[發明專利]一種氣浮式無動力長航時飛行器及其控制方法

有效

• 申請號: 201910419114.2
• 申請日: 2019-05-20
• 公開（公告）號: CN110182352B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 趙文杰;周棚;陳征
• 申請（專利權）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: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明為一種氣浮式無動力長航時飛行器及其控制方法，所述飛行器由氦氣囊體、空氣囊體、氣壓調節模塊、導航控制計算機、操縱舵面、數據鏈路、太陽能電池等部分構成。氦氣囊體為飛行器提供主要浮力，空氣囊體用于調節飛行器重量，從而產生上升與下降運動；氣壓調節模塊用于調節空氣囊體的壓力，從而改變其重量；導航控制計算機用于導航與控制算法的運算，并操縱舵面對飛行器的運動狀態進行控制；數據鏈路用于飛行器與地面站之間的數據傳輸；太陽能電池將太陽能轉化為電能并存儲在電池內，供氣壓調節模塊、導航與控制模塊使用。本發明設計的氣浮式無動力長航時飛行器可以通過空氣來調整飛行器重量，產生并控制其飛行動作，大幅提高續航能力。

技術領域

本發明涉及無人飛行器領域，尤其涉及一種利用空氣浮力產生運動，利用太陽能實現長久續航的領域，屬于無人飛行器、新能源等技術領域。

背景技術

無人飛行器的續航時間與有效載荷是其任務能力的重要基礎，因此高能量密度儲能、低能耗電子器件、高效率氣動外形設計等技術已成為無人飛行器領域的幾個重要關注點，研究人員紛紛致力于長航時無人飛行器的研究，試圖綜合利用各方面技術手段，開源節流，提高飛行器滯空能力。近年來，氫燃料、太陽能等新型能源已廣泛應用于各行業，太陽能長航時固定翼無人機可以充分發揮低阻力、高效率氣動外形與太陽能充電電池的優勢，在滯空能力方面較為突出，頗受重視。然而，這種依靠電機或發動機推動飛行器產生空速進而形成氣動力的留空方式依然具有較高的能耗。氣球可以產生長時間穩定的浮力而不需要額外做功，飛艇正是利用了浮力原理，將氣球與固定翼飛行器相結合，在高空長航時作業方面優勢明顯，而目前可有效控制飛行狀態的飛艇都攜帶有動力裝置，同樣需要額外做功，因此續航時間依然有限。目前迫切需要研制一種無動力、可長時間穩定駐空的飛行器，為通信、測繪、監控等軍民各領域提供技術支撐。

發明內容

本發明提出了一種氣浮式無動力長航時飛行器及其控制方法，該飛行器可以通過調節空氣壓力產生運動，實現無動力長時間穩定駐空，為通信、測繪、監控等提供新的平臺與方案。

本發明采用的技術方案為：

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：用于為飛行器提供主要浮力的氦氣囊體；用于調節飛行器重量，從而產生上升與下降運動的空氣囊體；用于調節空氣壓力，從而改變飛行器重量的氣壓調節模塊；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進行控制的操縱舵面；用于飛行器與地面站之間數據傳輸的數據鏈路；用于將太陽能轉化為電能并進行存儲和對外供電的太陽能電池。

作為優選，所述氦氣囊體可采用彈性系數較大的復合材料，為了減小阻力，形狀設計為左右對稱的流線型或紡錘型。囊體的體積需要根據飛行器的起飛重量和作業高度進行迭代計算。氦氣囊體下部設有一個充氣孔，可通過充氣孔向囊體注入氦氣。氦氣囊體內部置有一個空氣囊體，空氣囊體與氦氣囊體之間相互隔離，氣體不互通。氦氣囊體重心位置水平方向左右各設置一個水平翼面，為飛行器提供升力。氦氣囊體的尾部設置兩個水平安定面和兩個垂直安定面，兩個水平安定面的端部分別設置左右兩個升降舵面；兩個垂直安定面的端部分別設置上下兩個方向舵面；升降舵面與方向舵面分別由對應的舵機驅動進行偏轉，用于控制飛行器的運動方向。

作為優選，所述空氣囊體可采用彈性系數較小的材料，可設計為多種對稱體，空氣囊體位于所述氦氣囊體內部的前端，空氣囊體的前部設有一個充放氣管路，充放氣管路穿過氦氣囊體通向外部并接入壓縮泵，充放氣管路與氦氣囊體之間做密封處理，以保證氦氣囊體的密封性。