一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机的制作方法

1.本发明属于航空飞行器技术领域，涉及一种太阳能飞机，具体涉及一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机。


背景技术：

2.随着无人机技术、工程材料技术及太阳能电池技术的进步，太阳能飞机已经实现了载人环球飞行（瑞士阳光动力-2号），也实现了平流层近3万米高空的飞行（美国太阳神号），更实现了在平流层长达数十天的滞空飞行（空客公司zephyr-8号）；太阳能无人机在环境监测、边境管控、科学研究及信息保障等方面具有独特的优势，如在电信领域，平流层太阳能飞机相对于地面中继站，其覆盖面积大，障碍物干扰少；相较卫星高度低、传输延迟小且可返回地面维修反复使用；在遥感方面，与低轨道卫星相比，可在同一区域内长期滞空反复探测且得到的图像分辨率更高；信息通讯方面，平流层太阳能无人机可以搭载空中基站或中继设备，为地面某一地区提供网络覆盖；在军用领域，可实施远距离的广域通信、侦察、监视、中继，为己方军队提供及时的通信服务和态势报告。
3.然而，目前传统的太阳能飞机，几乎是单翼飞机，由于机翼面积有限，布设的太阳能电池板数量不多，产生的电能少，同时由于机上储能装置（锂电池或燃料电池）重量占比大(一般占飞机总重的1/3~1/2)，质量比能量低（一般不高于500瓦时/千克），由此导致单翼太阳能飞机有效载荷小（阳光动力-2号重达2.3吨却只能容许一位驾驶员升空，有效载荷不过100kg左右），功能设备少，蓄电池储能少，难以满足设备的功率需求。
4.为增加升力提高有效载荷，工程师们设计了双翼或多翼太阳能飞机，双翼或多翼的确可以增加升力，但由于机翼是太阳能飞机的主要重力部件，如阳光动力-2号的主机翼重达1吨，飞机全重2.3吨），增加机翼必然大幅增加飞机的自重，产生的额外升力绝大部分用于克服所增加的机翼及其附加结构本身的重量，对有效载荷的贡献并不大。根据分析，在太阳能电池板光电转化率没有突破性进展的条件下，有效载荷低的主要原因是目前太阳能飞机采用传统的刚性机翼，尽管采用轻质材料（如碳纤维）制造，其升力与翼重的比值很低，即刚性机翼单位重量的翼重产生的升力很低；以阳光动力-2号为例，主机翼重1000千克（均由碳纤维及其它轻质复合材料制成），主机翼面积约250平米，起飞重量（升力）约2300千克，升力与翼重的比值约为2.3，单位面积的翼重为4千克/平米。所以采用刚性的双翼甚至多翼，不能从根本上解决目前太阳能飞机升力效率低、有效载荷小的缺陷，而且增加刚性机翼，会给飞机的结构设计带来诸多困难，同时导致无人机制造成本大幅上升。
5.自上世纪七八十年代，出现了一种轻便、简易的无动力飞行装置——滑翔伞，配上动力装置即为动力滑翔伞；是由柔性软质材料如布料、纤维绳等制成并由迎面气流冲压形成的具有一定刚度和强度的傘翼，由傘翼、伞绳、操纵系统与背带系统组成，其中伞翼由上翼面、下翼面和沿翼展方向分布的多个翼肋构成，上下翼面与翼肋缝合，形成特定的伞翼形状，当伞翼与空气做相对运动时，空气由进气口进入气室，因伞翼后缘封闭而不能排出，在空气冲压力作用下，伞翼内腔产生一定的压力，使柔性伞翼保持一定的刚性和形状，根据空
气动力学原理，上游空气分别从翼面上、下引流，在上下翼表面产生压力差而产生升力。伞翼最大的优势是升力与翼重的比值极高，以某款单人滑翔伞为例，重量仅5kg左右，面积约30平米，载荷120kg，升力与翼重的比值高达24，是刚性翼的10倍左右，滑翔伞的单位面积翼重仅0.16，不到刚性机翼的5%；但伞翼有很大的缺陷，就是展弦比低，一般为3-5，极限运动型也不超过10，（刚性机翼的展弦比可达30以上），因诱导阻力大导致滑翔伞的升阻比小，滑翔比一般为5-9，而滑翔机或大展弦比太阳能无人机的滑翔比可达40以上；另外，滑翔伞不耐高风速，在高风速及乱流下傘翼易发生塌陷，尤其是高展弦比的伞翼更易因局部受力不均而塌陷。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本技术设计了一种柔性机翼与刚性机翼结合在一起的太阳能飞机；通过刚性机翼与柔性机翼的结合，大幅提高了柔性机翼的展弦比，降低诱导阻力，提高升阻比，同时克服了柔性机翼在高风速下的不稳定性，充分发挥出柔性机翼升力效率高的优势，同时又发挥出刚性机翼及尾翼飞控性能好的特点，另外，柔性机翼上布设的太阳能电池板使太阳能飞机的整体发电能力显著增强，因此，可大幅提高太阳能飞机的有效载荷，充足的电力可保证多个机载设备的用电需求。
7.本技术的技术方案是：一种刚性机翼与柔性机翼组合的太阳能飞机，包括机身、刚性机翼、尾翼、起落架及飞行控制系统，还包括一副柔性机翼；柔性机翼位于刚性机翼的上方偏后，且柔性机翼的投影面与刚性机翼无重合，柔性机翼由柔性软质材料制成并由迎面气流冲压形成的具有一定刚度的机翼，包括上翼面、下翼面和沿翼展方向分布的翼肋，柔性机翼的前缘有多个进气口，后缘封闭，柔性机翼包含至少两段由轻质材料制成的刚性骨架并在刚性骨架处通过支架与机身连在一起；刚性骨架由刚性的翼肋和沿展向的刚性加强杆组合而成并缝制在上下翼面内，刚性骨架对应的前缘也开有进气口，刚性骨架上装有电动螺旋桨；刚性机翼与柔性机翼的上表面均铺设太阳能电池板。
8.进一步的，柔性机翼的上下翼面均由抗拉强度高且透气率低的纤维布或薄膜制成，纤维布可以是聚酯纤维布或芳纶纤维布，薄膜可以是聚脂薄膜或超高密度聚乙烯薄膜。
9.进一步的，柔性机翼的翼肋上开有通气孔，可使上下翼面与翼肋围成的各气室间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内部的压强，保持柔性机翼的翼型。
10.进一步的，柔性机翼沿翼展方向装有至少一根轻质材料制成的刚性加强筋；其截面形状包括圆形、矩形及圆环型。
11.进一步的，柔性机翼的前缘至少有4根张线与前机身连接，后缘至少有4根张线与后机身连接。
12.更进一步的，柔性机翼的前缘至少有3根张线与刚性机翼连接。
13.进一步的，刚性机翼上装有电动螺旋桨。
14.进一步的，该太阳能飞机的飞行控制系统是基于刚性机翼及尾翼。
15.本发明产生的积极效果是：本发明采用刚性机翼与柔性机翼结合的多机身飞机构型，相较传统的刚性单机翼飞机、刚性双机翼飞机具有以下一系列优点：
1，刚性机翼与柔性机翼一前一后布局，升力也是一前一后产生，而重心居于两者之间，很容易在产生升力的同时维持飞机的平衡，显著降低了配平阻力。
16.2，多个机身作为柔性机翼的支撑体，使柔性机翼的展弦比接近甚至超过刚性机翼，大幅度降低柔性机翼的诱导阻力，显著降低阻力系数，大幅提高全机升阻比。
17.3，在柔性机翼中设置刚性骨架，除便于与机身固定连接外，可杜绝柔性机翼在翼中间塌陷的问题，同时，刚性骨架也是柔性机翼内加强筋的支撑体，可显著增加整个柔性机翼的刚性，使之具有更大的抵御强风的能力，对于飞机在平流层高风速环境下的飞行十分有利。
18.4，用张线将柔性机翼与机身及刚性机翼连接，可明显减少柔性机翼的弦向弯度及展向弯度，在保证柔性机翼刚度的情况下使柔性机翼更加平直，显著增加柔性机翼的升力。
19.5，刚性骨架上设置电动螺旋桨，除提供飞机所需的一部分推力外，螺旋桨的排气从进气口强行吹入机翼内的气室，使柔性机翼内始终保持一定的正压力从而保持机翼的刚度，这对于高风速下的顺风飞行及侧飞非常关键；同时，柔性机翼在翼内气室充满空气的状态下其翼表面的不平度即粗糙度明显减小，可明显降低摩擦阻力。
20.6，柔性机翼与刚性机翼的投影面积不重叠，可保证两个机翼的太阳能电池板均保持最高的发电效率，满足多个机载设备的用电需求。
21.7，柔性机翼的材质采用抗撕裂且耐低温的材料，可在平流层零下60度左右的低温及强风环境中正常使用，满足太阳能飞机在平流层长期滞空飞行。
22.8，柔性机翼重量轻，约为同面积刚性机翼重量十分之一，产生的升力可大部分用于有效载荷，因此可大幅度提高整个太阳能飞机的任务载荷。
23.9，由于大幅提高了太阳能飞机的有效载荷，可满足载人飞行。
24.10，柔性机翼结构简单，制造容易，成本低，可显著降低太阳能飞机的整机造价，具有显著的经济效益。
附图说明
25.图1为本发明两机身太阳能飞机的俯视图；图2为本发明两机身太阳能飞机的正视图；图3为本发明刚性骨架的俯视图；图4为本发明刚性骨架的a-a面剖视图；图5为本发明三机身太阳能飞机的俯视图。
26.图中：1机身、2刚性机翼、3柔性机翼、31柔性机翼上翼面、32柔性机翼下翼面、33柔性机翼翼肋、331柔性机翼进气口、332柔性机翼翼肋通气孔、34气室、35刚性骨架、351刚性骨架翼肋、352刚性骨架加强杆、36加强筋、371柔性机翼与机身的连接张线、372柔性机翼与刚性机翼的连接张线、4支架、5电动螺旋桨、6飞行控制系统、7尾翼、8起落架。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明优选的实施方式之一，是为了使本领域的技术人员更好地理解本 发明，不可理解为对本发明权利保护范围的限定，相反，对于本领域的普通科研人员而言，凡利用本发
明进行的任何非实质性的改动或调整，均应落入本发明权利要求书的保护范围之内。
28.实施例1如图1所示，一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，包括2个机身1，沿飞机中心线对称排布； 尾翼7包括垂尾与水平尾，设在机身尾部；一副刚性机翼2位于前机身，一副柔性机翼3在刚性机翼1的后上方，通过支架4固定在机身1上，柔性机翼3的投影面与刚性机翼2无重合，这样的布局保证了柔性机翼3不影响刚性机翼2的采光，从而使两个机翼上表面铺设的太阳能电池板均能最大限度的产生电力；柔性机翼3由芳纶纤维布制成，包括上翼面31、下翼面32和沿翼展方向分布的翼肋33；柔性机翼3的后缘封闭，前缘有多个进气口331，进气口331部位都缝有一定硬度的高分子材料支撑片；翼肋33上开有通气孔332，可使上下翼面与翼肋33围成的各气室34间的空气沿翼展方向流动，当柔性机翼3与空气有相对运动时，在空气冲压力作用下翼内的气室34产生一定的气压，使柔性机翼3保持一定的刚度和翼型形状，上游空气分别从上翼面31与下翼面32引流，在上下翼表面产生压力差而产生升力。
29.柔性机翼3内设置两段刚性骨架35并在刚性骨架35处通过支架4与机身1连接，支架4由碳纤维复合管制作，刚性骨架35由碳纤维板材制作的翼肋351和沿展向的碳纤维管材制作的加强杆352组合而成并缝制在上下翼面内，刚性骨架35的翼肋351也开有通气孔，对应的前缘也开有进气口，所以刚性骨架35所在的机翼与其它部分的柔性机翼3一样在迎面气流冲压下鼓胀并变得挺括；刚性骨架35的展向长度约为柔性机翼3的翼展的十分之一。为减少柔性机翼3的鼓包及凹陷，使翼面更平整挺括光滑，沿翼展方向每隔25厘米设置一个翼肋33，这种较密集的翼肋排列可有效改善上翼面31的气流附着层形态并减少上翼面31的摩擦阻力。为增加柔性机翼3的刚度与强度，防止乱流及高风速下柔性机翼3变形，尤其为防止因柔性机翼3受力不均导致的翼面塌陷，沿翼展方向布设了一根碳纤维管作为加强筋36，加强筋36被缝制在下翼面32与翼肋33上，加强筋36的一端固定在刚性骨架35上；虽然有刚性骨架35与加强筋36的支撑，柔性机翼3在展向及弦向的弯度仍然偏大，合适的弯度对柔性机翼3的刚度是有利的，但如果弯度过大，则导致竖向的升力减小，因此为保持柔性机翼3足够的刚度同时减少弯度过大导致的升力损失，在柔性机翼3的前缘布设4根张线371与机身1前端连接，每个机身上两根，对称布设；同样在柔性机翼3的后缘布设4根张线371与机身1后端连接，每个机身1两根，对称布设；更进一步，柔性机翼3的前缘中间位置及前缘近翼尖处布设3根张线372与刚性机翼2连接，由此可显著减少柔性机翼3的弦向弯度，提高柔性机翼3的升力。
30.在柔性机翼3的两个刚性骨架35前缘各装一个电动螺旋桨5，该螺旋桨5一方面提供飞机所需的一部分推力，另一方面，螺旋桨5排气时把空气从机翼前缘的进气口强行吹入机翼内的气室34，使柔性机翼3内部始终处于正压状态，刚度始终得以维持，由此可实现高风速下的顺风飞行及侧风飞行。
31.由于柔性机翼3被支架4及数根张线371与372固定在机身1上，同时柔性机翼3内设置了刚性骨架35与加强筋36，所以柔性机翼3的位置是固定的，不会漂移，形状是确定的，不会变形，其攻角也通过张线371与机身1的固定角度调整至最适宜值；整体上可将柔性机翼3看作是刚性机翼2飞机的一个载荷，所以该太阳能飞机的飞行控制系统6均基于刚性机翼2及尾翼7，避免了对柔性机翼3进行操纵带来的困难。
32.储能装置为锂电池，装在太阳能飞机的机身1内。
33.实施例1中太阳能飞机的相关数据如下：刚性机翼2为正弯度平直翼，两机身1间距20米, 太阳能电池板铺设面积160平米，配备6个电动螺旋桨发动机5，在刚性机翼2上安装4个，在柔性机翼3上安装2个。
34.表1为实施例1中的刚性机翼2与经典太阳能飞机刚性机翼的对比数据（以阳光动力2号及太阳神号太阳能飞机作为对照）。
35.表1机翼参数阳光动力-2号太阳神号长航时型刚性机翼2翼展/米727550弦长/米3.4（折算）2.42展弦比21.2（折算）31.225翼重/kg1000590400主机翼面积/平米250181100翼重/翼面积kg/平米4.03.34实施例2一种刚性机翼2与柔性机翼3结合的太阳能飞机，包括3个机身1；其中，一个机身1在太阳能飞机的中心线上，其它两个机身1相对中间机身对称布设；机身间距为20米 ，尾翼7包括垂尾与水平尾，设在机身1尾部；同实施例1一样，刚性机翼2位于前机身，柔性机翼3在刚性机翼的后上方，通过支架4固定在机身1上，柔性机翼3的投影面与刚性机翼2无重合。
36.实施例2中柔性机翼3与刚性机翼2的结构、材质及制作方法均与实施例1相同，区别在于，实施例2中刚性机翼2与柔性机翼3的翼展均加长，刚性机翼2的弦长增加，且柔性机翼3内的刚性骨架35由原来的2段增加到3段，用于固定柔性机翼3的支架4由原来2个增加到3个，张线数量也相应增加了，具体是在柔性机翼3的前缘布设6根张线371与机身前端连接，每个机身上两根，对称布设；同样在柔性机翼3的后缘布设6根张线371与机身1后端连接，每个机身两根，对称布设；更进一步，柔性机翼3在两机身中间位置对应的前缘及近翼尖处的前缘布设4根张线372与刚性机翼2连接；在柔性机翼3的3段刚性骨架35前缘各装一个电动螺旋桨5。
37.同实施例1一样，实施例2的柔性机翼3整体上可看作是刚性机翼飞机的载荷，该太阳能飞机的飞行控制系统6均基于刚性机翼2及尾翼7。
38.同实施例1一样，实施例2太阳能飞机的储能装置为锂电池，装在飞机的机身1内。
39.实施例2中的太阳能飞机的技术数据如下：刚性机翼为正弯度平直翼，太阳能电池板铺设面积240平米，配备7个电动螺旋桨，其中，在刚性机翼2上安装4个，在柔性机翼3上安装3个。
40.表2为实施例1与实施例2中刚性机翼2与柔性机翼3相关参数。
41.表2刚性机翼2柔性机翼3机翼参数实施例1/实施例2实施例1/实施例2翼展/米50/6040/60弦长/米2/2.52/2
展弦比25/2420/30翼重/kg400/58030/45主机翼面积/平米100/15080/120翼重/翼面积(kg/平米)4/3.870.375/0.375刚性骨架数量/段/2/3刚性骨架长度/米/2/2刚性骨架重量/kg/6/9加强筋数量/个/1/1加强筋长度/米/40/60加强筋重量/kg/9/13.5

技术特征：
1.一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，包括机身（1）、刚性机翼（2）、尾翼（7）、起落架（8）及飞行控制系统（6），其特征在于：还包括一副柔性机翼（3）；所述柔性机翼（3）位于刚性机翼（2）的上方偏后，且柔性机翼（3）的投影面与刚性机翼（2）无重合；所述柔性机翼（3）是由柔性软质材料制成并由迎面气流冲压形成的具有一定刚度的机翼，包括上翼面（31）、下翼面（32）和沿翼展方向分布的翼肋（33）；所述柔性机翼（3）包含至少两段由轻质材料制成的刚性骨架（35）并在所述刚性骨架（35）处通过支架（4）与机身（1）连在一起；所述的柔性机翼（3）沿翼展方向装有至少一根轻质材料制成的刚性加强筋（36），.所述加强筋与刚性骨架连在一起；所述刚性骨架（35）上装有电动螺旋桨（5）；所述刚性机翼（2）与柔性机翼（3）的上表面均铺设太阳能电池板。2.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述的刚性骨架（35）由刚性的翼肋（351）和位于前缘与后缘的刚性加强杆（352）组合而成，与上下翼面形成多个气室（34）。3.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述柔性机翼的前缘及所包含的刚性骨架（35）的前缘有多个进气口（331），后缘封闭。4.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述柔性机翼（3）的上下翼面均由抗拉强度高且透气率低的纤维布或薄膜制成；所述纤维布是聚酯纤维布或芳纶纤维布，所述薄膜为聚脂薄膜或超高密度聚乙烯薄膜。5.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述柔性机翼（3）的翼肋（33）上开有通气孔（332），可使上翼面31、下翼面32及翼肋33围成的各气室（34）间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内部的压强，保持柔性机翼（3）的翼型。6.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述加强筋（36）的截面形状为圆形、矩形、工字型或圆环型。7.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述柔性机翼（3）前缘至少有4根张线（371）与前机身（1）连接；后缘至少有4根张线（371）与后机身（1）连接。8.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述柔性机翼（3）前缘至少有3根张线（372）与所述刚性机翼（2）连接。9.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述的刚性机翼（2）上装有多个电动螺旋桨（5）。10.根据权利要求1所述的一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，其特征在于，所述飞行控制系统（6）是基于刚性机翼（2）及尾翼（7）。

技术总结
本发明公开了一种刚性机翼与柔性机翼结合的太阳能飞机，包括多个机身（1）、刚性机翼（2）、尾翼（7）、起落架（8）及飞行控制系统（6），还包括一副柔性机翼（3）；柔性机翼（3）位于刚性机翼（2）的上方偏后且其投影面与刚性机翼（2）无重合，柔性机翼（3）由柔性软质材料制成并由迎面气流冲压形成的具有一定刚度的机翼，其中包含至少两段由轻质材料制成的刚性骨架（35）并在刚性骨架（35）处通过支架（4）与机身（1）连在一起并在上面装有电动螺旋桨（5）；刚性机翼（2）与柔性机翼（3）的上表面均铺设太阳能电池板。通过刚性机翼（2）与柔性机翼(3)的结合，大幅提高了柔性机翼（3）的展弦比，克服了柔性机翼（3）在高风速下的不稳定性，显著提高了全机的升阻比，大幅提高了太阳能飞机的有效载荷；同时又发挥出刚性机翼（2）及尾翼（7）飞控性能好的优点，两副机翼上的太阳能电池板大幅提高了飞机的发电能力，保证了多个机载设备的用电需求，本发明的太阳能飞机既可载人飞行又可满足平流层内滞空无人飞行。流层内滞空无人飞行。流层内滞空无人飞行。


技术研发人员：李春洲
受保护的技术使用者：上海洲跃生物科技有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/14