]傳統的碟式飛行器的設計方案大多都是采用燃油作為飛行器的動力源，即通過將機載燃油供給槳葉推動發動機和噴氣發動機，相應的在垂直起降時產生升力和在平飛時產生推力。考慮到飛行器的結構重量以及空間大小，機體所裝載的燃油必然有限，這就限制了碟式飛行器長航時飛行。近年來，太陽能技術迅速發展，包括光電轉化技術以及熱電轉化技術都已成為現實。可以將太陽能發電應用技術與飛行平臺相結合，從而為解決碟式飛行器留空時間短問題提供一種思路。
[0004]為此，通過將太陽能光熱一體化發電技術運用到碟式飛行器上，本發明提供一種可實現長時留空飛行的、新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器設計方案。
三、
【發明內容】
:
[0005](I)目的:本發明提供一種可實現長時留空飛行的、新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器設計方案，該方案將太陽能光熱一體化發電技術運用到碟式飛行器的設計中，實現對太陽能最大能量的獲取，可以解決傳統碟式飛行器設計方案留空時間短這一致命缺陷，從而將碟式飛行器的應用優勢得到充分發揮。此外，將直升機中總距、變距以及航向操縱技術運用到碟式飛行器中，增加其機動性能。
[0006](2)技術方案:碟式飛行器艙體的中下部安裝能量密度高的儲能電池和其他飛行載荷；艙體與外端間的空間放置鋪設有太陽能電池的槳葉，分為上下兩層(上層上表面鋪設，下層下表面鋪設)，兩層槳葉分別向相反的方向旋轉以抵消扭矩。槳葉屬于動部件，而位于中間部位的艙體、外端防護和導軌圈屬于定部件。此外，艙體中上部加裝碟式太陽能熱發電裝置(利用斯特林機進行熱收集和熱發電)，進而實現平臺對太陽能光電、熱電的綜合利用。此外，將直升機中的總距操縱、變距操縱以及航向操縱技術運用到碟式飛行器中，使各個槳葉的安裝角處于受控狀態，從而實現控制碟式飛行器飛行姿態的操作。
[0007]上述方案充分利用了旋葉的氣動面鋪設太陽能電池，既滿足氣動需要，又在相對運動過程中使太陽能電池片表面有效散熱，進而提高太陽能電池的輸電能力。進一步，利用導電滑環將太陽能電池產生的電能收集到中間的儲能電池上或直接為載荷供電。此外，利用中間艙體的圓形整流罩結構，采用斯特林機進行太陽能熱發電，實現了太陽能光熱發電一體化，可最大限度的輸出太陽能。對于無尾無舵的碟式飛行器，直升機上總距、變距以及航向操縱技術的應用可以增加其機動性能。
[0008]所述的艙體和外端防護等定部件由輕質結構構成，通常為復合材料。
[0009]所述的鋪設太陽能電池的槳葉是在指在滿足氣動要求的前提下，在傳統的槳葉上鋪設太陽能電池片。旋轉的槳葉在產生升力的同時，對電池片進行散熱，從而更好的進行光電轉化。
[0010]該電池片具有一定的彎曲度，通常為薄膜硅基太陽能電池。
[0011]其中，上層槳葉上表面鋪設的太陽能電池主要接收太陽光的直射，產生主要的電倉泛。
[0012]其中，下層槳葉下表面鋪設的太陽能電池主要接收地面的反射以及太陽光的折射。
[0013]所述的斯特林機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產生動力的。受熱蒸發的膨脹氣體(氫氣或氦)作為動力氣體使活塞運動帶動電機發電，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復地進行這樣的循環過程。
[0014]該斯特林機通常分為以下五個部分:熱腔，加熱器，回熱器，冷卻器和冷腔。熱腔和加熱器處于循環的高溫部分，因此通常稱它們為熱區；冷腔和冷卻器處于循環的低溫部分，稱為冷區。
[0015]其中，熱腔中的加熱器在本發明中就是光照，即通過聚光裝置將太陽光聚集形成熱源，給熱腔里面的工質加熱。
[0016]其中，冷腔中的冷卻器在本發明中可以借鑒民航發動機中從壓氣機中弓I氣冷卻的原理，即從旋轉的槳葉中引氣，給冷腔中的工質冷卻。
[0017]其中，熱腔中的活塞和冷腔中的活塞通過一個機構相連接，按照一定的規律帶動電機發電。
[0018]所述的圓形整流罩是一種透明結構，內部是碟式聚光裝置。該整流罩不僅滿足氣動要求，而且透光率在90%以上。
[0019]所述的總距、變距和航向操縱技術已經在直升機上得到普遍應用。本發明可以借助直升機的操縱系統，即通過總距操縱來實現碟式飛行器的升降，通過變距操縱來實現碟式飛行器的前后左右運動，通過航向操縱來改變碟式飛行器的飛行方向。
[0020]其中，總距操縱是指同時增大或減小各個槳葉的安裝角，從而改變旋翼拉力的大小，實現碟式飛行器的升降。
[0021]其中，變距操縱是指周期性的改變碟式飛行器槳葉的安裝角，使拉力向飛行器運動方向傾斜，從而實現縱向(包括俯仰)及橫向(包括滾轉)運動。
[0022]其中，航向操縱是指改變碟式飛行器上下層旋翼的總距，通過上下層旋翼總距差動產生不平衡扭矩來實現航向操縱。
[0023]進一步發展的是，在碟式飛行器上安裝MPPT，即最大功率跟蹤器，使槳葉上的太陽能電池始終在最大功率跟蹤點工作，使太陽能最大限度的為碟式飛行器提供能量。
[0024]本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其基本設計方案如下:
[0025]1.結合預設的技術參數和任務參數(包括任務載荷、留空時間、最大飛行速度以及最大飛行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原則，對新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器進行概念設計，確定飛行器的初始尺寸，并對設計方案進行論證以及仿真驗證；
[0026]2.對碟式飛行器氣動外形進行分析，此外，根據飛行器升阻比特性來確定槳葉的形狀；
[0027]3.與此同時，在上層槳葉的上表面和下層槳葉的下表面鋪設太陽能電池，并分析槳葉的氣動特性是否滿足要求；
[0028]4.進行艙體、外端防護以及導軌圈的設計，艙體和外端防護采用輕質材料，盡可能的減輕機體重量。導軌圈的設計與導電滑環的設計相配合；
[0029]5.進行槳葉安裝角驅動電機的設計，保證每個槳葉的安裝角都處于受控狀態，且都能轉到預設的角度；
[0030]6.與此同時，對槳葉安裝角的控制電路進行設計，保證碟式飛行器能很好的實現總距、變距以及航向操縱，此外，將槳葉安裝角控制器進行模塊化處理；
[0031]7.對斯特林發電機進行設計，包括聚光裝置、發電機、工質的選擇、密封措施、散熱片;
[0032]8.與此同時，考慮如何有效的從旋翼引氣來冷卻工質；
[0033]9.進行儲能電池的安裝，選擇高能量密度的鋰電池，根據能量平衡的計算，合理選擇鋰電池的重量；
[0034]10.與此同時，合理布置鋰電池的位置，保證機身的平衡。因為對于太陽能飛行器，儲能電池的質量將占到機身總重量的一半左右；
[0035]11.進行整個系統的總裝工作。包括碟式飛行器的艙體、外端防護、導電滑環、槳葉安裝角驅動模塊、上下層旋翼、斯特林機以及儲能電池；
[0036]12.與此同時，進行各個模塊之間的電路連接以及軟硬件的結合；
[0037]13.最后，對整個新型碟式布局的太陽能飛行器進行飛行試驗驗證。
[0038](3)優點及功效:本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，通過在上下層旋翼上鋪設太陽能電池，以及在飛行器中心部分安裝斯特林機，真正將太陽能光熱一體化發電技術運用到碟式飛行器的設計中，為解決碟式飛行器能源問題提供了一個很好的方案。槳葉上的太陽能電池在滿足氣動特性需求的同時，將太陽能轉化為電能為飛行器提供能源，同時旋轉的槳葉可以使太陽能電池有效的散熱，提高了工作效率。上下兩層旋翼的布局沿不同方向旋轉可以抵消扭矩。通過聚光裝置，給斯特林機提供熱源，同時從旋翼引氣作為冷源，可以有效地進行熱電轉化，為系統提供能源。此外，通過運用總距、變距以及航向操縱技術，可以有效提高碟式飛行器的機動性。通過本發明，可以解決傳統碟式飛行器設計方案留空時間短這一致命缺陷。
四、【專利附圖】
【附圖說明】
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[0039]圖1為本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛機外形圖；
[0040]圖2為本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛機的剖視圖；
[0041]圖3為斯特林發機原理圖。
[0042]圖中標號說明如下:
[0043]1.外端防護， 2.上層槳葉，3.上層槳葉安裝角控制器，
[0044]4.導軌圈，5.碟形聚光裝置，6.斯特林發電機，
[0045]7.導電滑環， 8.下層槳葉安裝角控制器9.儲能電池，
[0046]10.旋翼驅動電機，11.傳動軸，12.艙體，
[0047]13.下層槳葉， 14.熱腔，15.回熱器，
[0048]16.冷腔，17.活塞桿，
五、【具體實施方式】
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[0049]下面結合圖1、2、3對本發明中的一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器作進一步的說明:
[0050]本發明提供了一種基于太陽能光熱一體化發電技術的新型碟式飛行器設計方案，該方案可充分利用太陽能實現長時間留空飛行。如圖1和圖2所示，該方案采用輕質結構作為飛行器的外端防護I和艙體12 ;通過在上層槳葉2和下層槳葉13鋪設太陽能電池，既滿足氣動需求，又可進行光電轉化，繼而通過導電滑環7為系統供能或為儲能電池9充電；碟形飛行器中心的聚光裝置5，可以為斯特林電機6提供熱源，從而進行熱電轉化；艙體內的儲能電池9在無光照時為系統供能以及給旋翼驅動電機10供電，從而使上下旋翼通過傳動軸11的帶動繼續沿著導軌圈4穩定的工作；上層槳葉安裝角控制器3和下層槳葉安裝角控制器8能夠實時改變槳葉的安裝角，從而實現飛行器的升降、俯仰、滾轉以及航向操縱。
[0051]該斯特林發電機如圖2所示，大體包括五個部分:熱腔14，加熱器，回熱器15，冷卻器和冷腔16。工質(氫氣或氦氣)在熱腔里受熱膨脹，熱源為上述的聚光裝置，然后經過回熱器，在冷腔中冷卻，冷源為旋翼引氣，工質就這樣往復循環推動活塞桿17有規律的運動，從而帶動發電機發電。
[0052]本發明一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其基本設計方案如下:
[0053]1.結合預設的技術參數和任務參數(包括任務載荷、留空時間、最大飛行速度以及最大飛行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原則，對新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器進行概念設計，確定飛行器的初始尺寸，并對設計方案進行論證以及仿真驗證；
[0054]2.對碟式飛行器氣動外形進行分析，此外，根據飛行器升阻比特性來確定槳葉的形狀；
[0055]3.與此同時，在上層槳葉的上表面和下層槳葉的下表面鋪設太陽能電池，并分析槳葉的氣動特性是否滿足要求；
[0056]4.進行艙體、外端防護以及導軌圈的設計，艙體和外端防護采用輕質材料，盡可能的減輕機體重量。導軌圈的設計與導電滑環的設計相配合；
[0057]5.進行槳葉安裝角驅動電機的設計，保證每個槳葉的安裝角都處于受控狀態，且都能轉到預設的角度；
[0058]6.與此同時，對槳葉安裝角的控制電路進行設計，保證碟式飛行器能很好的實現總距、變距以及航向操縱，此外，將槳葉安裝角控制器進行模塊化處理；
[0059]7.對斯特林發電機進行設計，包括聚光裝置、發電機、工質的選擇、密封措施、散熱片；
[0060]8.與此同時，考慮如何有效的從旋翼引氣來冷卻工質；
[0061]9.進行儲能電池的安裝，選擇高能量密度的鋰電池，根據能量平衡的計算，合理選擇鋰電池的重量；
[0062]10.與此同時，合理布置鋰電池的位置，保證機身的平衡。因為對于太陽能飛行器，儲能電池的質量將占到機身總重量的一半左右；
[0063]11.進行整個系統的總裝工作。包括碟式飛行器的艙體、外端防護、導電滑環、槳葉安裝角驅動模塊、上下層旋翼、斯特林機以及儲能電池；
[0064]12.與此同時，進行各個模塊之間的電路連接以及軟硬件的結合；
[0065]13.最后，對整個新型碟式布局的太陽能飛行器進行飛行試驗驗證。
[0066]應當指出，本實例僅列示性說明本發明的應用方法，而非用于限制本發明。任何熟悉此種使用技術的人員，均可在不違背本發明的精神及范圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
【權利要求】
1.一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其特征在于: 碟式飛行器的旋翼分為上下兩層，在滿足氣動要求的前提下，上層旋翼的上表面和下層旋翼的下表面鋪設太陽能電池，太陽能電池在進行光電轉化的同時，高速旋轉的槳葉可以起到電池片的散熱作用，從而提高太陽能電池的工作效率。太陽能電池產生的電能通過導電滑環直接供給旋翼驅動電機或給儲能電池充電。此外，兩層旋翼的布局可以消除單層槳葉旋轉所產生的扭矩。
2.一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其特征在于: 在碟式飛行器中心安裝斯特林發電機，真正將光熱一體化的太陽能發電技術運用到了飛行器的設計中。通過碟式聚光裝置將太陽光聚集成為斯特林機的熱源，同時，從旋轉的槳葉中引氣作為斯特林電機的冷源。工質在熱腔與冷腔中推動活塞桿有規律的運動，從而帶動斯特林機發電。
3.一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其特征在于: 通過槳葉安裝角控制機構，使每片槳葉的安裝角都處于受控狀態。通過改變槳葉的安裝角進行飛行器的總距、變距以及航向操縱，進而實現碟式飛行器的升降、俯仰以及滾轉等飛行姿態的調整。
4.一種新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器，其特征在于:其基本的設計方案如下: (1)結合預設的技術參數和任務參數(包括任務載荷、留空時間、最大飛行速度以及最大飛行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原則，對新型碟式旋翼布局的太陽能飛行器進行概念設計，確定飛行器的初始尺寸，并對設計方案進行論證以及仿真驗證； (2)對碟式飛行器氣動外形進行分析，此外，根據飛行器升阻比特性來確定槳葉的形狀； (3)與此同時，在上層槳葉的上表面和下層槳葉的下表面鋪設太陽能電池，并分析槳葉的氣動特性是否滿足要求； (4)進行艙體、外端防護以及導軌圈的設計，艙體和外端防護采用輕質材料，盡可能的減輕機體重量。導軌圈的設計與導電滑環的設計相配合； (5)進行槳葉安裝角驅動電機的設計，保證每個槳葉的安裝角都處于受控狀態，且都能轉到預設的角度； (6)與此同時，對槳葉安裝角的控制電路進行設計，保證碟式飛行器能很好的實現總距、變距以及航向操縱，此外，將槳葉安裝角控制器進行模塊化處理； (7)對斯特林發電機進行設計，包括聚光裝置、發電機、工質的選擇、密封措施、散熱片; (8)與此同時，考慮如何有效的從旋翼引氣來冷卻工質； (9)進行儲能電池的安裝，選擇高能量密度的鋰電池，根據能量平衡的計算，合理選擇鋰電池的重量； (10)與此同時，合理布置鋰電池的位置，保證機身的平衡。因為對于太陽能飛行器，儲能電池的質量將占到機身總重量的一半左右； (11)進行整個系統的總裝工作。包括碟式飛行器的艙體、外端防護、導電滑環、槳葉安裝角驅動模塊、上下層旋翼、斯特林機以及儲能電池； (12)與此同時，進行各個模塊之間的電路連接以及軟硬件的結合；
(13)最后，對整個新型碟式布局的太陽能飛行器進行飛行試驗驗證。
【文檔編號】B64C27/20GK104309804SQ201410570651
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】孫康文, 祝明, 許冬冬, 劉虎, 孫謀, 張馨運 申請人:北京航空航天大學