[發(fā)明專利]一種氣浮式無動力長航時飛行器及其控制方法

有效

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• 申請日: 2019-05-20
• 公開（公告）號: CN110182352B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙文杰;周棚;陳征
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: B64B1/38
• 分類號: B64B1/38;B64B1/62;H02J7/35;G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于，所述飛行器包括：氦氣囊體、空氣囊體、氣壓調(diào)節(jié)模塊、用于導航與控制算法解算的導航控制計算機；用于對飛行器的運動狀態(tài)進行控制的操縱舵面、用于飛行器與地面站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路和用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并進行存儲和對外供電的太陽能電池；

所述的氦氣囊體內(nèi)部置有空氣囊體，空氣囊體與氦氣囊體之間相互隔離，空氣囊體位于所述氦氣囊體內(nèi)部的前端；空氣囊體的前部設(shè)有一個充放氣管路，充放氣管路穿過氦氣囊體通向外部并接入氣壓調(diào)節(jié)模塊的壓縮泵，充放氣管路與氦氣囊體之間做密封處理；

所述氣壓調(diào)節(jié)模塊由前置通氣管路、后置通氣管路、壓縮泵、前置電磁閥、后置電磁閥組成；壓縮泵一端與充放氣管路相連，另一端連接一個三通，三通另外兩端分別連接至前置通氣管路與后置通氣管路；前置通氣管路上設(shè)置一個前置電磁閥，后置通氣管路上設(shè)置一個后置電磁閥；前置通氣管路和后置通氣管路經(jīng)由氦氣囊體底部，延伸并分別與前置通氣口和后置通氣口連接，前置通氣口和后置通氣口與飛行器的中心軸平行并分別指向正前方與正后方；

所述的壓縮泵由導航控制計算機進行控制，并可改變氣體流動方向；前置電磁閥和后置電磁閥由導航控制計算機控制其開關(guān)狀態(tài)；通過前置電磁閥、后置電磁閥與壓縮泵運轉(zhuǎn)方向的協(xié)調(diào)操作，可以對空氣囊體的壓力和體積進行調(diào)節(jié)，進而改變飛行器的重量；

所述操縱舵面包括左右兩個升降舵面和上下兩個方向舵面；升降舵面由升降舵驅(qū)動進行偏轉(zhuǎn)；方向舵面由方向舵驅(qū)動進行偏轉(zhuǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述的氦氣囊體形狀設(shè)計為左右對稱的流線型或紡錘型，氦氣囊體下部設(shè)有一個充氣孔；氦氣囊體重心位置水平方向左右各設(shè)置一個水平翼面；氦氣囊體的尾部設(shè)置兩個水平安定面和兩個垂直安定面，左右兩個升降舵面分別設(shè)置在兩個水平安定面的端部；上下兩個方向舵面分別設(shè)置在兩個垂直安定面的端部。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述的前置通氣口末端和后置通氣口末端均設(shè)置有一定長度的平直段。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述導航控制計算機通過數(shù)據(jù)鏈路將飛行器的位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速率和機載設(shè)備工作狀態(tài)信息傳輸至地面站，同時根據(jù)飛行任務(wù)或地面站的操控指令進行動作規(guī)劃，實現(xiàn)位姿控制。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述操縱舵面的升降舵和方向舵由導航控制計算機控制；舵機輸出軸通過剛性傳動螺桿連接至舵面轉(zhuǎn)動軸；舵面轉(zhuǎn)動軸帶動舵面發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在飛行器向前移動的過程中，升降舵與方向舵分別產(chǎn)生俯仰力矩與偏航力矩。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述數(shù)據(jù)鏈路分為機載數(shù)據(jù)終端和地面數(shù)據(jù)終端兩部分，兩者之間通過無線電進行信息傳輸；地面數(shù)據(jù)終端將地面站發(fā)出的控制指令打包后調(diào)制為無線電信號發(fā)出，機載數(shù)據(jù)終端收到無線電信號后，解調(diào)為有效數(shù)據(jù)并傳輸給導航控制計算機；同時，機載數(shù)據(jù)終端將導航控制計算機發(fā)出的下行數(shù)據(jù)打包后調(diào)制為無線電信號發(fā)出，地面數(shù)據(jù)終端收到無線電信號后，解調(diào)為有效數(shù)據(jù)并傳輸給地面站。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器，其特征在于所述太陽能電池主要由太陽能板、儲能電池及控制模塊組成；太陽能板通過光電效應(yīng)或光化學效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電能；太陽能板采用以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽能板或以光化學效應(yīng)工作的薄膜電池板；儲能電池將太陽能板轉(zhuǎn)換的電能儲存起來，供機載設(shè)備使用；控制模塊對充放電過程及電池狀態(tài)進行監(jiān)控，并與導航控制計算機通信。

8.一種權(quán)利要求1所述的氣浮式無動力長航時飛行器的控制方法，其特征在于包括對飛行器進行爬升、下滑、垂直上升或垂直下降中的一種或多種動作的組合進行控制；其中：

爬升動作控制方法為：

打開后置電磁閥，關(guān)閉前置電磁閥，將壓縮泵的運轉(zhuǎn)方向設(shè)置為向外排氣，空氣囊體內(nèi)的空氣被抽出并從飛行器尾部的后置通氣口排出，致使飛行器重量減小，且重心向后移動；飛行器抬頭，俯仰角逐漸增大；當重力小于氦氣囊體產(chǎn)生的浮力時，飛行器開始向上加速；在飛行器向上運動的過程中，會產(chǎn)生垂直于翼面的氣動力，由于水平翼面的法向與空氣來流方向存在夾角，故而該氣動力存在一個向前的分量，推動飛行器向前運動；此外，后置通氣口的噴流可以產(chǎn)生反推力，輔助推動飛行器向前運動；向前運動的過程中，通過升降舵面對飛行器的俯仰角與飛行高度進行控制；

下滑動作控制方法為：

打開前置電磁閥，關(guān)閉后置電磁閥，將壓縮泵的運轉(zhuǎn)方向設(shè)置為向內(nèi)充氣，空氣從飛行器頭部的前置通氣口流入空氣囊體，致使飛行器重量增加，且重心向前移動；飛行器低頭，俯仰角逐漸降低；當重力大于氦氣囊體產(chǎn)生的浮力時，飛行器開始向下加速；在飛行器向下運動的過程中，會產(chǎn)生垂直于翼面的氣動力，由于水平翼面的法向與空氣來流方向存在夾角，故而該氣動力存在一個向前的分量，推動飛行器向前運動；此外，前后通氣管路在吸入空氣時可以產(chǎn)生一定的反推力，輔助推動飛行器向前運動；向前運動的過程中，通過升降舵面對飛行器的俯仰角與飛行高度進行控制；

垂直上升動作控制方法為：

同時打開前置電磁閥與后置電磁閥，將壓縮泵的運轉(zhuǎn)方向設(shè)置為向外排氣，飛行器重力減小，同時飛行器重心向后移動，當重力小于氦氣囊體產(chǎn)生的浮力時，飛行器開始向上/加速；為了防止重心移動帶來的俯仰角變化，通過導航控制計算機操縱升降舵面，以保持俯仰角穩(wěn)定，并使飛行器主翼面垂直于空氣來流方向，以減小氣動力的水平分量；

垂直下降動作控制方法為：

同時打開前置電磁閥與后置電磁閥，將壓縮泵的運轉(zhuǎn)方向設(shè)置為向內(nèi)充氣，飛行器重力增加，同時飛行器重心向前移動，當重力大于氦氣囊體產(chǎn)生的浮力時，飛行器開始向下加速；為了防止重心移動帶來的俯仰角變化，通過導航控制計算機操縱升降舵面，以保持俯仰角穩(wěn)定，并使飛行器主翼面垂直于空氣來流方向，以減小氣動力的水平分量。