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一种模块化组合式 太阳能无人机设计方案

阅读：1544发布：2020-05-26

专利汇可以提供一种模块化组合式太阳能无人机设计方案专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，该方案设计多个模块，每个模块配备有电机、螺旋桨、起落架和空中对接结构，每个模块可独立起飞和降落，每个模块升空后飞行至低风速空域，利用GPS或北斗导航与定位系统确定每个模块的位置，然后每个模块在空中有序合并，空中对接结构保证各个模块稳定对接组合，组合而成的太阳能无人机再实行更高高度的爬升和巡航飞行。基于此方案研制的太阳能飞行器，可有效解决现有机场由于跑道尺寸限制无法起降超大型太阳能飞机的苦难；同时可以利用现有地面机库存放超大型太阳能无人机，灵活布置飞行基地；多模块设计增加了系统冗余，实现高可靠性，实现长时留空飞行。，下面是一种模块化组合式太阳能无人机设计方案专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其特征在于：
采用模块化设计，太阳能无人机由多个模块组成，每个模块均配备有动力装置、起落架、螺旋桨，每个模块均可以单独起飞和降落，并可以独立上升至既定区域；
当各个模块上升至低风速空域后，通过导航定位系统，确定各模块位置，再通过路径规划，实现各个模块在空中的有序合并，组合成一个大型太阳能飞行器，再实现更高高度的爬升和巡航飞行，所述导航定位系统为GPS导航定位系统或北斗导航定位系统；
每个模块均采用大展弦比平直机翼，取消水平尾翼和垂直尾翼，在大展弦比平直机翼上方，安装有倒V型机翼，倒V型机翼与大展弦比平直机翼构成三角形稳定结构；所述倒V型机翼包括倾斜布置的第一机翼和第二机翼，所述第一机翼的第一端与所述大展弦比平直机翼的第一端连接，所述第二机翼的第一端与所述大展弦比平直机翼的第二端连接，所述第一机翼的第二端和所述第二机翼的第二端连接，所述第一机翼的上翼面和所述第二机翼的上翼面均向斜上方倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其特征在于：
每个模块的倒V型机翼后缘安装有可动翼面，此可动翼面充当操纵面，可代替水平尾翼和垂直尾翼操纵俯仰运动和偏航运动。
3.根据权利要求2所述的一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其特征在于：
在各个模块升空过程中，如果某个模块出现故障，可以立即升空备用模块进行替换；如果在各个模块有序合并后，某个模块出现故障，可以在空中实施模块分解，将故障模块抛离，余下模块重新合并成一个大型太阳能飞行器。
4.根据权利要求1所述的一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其特征在于：
其基本的设计方案如下：
1)结合预设的技术参数和任务参数以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对模块化组合式太阳能无人机进行概念设计，确定各个模块的初始尺寸，制定设计方案，并对设计方案进行论证以及仿真验证和实验验证，其中任务参数包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度；
2)根据设计方案制作各个模块，包括机翼、倒V型机翼、模块间的联结机械装置和其它部件；
3)在机翼上侧、倒V型机翼外侧铺设太阳能电池片，并分析其气动特性是否满足要求；
4)安装储能电池，选择高能量密度的电池，根据能量平衡的计算过程，合理选择储能电池的重量；
5)与步骤(4)同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡；
6)进行太阳能飞行器单个模块的总装工作，包括机翼、倒V型机翼、起落架、螺旋桨、储能电池；
7)与步骤(6)同时，对每个模块内部的电路进行连接以及进行软硬件的兼容调试，包括副翼偏转调试、倒V型机翼操纵面偏转调试、电机与螺旋桨联调、用于模块间联结的机械装置调试；
8)最后，对模块化组合式太阳能无人机进行飞行试验验证。

说明书全文

一种模块化组合式 太阳能无人机设计方案

一、技术领域：

[0001] 本发明提供一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，属于新概念航空航天器系统技术领域。二、背景技术：

[0002] 以太阳能作为未来飞行器的辅助能源甚至主要能源，是人类发展具有方向性和前沿性的重要研究目标。太阳能飞机是在上世纪70年代随着太阳能电池成本的降低而出现，由于太阳能飞机飞行不需要自带燃料，为长航时飞行创造了条件。因此，不少发达国家均致力于将太阳能作为能量来源的高空长航时飞行器的研发。

[0003] 目前的太阳能飞行器机主要采用太阳能光伏电池作为主要的供电部件，为获取更多的太阳能能源，一个可行的办法是增加太阳能电池片的铺设面积，但这势必会加大太阳能飞机的外形尺寸。然而，机场的跑道尺寸、太阳能飞机的制造与运输往往限制了太阳能飞机的尺寸。

[0004] 为此，本发明提供一种模块化组合式太阳能无人机设计方案。三、发明内容：

[0005] (1)目的：本发明提供一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，使用该方案设计的太阳能无人机，是由多个模块在空中有序对接组合而成。每个模块在地面独立起飞，升空至低风速空域之后，利用GPS或北斗导航定位系统，确定每一个模块的位置；通过路径规划实现各个模块在空中的有序对接合并，形成超大型组合式太阳能无人机，然后此超大型太阳能无人机可再实现更高高度的爬升和巡航飞行；当完成预定任务或到达预定地点后，此超大型太阳能无人机可降落至低风速空域，进行有序分解，形成多个模块，这多个模块可顺序降落在预定机场。

[0006] (2)技术方案：本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，模块化组合式太阳能无人机由多个相同模块组成，每个模块采用大展弦比平直机翼，每个模块均取消水平尾翼和垂直尾翼，每个模块的大展弦比平直机翼上方安装有倒V型机翼，倒V型机翼后缘为可动操纵面，每个模块均具有电机、起落架、螺旋桨。

[0007] 其中，所述每个模块可实现独立起飞和降落。

[0008] 其中，所述每个模块在起飞与降落过程中的俯仰与偏航运动由倒V型机翼后缘可动操纵面操纵。

[0009] 其中，每个模块起飞后，升空至低风速空域，利用GPS或北斗导航与定位系统，确定各个模块的位置，然后在空中进行有序组合，形成模块化组合式太阳能无人机。

[0010] 其中，所述模块化组合式太阳能无人机的俯仰与偏航运动由各个模块倒V型机翼后缘可动操纵面进行组合控制。

[0011] 本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其基本的设计方案如下：

[0012] 1)结合预设的技术参数和任务参数(包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对模块化组合式太阳能无人机进行概念设计，确定各个模块的初始尺寸，制定设计方案，并对设计方案进行论证以及仿真验证和实验验证；

[0013] 2)根据设计方案制作各个模块，包括机翼、倒V型机翼、模块间的联结机械装置和其它部件；

[0014] 3)在机翼上侧、倒V型机翼外侧铺设太阳能电池片，并分析其气动特性是否满足要求；

[0015] 4)安装储能电池，选择高能量密度的电池，根据能量平衡的计算过程，合理选择储能电池的重量；

[0016] 5)与步骤(4)同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡；

[0017] 6)进行太阳能飞行器单个模块的总装工作，包括机翼、倒V型机翼、起落架、螺旋桨、储能电池等；

[0018] 7)与步骤(6)同时，对每个模块内部的电路进行连接以及进行软硬件的兼容调试，包括副翼偏转调试、倒V型机翼操纵面偏转调试、电机与螺旋桨联调、用于模块间联结的机械装置调试；

[0019] 8)最后，对模块化组合式太阳能无人机进行飞行试验验证。

[0020] (3)优点及功效：本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，具有以下优点。对流层环境复杂多变，在此环境中的大展弦比太阳能无人机或超大型太阳能无人机由于整体刚度较低，结构易受到损坏，采取模块化设计，让太阳能无人机每个模块在对流层升空，平流层组合，由于每个模块尺寸较小，刚度足够，这对解决大展弦比太阳能无人机或超大型太阳能无人机对流层升空困难问题是一个非常可靠的方案；由于太阳能无人机的能量来源于太阳能电池片获取的太阳能，为获取更多的太阳能，一个有效的方法是增加太阳能电池片的铺设面积，但此种方法显然会增加太阳能无人机的整体尺寸，对于超大型太阳能无人机，已无法在现有的机场条件下进行起降，而模块化组合式太阳能无人机方案有效解决这一问题，由于组成太阳能无人机的每个模块尺寸较小，完全可以在现有的机场条件下起降，然后升空至低风速空域再组合成超大型太阳能无人机，解决超大型太阳能无人机在现有机场无法起降的问题；模块化的设计可以更好的做到系统冗余，在恶劣的对流层环境下起飞过程中，如果某个模块起飞升空出现故障，可以起飞备用模块，或太阳能无人机在空中飞行过程中某个模块出现故障，可以及时进行模块分解，避免因部分模块的故障而导致整个超大型太阳能无人机坠毁。四、附图说明：

[0021] 图1为本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案的单个模块外形图；

[0022] 图2为本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案的三模块组合模式外形图；

[0023] 图3为本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案的三模块组合主视图；

[0024] 图4为本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案的三模块组合俯视图。

[0025] 图中标号说明如下：

[0026] 1.大展弦比平直机翼 2.襟副翼 3.倒V机翼

[0027] 4.可动操纵面 5.一号模块 6.二号模块

[0028] 7.三号模块 8.起落架 9.螺旋桨五、具体实施方案：

[0029] 下面结合图1、2、3、4对本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案做进一步说明。

[0030] 本发明提供了一种基于空中模块对接技术的模块化组合式太阳能无人机设计方案，该方案可充分增加太阳光的辐照面积，实现太阳能无人机长时间留空飞行。图1所示为该太阳能无人机单个模块外形，该太阳能飞行器单个模块主要部件是大展弦比平直机翼1、倒V型机翼3，其中，大展弦比平直机翼1后缘为襟副翼2，倒V型机翼3后缘为负责俯仰运动和偏航运动的操纵面4；图2所示为三个模块组合后形成的太阳能无人机外形图，图2中一号模块5、二号模块6和三号模块7在空中对接机构的作用下组合成一个太阳能无人机；图3中各个模块的起落架8有一个离地间隙，防止图4中螺旋桨9在单个模块起飞和着陆过程中触地。

[0031] 三个独立的模块，一号模块5、二号模块6和三号模块7在地面独立起飞，升空至低风速空域之后，利用GPS或北斗导航定位系统，确定每一个模块的位置；通过路径规划实现一号模块5、二号模块6和三号模块7在空中对接机构的作用下进行有序对接合并，形成三模块组合式太阳能无人机，然后此三模块组合式太阳能无人机可再实现更高高度的爬升和巡航飞行；当完成预定任务或到达预定地点后，此超大型太阳能无人机可降落至低风速空域，在空中对接机构的作用下进行有序分解，形成一号模块5、二号模块6和三号模块7，然后一号模块5、二号模块6和三号模块7可顺序降落在预定机场。

[0032] 本发明一种模块化组合式太阳能无人机设计方案，其基本的设计方案如下：

[0033] 1)结合预设的技术参数和任务参数(包括任务载荷、留空时间、最大飞行速度以及最大飞行高度等)以及升重平衡、推阻平衡、能量平衡原则，对模块化组合式太阳能无人机进行概念设计，确定各个模块的初始尺寸，制定设计方案，并对设计方案进行论证以及仿真验证和实验验证；

[0034] 2)根据设计方案制作各个模块，包括机翼、倒V型机翼、模块间的联结机械装置和其它部件；

[0035] 3)在机翼上侧、倒V型机翼外侧铺设太阳能电池片，并分析其气动特性是否满足要求；

[0036] 4)安装储能电池，选择高能量密度的电池，根据能量平衡的计算过程，合理选择储能电池的重量；

[0037] 5)与步骤(4)同时，合理布置锂电池的位置，保证机身的平衡；

[0038] 6)进行太阳能飞行器单个模块的总装工作，包括机翼、倒V型机翼、起落架、螺旋桨、储能电池等；

[0039] 7)与步骤(6)同时，对每个模块内部的电路进行连接以及进行软硬件的兼容调试，包括副翼偏转调试、倒V型机翼操纵面偏转调试、电机与螺旋桨联调、用于模块间联结的机械装置调试；

[0040] 8)最后，对模块化组合式太阳能无人机进行飞行试验验证。

[0041] 应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

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