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CN106628099A - 一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器 - Google Patents

一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器 Download PDF

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王根辉
张常东
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Abstract

本发明提出的一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，包括气囊和副气囊；气囊内填充浮升气体，处于气囊下腹部的副气囊用于充放空气；气囊上表面覆贴膜式太阳能电池；气囊后部设有带舵面的“X”型尾翼；气囊中部两侧分别布置电动涵道转向推进器，气囊尾部布置电动推进器；气囊下腹部设有起落架。本发明主要结合传统飞艇和系留气球的优点，实现单个浮空器既能自主飞行，又能定点系留，同时采用太阳能电池及储能电池为艇载设备供电和提供飞行动力，与传统飞艇相比，该两用太阳能浮空器具有续航时间更长和环保节能等优点，与常规系留气球相比，该两用太阳能浮空器具有机动性强、经济性好，且执行任务区域大等优点。

Description

一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器
技术领域
本发明属于飞行器领域，具体涉及一种既可系留，又可进行自主飞行的太阳能浮空飞行器。
背景技术
浮空器是一种内部充填轻于空气的轻质气体，主要依靠空气静浮力实现升空的航空器。飞艇和系留气球也是浮空器谱系中重要的组成部分。
系留气球是一种通过系留缆绳和地面锚泊装置将系留气球稳定地系留在具有一定海拔高度的空间位置，并搭载任务设备，对地面和空中目标执行长时间的侦察、监视、预警、通信任务的系统平台，属于无动力浮空器。与系留气球不同，飞艇是一种利用动力推进系统、艇载功能系统和飞行控制系统等，实现升空、下降、空中悬停或机动飞行的带动力浮空器。按其升空高度的不同，飞艇可分为对流层飞艇和平流层飞艇。
传统对流层飞艇通常采用航空发动机，由于所携带燃油的限制，无法进行长航时飞行，因此无法像系留气球一样进行长时间(如数天以上)的定点系留工作。而系留气球一旦架设升空后，只能定点系留工作，其工作区域受任务载荷及升空高度的限制，若工作区域超出其系留状态的工作范围或需要短时间进行远距离工作时，则需将系留气球回收，并由地面运输到工作区域，再展开进行系留工作，无法像飞艇一样自主飞行执行任务。另外，由于飞艇需要在空中自主飞行，因此飞艇和飞机一样，其外形需设计成流线型，以保证飞艇具有较小的阻力。而系留气球仅需定点系留工作，气动稳定性要好，对球体阻力要求不高，因此，在系留气球外形设计时，一般气球头部设计都较钝。
目前还没有将传统飞艇和系留气球相结合，实现单个浮空器既能自主飞行，又能定点系留的浮空器公开。
发明内容
本发明的目的是结合传统飞艇和常规系留气球的优点和使用特点，提供一种既能定点系留，又能进行一定距离和时间的自主飞行、节能环保的太阳能浮空器。
本发明的技术方案为：
所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：包括气囊和副气囊；气囊内填充浮升气体，处于气囊下腹部的副气囊用于充放空气；
气囊上表面覆贴膜式太阳能电池；气囊后部设有带舵面的“X”型尾翼；气囊中部两侧分别布置电动涵道转向推进器，气囊尾部布置电动推进器；气囊下腹部设有起落架；在浮空器下部设有任务吊舱，任务吊舱内放置负载和储能电池，所述储能电池与太阳能电池组成浮空器供电源；
浮空器头部设有头锥，底部安装有旋转连接器；当浮空器空中系留时，浮空器通过旋转连接器连接系留缆绳，系留缆绳与地面系留车连接；当浮空器地面系泊时，通过旋转连接器使浮空器与系留缆绳相连接并系留在系留车上，通过系留车上的气垫支撑浮空器，通过头锥锁锁住浮空器头部的头锥。
进一步的优选方案，所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：气囊为纺锤体结构气囊。
进一步的优选方案，所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：气囊尾部电动推进器为浮空器巡航提供动力；在起飞、大风条件或下降时，气囊中部两侧的电动涵道转向推进器和气囊尾部电动推进器同时为浮空器提供动力。
进一步的优选方案，所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器空中系留时，若太阳能电池供电不足，则通过系留缆绳给浮空器上设备供电。
进一步的优选方案，所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器空中系留时，能够依靠浮空器上推进器和舵面辅助姿态控制。
进一步的优选方案，所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器进行自主飞行时，先将浮空器回收到一定高度，向副气囊内充入一定量的空气并排放出气囊中一定量的浮升气体，使浮空器处于净重状态，起动浮空器上的尾部电动推进器和电动涵道转向推进器，并控制旋转连接器解锁，使浮空器与系留缆绳分离，浮空器在两台电动涵道转向推进器的推动作用下垂直起降，并通过尾部电动推进器和电动涵道转向推进器以及舵面作用爬升至预定飞行高度飞行。
有益效果
本发明的系留/自主飞行两用太阳能浮空器，在白天可进行自主飞行，通过太阳能电池可提供长时间的作业飞行。
以200m3浮空器为例，假设其最大平飞速度70km/h，通过计算，所需功率为11.5kW。本方案选用2台功率为5kW的电动机和一台1.5kW的电动机。1.5kW的电动机作为尾部电动推进器提供浮空器以35km/h的速度巡航时的动力，2台功率为5kW的电动机作为电动涵道转向推进器，用于在浮空器起飞、抗风和下降时，与尾部电动推进器共同提供动力。
在浮空器上布置62平方米的太阳能电池板，通过计算得出太阳能一天的发电量曲线图见图2、图3。由图中数据可知，在冬天时，一天中上午8：30到下午15：30期间，太阳能电池的发电量满足1.5kW功率电动机的消耗；在夏天时，一天中上午7：00到下午17：00期间太阳能电池的发电量满足1.5kW功率电动机的消耗。并能为储能电池进行充电。同时在浮空器上配备1块24V，200Ah储能电池。
由以上数据可知，在冬季以35km/h的速度飞行时，可以持续飞行不少于6h；在夏季时以35km/h的速度飞行时，可以持续飞行不少于9h，相比传统飞艇续航时间提高了50％～125％，航程提高了75％～160％。
在阴天、晚上以及无需机动飞行时，可以将浮空器定点系留继续开展工作，通过浮空器上太阳能电池及储能电池为浮空器上设备和电动机的运行供电，若太阳能电池和储能电池的供电量不能满足浮空器上消耗时，可通过系留缆绳给浮空器上设备和电动机的运行供电，相比系留气球，工作范围更大。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明地面锚泊状态示意图；
图2是冬至日太阳能电池发电量与单台电机功率需求曲线图；
图3是夏至日太阳能电池发电量与单台电机功率需求曲线图；
图4是本发明空中系留状态示意图；
图5是本发明自主飞行状态示意图。
其中：1、气囊；2、太阳能电池；3、尾翼；4、电动涵道转向推进器；5、电动推进器；6、副气囊；7、起落架；8、任务吊舱；9、头锥；10、旋转连接器；11、系留缆绳；12、系留车；13、气垫；14、头锥锁；15、回转平台。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出的一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，包括可充入氦气的气囊1，在气囊1的上表面覆贴由多块膜式太阳能电池2拼接构成的太阳能电池层。浮空器采用直流无刷电动机和电机驱动控制器作为动力及驱动控制，在气囊1后部设有带舵面的尾翼3，尾翼3为“X”型。本实施例中气囊1中部两侧分别布置一台电动涵道转向推进器4，并在尾部布置一台电动推进器5。推进器的数量和相对安装位置可根据浮空器的大小和布局的变化进行调整。在浮空器下腹部内部设有副气囊6，用于充放空气，平衡重浮力的变化。在浮空器下腹部设有起落架7，用于飞艇模式起降。在浮空器下部设有任务吊舱8，任务吊舱内可安放负载和储能电池，太阳能电池和储能电池共同为浮空器提供电源。在浮空器头部设有头锥9，用于浮空器地面锚泊。
如图1，当浮空器地面系泊时，通过旋转连接器10使浮空器与系留缆绳11相连接系留在系留车12上，通过系留车12上的气垫13支撑浮空器，通过头锥锁14锁住浮空器头部的头锥9，使浮空器固定在系留车上。同时浮空器在大风天气可随回转平台15一起回转。
如图4，当浮空器系留时，气囊1充满轻于空气的气体氦气，使浮空器处于净升状态，并且浮空器通过旋转连接器10与系留缆绳11连接在一起，系留缆绳1与地面系留车12连接。白天一般由太阳能电池2为浮空器上设备提供能源，夜间或太阳能电池2及储能电池供电不足时通过系留缆绳11给浮空器上设备及推进器4和5提供能源，由于浮空器为纺锤体结构，不利于系留时的姿态保持，因此需通过浮空器上推进器和尾翼3上的舵面辅助浮空器的姿态控制。
如图5，当浮空器机动飞行时，若浮空器处于系留状态时，先将浮空器回收到一定高度，向副气囊6内充入一定量的空气并排放出气囊1中的氦气，使浮空器处于净重状态，起动浮空器上的三台电动推进器4和5，并通过手动控制旋转连接器10解锁，使浮空器与系留缆绳11分离，浮空器在三台电动推进器和尾翼3上的舵面的作用下进行爬升飞行；为了提高浮空器的续航时间及飞行距离，当浮空器巡航飞行时，关停浮空器两侧的电动涵道转向推进器4，使用浮空器尾部电动推进器5进行巡航飞行。当浮空器降落时，起动浮空器两侧的电动涵道转向推进器4，使三台推进器同时工作，并通过浮空器下腹部的起落架7降落地面。
当浮空器机动飞行降落后再次空中系留时，排空副气囊6中的空气，并向气囊1内充入一定的氦气，使浮空器处于净升状态；将浮空器通过旋转连接器10与系留缆绳11连接，排放缆绳使浮空器上升至系留高度。通过浮空器上推进器4和5及尾翼3上的舵面辅助浮空器的姿态控制。
本发明提出的一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，主要结合传统飞艇和系留气球的优点，实现单个浮空器既能自主飞行，又能定点系留，同时采用太阳能电池及储能电池为艇载设备供电和提供飞行动力，与传统飞艇相比，该两用太阳能浮空器具有续航时间更长和环保节能等优点，与常规系留气球相比，该两用太阳能浮空器具有机动性强、经济性好，且执行任务区域大等优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：包括气囊和副气囊；气囊内填充浮升气体，处于气囊下腹部的副气囊用于充放空气；
气囊上表面覆贴膜式太阳能电池；气囊后部设有带舵面的“X”型尾翼；气囊中部两侧分别布置电动涵道转向推进器，气囊尾部布置电动推进器；气囊下腹部设有起落架；在浮空器下部设有任务吊舱，任务吊舱内放置负载和储能电池，所述储能电池与太阳能电池组成浮空器供电源；
浮空器头部设有头锥，底部安装有旋转连接器；当浮空器空中系留时，浮空器通过旋转连接器连接系留缆绳，系留缆绳与地面系留车连接；当浮空器地面系泊时，通过旋转连接器使浮空器与系留缆绳相连接并系留在系留车上，通过系留车上的气垫支撑浮空器，通过头锥锁锁住浮空器头部的头锥。
2.根据权利要求1所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：气囊为纺锤体结构气囊。
3.根据权利要求1或2所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：气囊尾部电动推进器为浮空器巡航提供动力；在起飞、大风条件或下降时，气囊中部两侧的电动涵道转向推进器和气囊尾部电动推进器同时为浮空器提供动力。
4.根据权利要求1所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器空中系留时，若太阳能电池供电不足，则通过系留缆绳给浮空器上设备供电。
5.根据权利要求2所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器空中系留时，能够依靠浮空器上推进器和舵面辅助姿态控制。
6.根据权利要求3所述一种系留和自主飞行两用太阳能浮空器，其特征在于：当浮空器进行自主飞行时，先将浮空器回收到一定高度，向副气囊内充入一定量的空气并排放出气囊中一定量的浮升气体，使浮空器处于净重状态，起动浮空器上的尾部电动推进器和电动涵道转向推进器，并控制旋转连接器解锁，使浮空器与系留缆绳分离，浮空器在两台电动涵道转向推进器的推动作用下垂直起降，并通过尾部电动推进器和电动涵道转向推进器以及舵面作用爬升至预定飞行高度飞行。
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