一种风能太阳能双动力全天候无人机的制作方法

一种风能太阳能双动力全天候无人机
1.本发明属于航空飞行器技术领域，涉及一种风能太阳能飞机，具体涉及一种风能太阳能全天候无人机。
2.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。
3.传统太阳能飞机唯一的动力是太阳能电池板产生的电力，由于目前太阳能电池板的光电转化效率不高，产生的电力有限，为此人们千方百计在太阳能飞机的翼型、材质及结构等方面下功夫，以期在实现高空长期滞空飞行的前提下最大限度地减轻飞机的重量，提高飞机的有效载荷；由于太阳能发电仅局限在白天，为了晚上持续飞行必须携带足够容量的蓄电池，而蓄电池的重量占据了飞机总重的1/4-1/3,甚至更多，另一方面，由于在平流层10-16千米高度处的空气风速很高(最高可达60米/秒以上)，单翼太阳能飞机的结构强度有限，无法抵御强风的冲击，因此目前单翼的高空型太阳能飞机一般选择在17-20千米的低风速空间滞空飞行，但20千米处的空气密度仅为15千米处空气密度的一半，意味着在同样的飞行速度下，机翼在20千米处产生的升力约为15千米处的一半，因此不得不减少飞机的起飞重量，导致有效载荷十分有限，目前长航时太阳能无人机的有效载荷基本为起飞重量的5-10%。由于长航时太阳能无人机一方面须携带大容量蓄电池供晚上飞行之用，一方面又需在平流层的低风速、低空气密度的高空飞行，导致有效载荷难以提高。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明设计了一种风能太阳能双动力全天候无人机，白天利用太阳能产生的电力飞行，晚上利用风能产生的电力飞行，实现全天候飞行；由于可在空气密度较高且风速高的空间飞行，机翼可产生更大的升力，同时，由于电力是一边产生一边使用，无需大量储电备用，故可显著减少了蓄电池的携带量，大幅增加有效载荷，技术思路如下：一种风能太阳能双动力全天候无人机,包括起落架、吊舱及飞控系统，还包括上机翼、下机翼及夹在上下机翼中间的多个环形机翼；上机翼与下机翼在翼尖处用翼板连在一起，环形机翼内装有风力涡轮发电机；上机翼的上表面铺满太阳能电池板；在上机翼与下机翼的前缘均装有多个常规电动螺旋桨。
5.进一步的，在上机翼与下机翼的前缘还装有多个可逆电机组件及螺旋桨；所述的可逆电机组件在飞机上正常飞行时作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，在飞机俯冲或在空中做特定轨迹飞行时作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能。
6.进一步的，可逆电机组件包括永磁直流电机、充电器、自动切换开关及控制器。
7.更进一步的，可逆电机组件包含在电动回路与发电回路中；在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关与蓄电池输出端连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电器及蓄电池输入端连接。
8.进一步的，控制器在无人机正常飞行时接收飞控系统指令将自动切换开关与发电回路的充电器断开而与电动回路的蓄电池输出端连通；控制器在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时，接收飞控系统指令将自动切换开关与电动回路的蓄电池输出端断开而与发电回路的充电器连通。
9.进一步的，风力发电机的浆叶为可变桨距桨叶,在飞机正常飞行时处于顺桨状态，在飞机俯冲或做空间特定轨迹飞行时处于正桨状态。
10.进一步的，上机翼与下机翼均由拱形的刚性骨架、柔性软质的上翼面、下翼面及柔性翼肋构成；刚性骨架由翼梁、刚性翼肋组成;上机翼与下机翼的前缘均有多个进气口，后缘均封闭。
11.更进一步的，刚性翼肋及柔性翼肋上均开有通气孔，可使由上下翼面与翼肋构成的各个气室间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力。
12.进一步的，起落架与一部分吊舱组合在一起,另一部分吊舱布设在下机翼上，吊舱里装飞控系统、航电系统、电子设备及蓄电池。
13.进一步的，飞控系统通过调节上机翼与下机翼上不同位置的常规电动螺旋桨的转速来完成横滚，偏航及俯仰动作。
14.更进一步的，飞控系统在飞机做俯冲之前，先使飞机处于逆风飞行状态并抬头，飞机借助风力不断爬升，至指定高度时指令控制器将可逆电机组件的发电回路接通，然后控制飞机向下前方俯冲进行发电。
15.本发明相对于现有技术的有益效果如下：:一,无人机不设尾翼及机身，大大减轻了飞机重量，大幅减少了废阻力，上机翼与下机翼在翼尖处连为一体,大幅降低了诱导阻力,故使无人机具有很高的升阻比。
16.二,上下机翼形成闭合的环形机翼,具有近乎两倍于单翼的升力,上下机翼中夹的多个环形机翼进一步增加了飞机的升力, 使无人机具有很大的起飞重量,.三,上下机翼间的多个环形机翼既是升力翼,又是上下机翼的支撑体,减少了飞机的结构重量，同时提高了整个飞机的结构强度,可适应平流层强风环境下的滞空飞行。
17.四,上下机翼采用刚性骨架结合柔性软质材料的上下翼面及柔性翼肋，并通过空气冲压方式形成具有足够刚度与强度的翼型，进一步降低了机翼的重量，大幅度提高了无人机的有效载荷。
18.五，采用拱形机翼，克服了传统平直机翼易于变形扭曲的缺陷，显著增强了机翼的抗弯扭强度，尤其对升力载荷产生的弯矩有很好的抵抗力，避免了机翼因变形过大解体的风险。
19.六，拱形机翼具有纵向及横向静稳定性，当飞行中遇到气流扰动发生横滚或俯仰时，会产生回复力矩，自动回到稳定飞行状态，非常有利于无人机的飞行控制。
20.七，拱形飞翼可以在水平风中做小动力盘旋运动，可大大节省电力，非常适合在平流层高风速环境下的长航时滞空飞行。
21.八，装有风力发电机及可逆电机组件的无人机白天可依靠太阳能飞行，阴天及晚上依靠风力产生的电力飞行，从而实现无人机的全天候滞空飞行。
22.九，由于无人机无论白天还是阴天或晚上，电力是随用随发（发电），无需像传统太阳能飞机那样携带大容量的蓄电池以备晚上飞行之用，所以风能太阳能双动力无人机携带
的蓄电池容量可以大幅度减小，节省的蓄电池重量可以用来增加任务载荷，从而把无人机的效能发挥到最大。
附图说明
23.图1是本发明实施例的正视图图2是本发明实施例的俯视图图3是图2中a-a面的剖视图100—上机翼，101—翼板，102—支架，110—刚性骨架，1101—前翼梁，1102—后翼梁，1103—刚性翼肋，120—上翼面，130—下翼面，140—柔性翼肋，150—进气口，160—通气口，170—气室，200—下机翼，300—环形机翼，310—涡轮风力发电机，400—起落架，501—蓄电池吊舱，502—设备吊舱, 601—常规电动螺旋桨，602—可逆电机螺旋桨。
实施方式
24.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。
实施例
25.如图1-3所示，一种风能太阳能双动力全天候无人机包括上机翼100、下机翼200及位于上机翼与下机翼中间的3个环形机翼300；下机翼200近翼端两侧装有两个起落架400，有两个吊舱501与起落架400组合在一起，下机翼200上还有两个设备吊舱502；上机翼100与下机翼200在翼尖处用翼板101连在一起，环形机翼（300）与上下机翼通过支架（102）连在一起；由于上下机翼均为具有展向弯度的拱形机翼，故而与翼板101一起形成一个双拱形环状机翼，加上三个小环形机翼，飞机整体构成一个大小环形机翼组成的飞翼。
26.3个环形机翼300内装有3个不同功率的风力涡轮发电机310，其中左右两个功率较小的风力涡轮发电机310的转动方向相同，与中间功率较大的风力发电机310的转动方向相反，可最大限度平衡风力发电机产生的扭矩；发电机的桨叶为可变桨距，可在顺桨与正浆之间转换；无人机正常飞行时，飞控系统指令风力发电机310上的桨叶控制机构将浆叶调至顺桨位置，以最大限度地减少桨叶产生的阻力；在飞机俯冲或做空间特定轨迹飞行时，飞控系统指令风力发电机310上的桨叶控制机构将浆叶调至正桨位置；风力发电机310也采用永磁直流发电机，产生的电力经充电器给蓄电池充电。
27.在上机翼100与下机翼200的前缘装有多个常规电动机及螺旋桨601，常规电动机为永磁直流电机，功率重量比很高，螺旋桨为二叶定距螺旋桨，用碳纤维制成，重量很轻。常规电动螺旋桨601在任何飞行阶段都在电力驱动下产生升力并通过飞控系统操纵飞机的飞行姿态，即飞控系统通过调节上机翼100与下机翼200上不同位置常规电动螺旋桨601的转速来完成横滚，偏航及俯仰动作。
28.在上机翼100与下机翼200的前缘还装有多个可逆电机及螺旋桨602；可逆电机组件在飞机上正常飞行时作为电动机，用电力驱动螺旋桨使其转动产生拉力，在飞机俯冲或
在空中做特定轨迹飞行时作为发电机，将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能；常规电动螺旋桨601装在机翼两侧及机翼中部，可逆电机及螺旋602桨装在常规电动螺旋桨601之间。
29.可逆电机组件包括永磁直流电机、充电器、自动切换开关及控制器，永磁直流电机与螺旋桨602组合装在机翼的前缘，充电器、自动开关及控制器装在吊舱502里；可逆电机组件包含在两个电回路中，一个是电动回路，一个是发电回路；在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电器及蓄电池的输入端连接。
30.无人机正常飞行（转弯，平飞、爬升，下降等）时，飞控系统通过可逆电机组件的控制器指令自动切换开关与发电回路的充电器断开而与电动回路的蓄电池连通；在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时，飞控系统通过可逆电机组件的控制器指令自动切换开关与电动回路的蓄电池断开而与发电回路的充电器连通；在可逆电机组件发电阶段，常规电动螺旋桨保持低功率运行状态。
31.上机翼100与下机翼200均由拱形的刚性骨架110、柔性软质的上翼面120、下翼面130及柔性翼肋140构成，刚性骨架110由前翼梁1101、后翼梁1102及刚性翼肋组成1103，其中刚性骨架110由碳纤维材料制成，柔性上翼面120、下翼面130及柔性翼肋140均由芳纶纤维布制成；上机翼100与下机翼200的前缘均有多个进气口150，后缘均封闭；刚性翼肋1103及柔性翼肋140上均开有通气孔160，可使由上翼面120及下翼面130与柔性翼肋140（包括刚性翼肋1103）构成的各个气室170间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力。
32.无人机发电方式通常有俯冲发电及特定飞行轨迹飞行发电如空间8字飞行，俯冲发电方式相对比较简单，飞行控制较容易，并且对无人机的结构强度要求也较低。俯冲发电具体步骤是：飞控系统在俯冲之前首先将飞机调整为逆风飞行状态，然后降低上机翼100上的常规电动螺旋桨601及可逆电机螺旋桨602的转速，同时提高下机翼200上的常规电动螺旋桨601及可逆电机螺旋桨602的转速，使无人机抬头并保持适宜的攻角，无人机在风力作用下不断爬升（此时无人机可主动选择低功率倒飞），至指定高度时，飞控系统提高上机翼100上的常规电动螺旋桨601及可逆电机螺旋桨602的转速，同时降低下机翼200上的常规电动螺旋桨601及可逆电机螺旋桨602的转速，使无人机低头并保持适宜的攻角，然后指令控制器将可逆电机组件切换至发电回路，同时将风力发电机310调至正桨位置，无人机在重力作用下向下方俯冲，俯冲过程中可逆电机的螺旋桨602及风力发电机310的桨叶高速旋转产生电力，无人机俯冲发电的实质是将风力对无人机做功产生的重力势能转化为电能，当然，俯冲过程中，同时伴有风能直接被转化为电能。
33.所以，无人机在风力环境中的飞行模式总体是，平飞，逆风爬升，俯冲，再平飞，不断重复这样的过程。正是在这样的飞行模式中，无人机源源不断从风中获得电能，从而实现长期滞空的目标。
34.风能太阳能双动力无人机既然可以在晚上利用风能产生的电力进行飞行，当然也可以在白天利用风能产生的电力飞行，所以该无人机完全可以利用纯风能进行滞空飞行，平流层16千米以下属于强风区且基本为水平风，故该无人机非常适合在16千米以下的平流层内飞行。

技术特征：
1.一种风能太阳能双动力全天候无人机,包括起落架（400）、吊舱及飞控系统，其特征在于，还包括上机翼（100）、下机翼(200)及夹在上下机翼中间的多个环形机翼（300）；所述上机翼（100）与下机翼（200）在翼尖处用翼板（101）连在一起，所述环形机翼（300）内装有风力涡轮发电机（310）；所述上机翼（100）的上表面铺满太阳能电池板；所述上机翼（100）与下机翼（200）上装有多个常规电动螺旋桨（601）。2.根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述的上机翼（100）与下机翼（200）上装有多个可逆电机组件及螺旋桨（602）；所述可逆电机组件在正常飞行时作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，在飞机俯冲或在空中做特定轨迹飞行时作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能。3.根据权利要求2所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述可逆电机组件包括永磁直流电机、充电器、自动切换开关及控制器；可逆电机组件包含在电动回路与发电回路中，所述电动回路中，永磁直流电机的电力输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；所述发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电器及蓄电池的输入端连接。4.根据权利要求3所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述控制器在无人机正常飞行时接收飞控系统指令将自动切换开关与所述发电回路的充电器断开而与电动回路的蓄电池输出端连通；所述控制器在无人机俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时，接收飞控系统指令将自动切换开关与所述电动回路的蓄电池的输出端断开而与所述发电回路的充电器连通。5. 根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于， 所述风力发电机（310）的浆叶为可变桨距桨叶,在飞机正常飞行时处于顺桨状态；在飞机俯冲或做空间特定轨迹飞行时处于正桨状态。6. 根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述上机翼（100）与下机翼（200）均由拱形的刚性骨架（110）、柔性软质的上翼面（120）、下翼面（130）及柔性翼肋（140）构成；所述刚性骨架（110）由前翼梁（1101）、后翼梁（1102）及刚性翼肋（1103）组成; 所述上机翼（100）与下机翼（200）的前缘均有多个进气口（150），后缘均封闭。7.根据权利要求6所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述刚性翼肋（1103）及柔性翼肋（140）上均开有通气孔（160），可使由上下翼面与翼肋构成的各个气室（170）间的空气沿翼展方向流动以平衡机翼内的压力。8.根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述起落架（400）与蓄电池吊舱（501）组合在一起装在下机翼（200）的近翼端两侧,设备吊舱（502）布设在下机翼（200）中间位置，所述设备吊舱（502）里装飞控系统、航电系统、电子设备。9.根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述飞控系统通过调节上机翼（100）与下机翼（200）上不同位置的常规电动螺旋桨（601）的转速来完成横滚，偏航及俯仰动作。10.根据权利要求1所述的一种风能太阳能双动力全天候无人机，其特征在于，所述飞控系统在飞机做俯冲之前，先使飞机处于逆风飞行状态并抬头，飞机借助风力不断爬升，至指定高度时指令控制器将可逆电机组件切换至发电回路然后向下前方俯冲进行发电。

技术总结
本发明公开了一种风能太阳能双动力全天候无人机，包括上机翼、下机翼及夹在上下机翼中间的多个环形机翼；上机翼与下机翼在翼尖处用翼板连在一起，环形机翼内装有风力涡轮发电机；上机翼与下机翼的前缘均装有多个常规电动螺旋桨及可逆电机螺旋桨，上机翼的上表面铺满太阳能电池板；该无人机白天利用风能及太阳能产生的电力飞行，晚上利用风能产生的电力飞行；由于可在空气密度较高且风速高的空间飞行，机翼可产生更大的升力，同时由于电力是一边产生一边使用，无需大量储电备用，故可显著减少了蓄电池的携带量，大幅增加无人机的有效载荷。载荷。载荷。


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：2023.04.16
技术公布日：2023/7/4