[發明專利]一種臨近空間無人機動力系統設計方法

有效

• 申請號: 202010182751.5
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN113135299B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 沈觀清;春燕
• 申請（專利權）人: 沈觀清
• 主分類號: B64F5/00
• 分類號: B64F5/00;B64D27/02;B60L8/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種臨近空間無人機動力系統設計方法，包括組合動力系統設計方法、全電動力系統設計方法：在無人機起飛時攜帶燃油或電池的載荷量均為指定低限度載荷量，當無人機留空時間增長或者隨飛行高度變化時，隨著所攜帶燃料的不斷消耗或者拋掉電能耗盡的電池，飛機飛行重量不斷減少，當最后把和繼續飛行無關的部分動力裝置也拋掉后，飛機總重量減少到原起飛重量的40?50%、保持無人機正常飛行所需用的能量也減少了至少40?50%；減重以后的無人機僅靠太陽能發電和指定最低限度電池載量，可以維持每天無人機留空時間達24小時以上；可以連續在臨近空間20000?24000米高度飛行3個月。本發明采用“飛行器減重法”和“組合動力系統”解決了上述世界上臨近空間無人機所面臨的困境。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域，尤其涉及一種臨近空間無人機動力系統設計方法。

背景技術

帶有指定載荷量、要求可以在2萬米到2萬4千米空域內保持等高度平飛，留空時間至少有2天以上的臨近空間無人機才有實用意義。這樣的要求看似不高，但目前實際上這對于臨近空間無人機的設計、選材和制造是一個難以實現的目標。

第一個非常重要的難點是太陽能無人機如何從地面飛到2萬米以上。當然，無人機帶有一定數量充足電的電池可以使無人機爬升到2萬米以上。但按目前的工業技術所能設計的無人機能夠爬升到2萬米以上的無人機攜帶的電池重量幾乎占到無人機總重量的40-60％。例如一架起飛重量為750公斤左右太陽能無人機攜帶接近450公斤電池。750公斤重量去掉儲能電池重量，太陽能發電薄膜重量約100公斤，攜帶設備30-50公斤,飛控和動力裝置的重量約15公斤，留給飛機空機重量僅150公斤左右。為了可以采集足夠可利用的太陽能，太陽能無人機升力面的面積高達140-200平方米，翼展60-70米。在飛行過程中突風可能達100-200公里/小時，這樣輕量級結構的太陽能無人機基本沒有存活率。近20年來輕量級結構太陽能無人機發生空中解體墜毀的情況一現再現。曾經號稱飛達23,000米高度的“太陽神”太陽能無人機在第二次試飛即空中解體，高度僅2,000米。2019年“空客”的二架“西風-S”級的太陽能無人機在中空解體(這是“空客”同日本通訊的合作項目)。

第二個非常重要的難點是太陽能無人機如何在臨近空間實現長航時滯空。要保持無人機在臨近空間平飛，唯一能夠采用的能源是太陽能，但是由于晝夜交替的原因，完全靠太陽能發電不足以維持按目前原始概念設計的無人機全天24小時的等高度飛行。

即使這種輕量級結構太陽能無人機，飛機的翼載荷至少有4-6公斤/平方米，在20,000米以上空氣十分稀薄，僅為地面空氣密度的1/30-1/35。因此在那高度飛行的飛機氣動效率十分低，保持平飛所需的功率密度至少要10公斤/馬力，800公斤飛機需要動力為120馬力(98,000瓦)左右。然在稀薄大氣下，推進動力效率低下，僅為地面的一半左右，所需要太陽能180,000—200,000瓦，而這是幾乎不可能的，因為目前太陽能電池能力約250-270瓦/平方米。十分顯然要解決一個程序性飛行問題：

---在飛到20,000米—24,000米高度前，設計一架具備足夠強度和剛度氣動力優良的無人機，有能力從地面飛到高空，顯然是一架很重的飛機。

---飛到20000米—24000米高空后，利用可采集到最大的太陽能，使飛機有能力保持平飛：十分顯然要求起飛時飛機有能力飛到臨近空間，是一架重飛機，到高空后變成一架輕飛機，這是唯一的出路。

為了使無人機具備長航時性能，設計師采用了多種布局。機翼作為主要飛行升力體，為了提高升阻比，所有已開發的臨近空間無人機都是大展弦比機翼，20以上。整機升阻比高于19，臨近空間無人機機翼展弦比達24。

綜上所述可知，臨近空間無人機到達20,000米—24,000米的高空是首先必須要達到的目標。世界上許多十分“聰敏”的設想，例如用氣球把無人機吊上高空投放，然而高空氣球本身還存在升高空的嚴重挑戰，而被吊的無人機在遇到強風時，連氣球和無人機將同時被摧毀。