CN102897311A - 超压碟形浮升一体飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超压碟形浮升一体飞行器，包括：艇体；设置于艇体表面的太阳能电池；设置于艇体侧面的艇上推进单元；设置于艇体下方与艇体连接的设备舱；以及设置于设备舱侧面的设备舱推进单元。利用本发明，通过飞行器新构形的设计来解决传统飞行器升力形式单一这一问题，即通过浮空器自身的浮力和碟状构型所能产生的升力，两者结合互为补充，使得飞行器具备浮升一体式设计，进而达到飞行器能够升空、并完成滞空飞行的目的。

Description

超压碟形浮升一体飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种应用于临近空间飞行的超压碟形浮升一体飞行器。

背景技术

目前飞行器在实现飞行的技术手段上，往往以单一形式为主，例如固定翼飞机、直升机等是以机翼和旋桨产生的升力供其完成飞行，而飞艇等浮空器则是通过内部填充的浮升气体所产生的浮力供其完成飞行，二者的缺陷均在于其升力形式单一，一旦其升力形式失效则无法提供有效的补救措施，进而造成不可弥补的损失。

现有技术之所以存在这些缺陷，主要是因为此类设计基本能够满足人们目前的正常使用要求，比如飞机通常在1万米左右的高度开展飞行，传统飞艇飞行高度则更低，通过现有技术均已经能够实现。但对于今后开展更高高度的临近空间飞行，如3万米左右高度的飞行，现有技术将存在诸多困难，只有探究新技术才有可能实现，本发明超压碟形浮升一体飞行器的设计理念也正是基于此。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于临近空间飞行的超压碟形浮升一体飞行器，以解决传统飞行器升力形式单一这一问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种超压碟形浮升一体飞行器，包括：艇体；设置于艇体表面的太阳能电池；设置于艇体侧面的艇上推进单元；设置于艇体下方与艇体连接的设备舱；以及设置于设备舱侧面的设备舱推进单元。

上述方案中，所述艇体采用组合式构型，上半部分为椭球形，下半部分为碟形，上半部分与下半部分之间采用一体成型工艺或无风焊接工艺进行连接。

上述方案中，所述艇体内部设置有副气囊，副气囊体积小于传统飞艇副气囊体积，减小部分通过超压技术予以弥补。

上述方案中，通过在所述艇体内部设置多个柔性隔层，同时辅助一系列承力线缆来实现该飞行器的超压。

上述方案中，所述艇体通过内充的氦气为该飞行器提供浮力，保持该飞行器滞空。

上述方案中，所述太阳能电池设置于艇体的顶部表面，且通过粘合方式与艇体连接。

上述方案中，所述太阳能电池作为能源供给单元为该飞行器进行供电，将白天产生的电能分为两部分，一部分维持该飞行器白天使用，另一部分存储进安装于设备舱内的燃料电池，供该飞行器夜间使用。

上述方案中，所述艇上推进单元用于控制飞行器的偏航及辅助前进，包括对称地设置于艇体四周的第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。

上述方案中，所述艇上推进单元与艇体之间通过绑扎和刚性的方式连接。

上述方案中，所述设备舱内安装有各种仪器设备，至少包括燃料电池、飞控仪器和测控仪器，用于完成对该飞行器的各种操作和控制。

上述方案中，所述设备舱通过艇体设备舱连接件与艇体连接，该艇体设备舱连接件用于保证该飞行器整体的稳定性，包括一刚性连接件和多个柔性连接件，该刚性连接件设置于设备舱与艇体之间的中心轴线上，该多个柔性连接件设置于该刚性连接件四周。

上述方案中，所述设备舱推进单元用于控制飞行器的俯仰及辅助前进，包括对称地设置于设备舱四周的第五螺旋桨、第六螺旋桨、第七螺旋桨和第八螺旋桨，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。

上述方案中，所述设备舱推进单元与设备舱之间通过绑扎和刚性的方式连接。

上述方案中，所述艇上推进单元与所述设备舱推进单元是控制该飞行器的执行机构，通过其产生的推进力保证飞行器升降、前进、转弯和锚泊。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器，通过飞行器新构形的设计来解决了传统飞行器升力形式单一这一问题，即通过浮空器自身的浮力和碟状构型所能产生的升力，两者结合互为补充，使得飞行器具备浮升一体式设计，进而达到飞行器能够升空、并完成滞空飞行的目的。

2、本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器，与常规的浮空器相比，其浮升工作原理同时依靠氦气提供的浮力和自身构型提供的升力，这样一方面减轻了飞行器对于浮力的依赖，另一方面也充分发挥了构型自身的特点，这是传统设计所不曾具备的。

3、本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器，将超压技术应用到副气囊的设计上，通过超压技术使得副气囊占系统整体的比例有所减少，这样就在一定程度上增加了主气囊的比例，进而增加系统的有效升力，这是对现有技术的完善和补充。

4、本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器，在控制方面通过安装在艇体和设备舱上的推进器来完成姿态控制，即改变了系统的基本控制模式和控制策略，是一种新的尝试。

附图说明

图1是本发明采用的前进控制原理示意图。

图2是本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器的结构示意图。

图3是本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器在能源方面的原理示意图。

附图标记说明：

1太阳能电池，2艇体，3第一螺旋桨，4第二螺旋桨，5第三螺旋桨，6刚性连接件，7柔性连接件，8设备舱，9第五螺旋桨，10第六螺旋桨，11第七螺旋桨，3-1第一艇体推进电机，3-2第一艇体倾转电机，4-1第二艇体推进电机，4-2第二艇体倾转电机，5-1第三艇体推进电机，5-2第三艇体倾转电机，9-1第五艇体推进电机，9-2第五艇体倾转电机，10-1第六艇体推进电机，10-2第六艇体倾转电机，11-1第七艇体推进电机和11-2第七艇体倾转电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先，针对本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器涉及的超压技术和飞行原理予以详细说明。

1)超压技术

根据理想状体气体方程

$\mathrm{PV}=\mathrm{nRT}=\frac{m}{M}\mathrm{RT}---\left(1.1\right)$

假定飞艇在滞空高度上总体积V保持不变，压力增加，则

$\mathrm{\ΔP}\·V=\frac{\mathrm{\Δm}}{M}\mathrm{RT}---\left(1.2\right)$

其中，M是氦气的摩尔质量，Δm是氦气重量的改变量；

因为Δm＝ΔV·ρ_He(0)

代入上式1.2可得：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{MV}}\mathrm{\ΔV}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}\left(0\right)}---\left(1.3\right)$

这里令 $R_{\mathrm{He}}=\frac{R}{M}$

则1.3式中的

可简化为：

$\frac{\mathrm{RT}}{M}=R_{\mathrm{He}}\·T---\left(1.4\right)$

又根据1.1式 $\mathrm{PV}=\frac{m}{M}\mathrm{RT}$

可得： $P=\frac{m}{V}\·\frac{R}{M}\·T=\mathrm{\ρ}\frac{R}{M}T$

这里M按空气的摩尔质量计算，则可得：其中P_aρ_a对应同一高度；

故1.3式中的

可再次化简为：

$\frac{\mathrm{RT}}{M}=R_{\mathrm{He}}\·T=R_{\mathrm{He}}\·\frac{P_a}{R_a{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{P_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}\·\frac{R_{\mathrm{He}}}{R_a}$ (1.5)

$=\frac{P_a}{{\mathrm{\ρ}}_z}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{a0}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}0}}$

将上式1.5代入1.3式后，可得：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{MV}}\mathrm{\ΔV}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}0}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\·\frac{\mathrm{RT}}{M}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}0}$ (1.6)

$=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(0\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(h\right)}}{P}_a$

令 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}\left(h\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}\left(0\right)}}$

则，代入1.6式可得：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}\·\frac{P_a}{\mathrm{\δ}}---\left(1.7\right)$

所以，根据上式1.7可得：

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\mathrm{\δ}\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_a}---\left(1.8\right)$

又因为 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}\left(h\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}\left(0\right)}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(h\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(0\right)}}$

所以，式1.8可变为：

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(h\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a\left(0\right)}}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_a}---\left(1.9\right)$

其中，P_a是h高度上的大气压值

上式1.9所反映的就是飞行器升限上所能承受的超压量与副气囊比例的对应关系。借助这一对应关系，可以让飞行器通过承受不同的超压量来对应降低对副气囊的要求。

2)飞行原理

A上升

由于飞行器是关于垂直轴对称的旋转体，因此可借鉴高空气球的发放方式。当发放系统解除对艇体的约束后，飞行器在静浮力作用下升空。通过控制浮力的大小可以使飞行器以一定的速度穿越对流层顶的大风激流区。

由于艇体构型特点导致浮心在重心上方，飞行器稳定性类似单摆系统的稳定性，鲁棒性较强，在风扰动条件下，飞行器姿态仍能稳定，不需主动控制。

B平飞

到达升限后，艇体浮力与自重相平衡，飞行器围绕升限经周期浮沉波动后逐渐稳定在升限附近，飞行器进入巡航或其他受控飞行状态，通过安装在艇体上的四套矢量推进控制装置的互相配合可控制飞行器作任意方向的移动，并保持航向稳定，俯仰姿态稳定性通过靠系统质心恢复力矩自稳。

控制方案以前进控制为例，如图1所示，简要说明如下：

第一推进器A1，第二推进器A2产生向前的推力，负责推进；

第三推进器B1，第四推进器B2产生偏航控制力偶对航向扰动进行补偿，负责航向稳定。

其他任意方向的移动控制与此类似。另外，安装在下部设备舱上的四套推进器可以在上述四套推进器工作的基础上予以辅助。

C降落

飞行器降落时，排出少量氦气，使飞行器在净重作用下降落，降落速度通过排气量控制。

与上升过程艇体保持稳定性的原理相同，飞行器以稳定姿态下降，该过程同样不需姿态控制。

D锚泊

当飞行器下降接近锚泊地点时，视着陆点与锚泊点之间的距离，启动推进系统，使飞行器接近锚泊点，接近地面时，通过地面设施牵引飞行器进入锚泊状态。

基于上述超压技术和飞行原理，图2示出了本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器的结构示意图，该超压碟形浮升一体飞行器包括：艇体2；设置于艇体表面的太阳能电池1；设置于艇体侧面的艇上推进单元；设置于艇体下方与艇体连接的设备舱8；以及设置于设备舱侧面的设备舱推进单元。

其中，艇体2采用组合式构型，上半部分为椭球形，下半部分为碟形，上半部分与下半部分之间采用一体成型工艺或无风焊接工艺进行连接。在构型方面，本发明提供的超压碟形飞行器的艇体采用组合式构型，与传统流线形艇体相比，这种外形具有特有优点，比如结构简单、稳定，比浮力大，艇体表面应力分布均匀等，更重要的是它具有可预期的可实现性。

艇体2内部设置有副气囊，副气囊体积小于传统飞艇副气囊体积，减小部分通过超压技术予以弥补。该飞行器的超压则是通过在所述艇体内部设置多个柔性隔层，同时辅助一系列承力线缆来实现，即一方面通过焊接在艇体内部的若干柔性隔层(该柔性隔层是一种软式膜片，其材料与艇体材料类似)，另一方面通过粘合在艇体外表面的若干张线(该张线是一种拉绳，材料采用凯夫拉纤维)，通过这两种形式将艇体的内压分散到柔性隔层和张线上，这样艇体本身就可以承受超压。

所述艇体2通过内充的氦气为该飞行器提供浮力，保持该飞行器滞空。

能源方面，如图3所示，飞行器为保证长时间滞空，采用太阳能电池和燃料电池的组合模式。太阳能电池可以采用柔性薄膜太阳能电池，其设置于艇体的顶部表面，例如将柔性薄膜太阳能电池铺设于艇体的顶部表面，且该太阳能电池通过粘合方式与艇体连接。太阳能电池用以将太阳能转化为电能，作为能源供给单元为该飞行器进行供电，将白天产生的电能分为两部分，一部分维持该飞行器白天使用，另一部分存储进安装于设备舱内的燃料电池，供该飞行器夜间使用。

图3详细描述了超压碟形浮升一体飞行器的能源供给方式，即能源主要由两部分组成，分别是太阳能电池和氢氧燃料电池。太阳能电池在白天时吸收太阳光并将其转化为电能，一部分通过能源输出单元和转换单元直接供给给推进、设备和载荷使用；另一部分则存入氢氧燃料电池中，氢氧燃料电池在夜间没有太阳光照时通过点解水等化学作用将化学能转换为电能提供给推进、设备和载荷使用。这样太阳能电池和氢氧燃料电池就可以形成一个循环，昼夜不停的飞行器供电，保证期能量供给。

设备舱8内安装有各种仪器设备，至少包括燃料电池、飞控仪器和测控仪器，用于完成对该飞行器的各种操作和控制。设备舱8通过艇体设备舱连接件与艇体2连接，该艇体设备舱连接件用于保证该飞行器整体的稳定性，包括一刚性连接件6和多个柔性连接件7，该刚性连接件6设置于设备舱与艇体之间的中心轴线上，该多个柔性连接件7设置于该刚性连接件四周。刚性连接件6采用钛合金材料制作，柔性连接件7采用凯夫拉纤维制作。

控制方面，该飞行器不再采用传统的推进+舵面的控制方式，而是选择使用全部依靠推进，采用特殊的控制方式和策略来完成飞行器上升、平飞、降落和锚泊各个阶段的控制。传统飞行器一般通过推进器来提供前进动力，通过水平尾翼来控制俯仰、通过垂直尾翼来控制偏航，而超压碟形浮升一体飞行器不再需要水平尾翼和垂直尾翼来控制俯仰和偏航，而是依靠推进器(即与每个螺旋桨对应配置的倾转电机和推进电机)的倾转来取代，比如传统飞行器水平尾翼向左偏，飞行器随之向左转，而对于超压碟形浮升一体飞行器来说，这里的动作则是在同一直线上的两个推进器分别向两侧倾转，产生向左的合力，使得浮升一体飞行器向左转，也就是说推进器的倾转完全替代了尾翼的作用。

具体来说，该飞行器在控制方面采用艇上推进单元和设备舱推进单元。其中，艇上推进单元用于控制飞行器的偏航及辅助前进，包括对称地设置于艇体四周的第一螺旋桨3、第二螺旋桨4、第三螺旋桨5和第四螺旋桨(图2中未示)，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。艇上推进单元与艇体之间通过绑扎和刚性的方式连接。设备舱推进单元用于控制飞行器的俯仰及辅助前进，包括对称地设置于设备舱四周的第五螺旋桨9、第六螺旋桨10、第七螺旋桨11和第八螺旋桨(图2中未示)，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。设备舱推进单元与设备舱之间通过绑扎和刚性的方式连接。

在图2所示的超压碟形浮升一体飞行器的结构示意图中，仅示出了第一螺旋桨3、第二螺旋桨4和第三螺旋桨5，第四螺旋桨位于艇体与第二螺旋桨4相对的一侧，并未在图2中显示出来。同时，在图2所示的超压碟形浮升一体飞行器的结构示意图中，仅示出了第五螺旋桨9、第六螺旋桨10和第七螺旋桨11，第八螺旋桨位于设备舱与第六螺旋桨10相对的一侧，在图2中也未显示出来。

另外，在图2中还示出了与第一螺旋桨3、第二螺旋桨4、第三螺旋桨5、第五螺旋桨9、第六螺旋桨10和第七螺旋桨11对应配置的艇体推进电机和艇体倾转电机，即：与第一螺旋桨3对应配置的第一艇体推进电机3-1和第一艇体倾转电机3-2，与第二螺旋桨4对应配置的第二艇体推进电机4-1和第二艇体倾转电机4-2，与第三螺旋桨5对应配置的第三艇体推进电机5-1和第三艇体倾转电机5-2，与第五螺旋桨9对应配置的第五艇体推进电机9-1和第五艇体倾转电机9-2，与第六螺旋桨10对应配置的第六艇体推进电机10-1和第六艇体倾转电机10-2，以及与第七螺旋桨11对应配置的第七艇体推进电机11-1和第七艇体倾转电机11-2。与第四螺旋桨对应配置的第四艇体推进电机和第四艇体倾转电机位于艇体与第二螺旋桨4相对的一侧，并未在图2中显示出来，与第八螺旋桨对应配置的第八艇体推进电机和第八艇体倾转电机位于设备舱与第六螺旋桨10相对的一侧，在图2中也未显示出来。

艇上推进单元与设备舱推进单元是控制该飞行器的执行机构，通过其产生的推进力保证飞行器升降、前进、转弯和锚泊。艇体上有四套推进器，主要用于飞行器的操控，仅靠这四套完全可以实现飞行器的控制。设备舱上也有四套飞行器，但功能是用于辅助飞行器的操控，作用是在艇体动力不足时提供额外动力。

本发明提供的超压碟形浮升一体飞行器作为轻于空气的飞行器，主要是针对临近空间飞行要求开展的相关设计，其浮升工作原理主要依靠氦气完成升空，不同于传统设计之处在于其辅助以自身升力，即通过碟状构形本身产生的升力，配合浮力完成升空。

另外，在副气囊的功能上，传统的浮空飞行器完全通过对副气囊的充放气操作来完成高度的控制与保持，而本发明的超压碟形浮升一体飞行器的副气囊则有所区别，其在高度控制与保持的功能上有所减弱，减弱部分通过超压技术予以弥补，这样可以减小副气囊比例，对应的增加主气囊比例，从而增加系统的有效升力。

除此之外，在控制方面，其通过安装在艇体和设备舱上的推进器来完成姿态控制，也就是说，整个系统改变了基本控制模式，通过推进器的配置和控制替代舵面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，包括：

艇体；

设置于艇体表面的太阳能电池；

设置于艇体侧面的艇上推进单元；

设置于艇体下方与艇体连接的设备舱；以及

设置于设备舱侧面的设备舱推进单元。

2.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇体采用组合式构型，上半部分为椭球形，下半部分为碟形，上半部分与下半部分之间采用一体成型工艺或无风焊接工艺进行连接。

3.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇体内部设置有副气囊，副气囊体积小于传统飞艇副气囊体积，减小部分通过超压技术予以弥补。

4.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，通过在所述艇体内部设置多个柔性隔层，同时辅助一系列承力线缆来实现该飞行器的超压。

5.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇体通过内充的氦气为该飞行器提供浮力，保持该飞行器滞空。

6.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述太阳能电池设置于艇体的顶部表面，且通过粘合方式与艇体连接。

7.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述太阳能电池作为能源供给单元为该飞行器进行供电，将白天产生的电能分为两部分，一部分维持该飞行器白天使用，另一部分存储进安装于设备舱内的燃料电池，供该飞行器夜间使用。

8.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇上推进单元用于控制飞行器的偏航及辅助前进，包括对称地设置于艇体四周的第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和第四螺旋桨，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。

9.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇上推进单元与艇体之间通过绑扎和刚性的方式连接。

10.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述设备舱内安装有各种仪器设备，至少包括燃料电池、飞控仪器和测控仪器，用于完成对该飞行器的各种操作和控制。

11.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述设备舱通过艇体设备舱连接件与艇体连接，该艇体设备舱连接件用于保证该飞行器整体的稳定性，包括一刚性连接件和多个柔性连接件，该刚性连接件设置于设备舱与艇体之间的中心轴线上，该多个柔性连接件设置于该刚性连接件四周。

12.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述设备舱推进单元用于控制飞行器的俯仰及辅助前进，包括对称地设置于设备舱四周的第五螺旋桨、第六螺旋桨、第七螺旋桨和第八螺旋桨，以及四个艇体推进电机和四个艇体倾转电机，其中，每个螺旋桨对应配置有一个艇体推进电机和一个艇体倾转电机。

13.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述设备舱推进单元与设备舱之间通过绑扎和刚性的方式连接。

14.根据权利要求1所述的超压碟形浮升一体飞行器，其特征在于，所述艇上推进单元与所述设备舱推进单元是控制该飞行器的执行机构，通过其产生的推进力保证飞行器升降、前进、转弯和锚泊。

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