一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，屬于航空器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。所述氣動(dòng)外形為單機(jī)身、串列翼、無平尾布局，雙垂尾外傾一定角度，機(jī)翼位于機(jī)身上部，前后翼相同設(shè)計(jì)；機(jī)身可產(chǎn)生徑向變形，機(jī)身分為前中后三段，三段機(jī)身的變形分別進(jìn)行。本發(fā)明專利技術(shù)動(dòng)升力的引入使該飛行器飛行高度比飛艇高，飛行速度更大，抗風(fēng)性能和機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)；靜升力的引入使該飛行器載荷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)高空無人機(jī)，結(jié)構(gòu)高度強(qiáng)度更高；在垂直上升及下降過程中，機(jī)身可以產(chǎn)生相應(yīng)變形改變機(jī)身體積保證機(jī)身浮力與飛行器重量平衡，不需要常規(guī)飛艇和升浮一體飛行器中的副氣囊及附帶設(shè)備，可降低飛行器重量，減小飛行器地面停放體積。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于航空器設(shè)計(jì)
，涉及一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，具體是指一種綜合利用動(dòng)升力和靜升力且機(jī)身可自適應(yīng)變形的飛行器氣動(dòng)外形。
技術(shù)介紹
臨近空間飛行平臺(tái)具有廣泛的應(yīng)用前景，針對(duì)這種高空長航時(shí)飛行器平臺(tái)，高空飛艇、太陽能飛機(jī)及升浮一體飛行器是目前研究較多的方向。但這幾種飛行器也有其明顯的缺點(diǎn)：高空飛艇的體積過于龐大，飛行速度低，機(jī)動(dòng)性差，抗風(fēng)性能差，運(yùn)輸、儲(chǔ)存和維護(hù)成本很高。太陽能飛機(jī)由于受到太陽能動(dòng)力的限制，飛機(jī)的重量必須很輕，大大限制了其攜帶載荷的能力，而且機(jī)體結(jié)構(gòu)由于追求重量輕而不得不犧牲強(qiáng)度剛度，為追求高氣動(dòng)效率機(jī)翼多采用大展弦比構(gòu)型，造成機(jī)翼柔性較大，飛行時(shí)機(jī)翼變形嚴(yán)重，容易出現(xiàn)飛行安全問題。目前升浮一體飛行器靜升力部件多為半剛性飛艇結(jié)構(gòu)，其外形不可變，內(nèi)部必須有巨大的副氣囊以存儲(chǔ)空氣來調(diào)節(jié)飛行器重量，地面停放體積巨大，且必須有進(jìn)排氣泵等設(shè)備來調(diào)節(jié)副氣囊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附加重量大。為克服以上幾種飛行器各自的缺點(diǎn)，有必要設(shè)計(jì)一種載荷能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)剛度大，氣動(dòng)效率高的臨近空間飛行器氣動(dòng)外形，以滿足高空長航時(shí)無人機(jī)設(shè)計(jì)的需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術(shù)中臨近空間飛行器存在的不足，本專利技術(shù)提出一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形。本專利技術(shù)主要特點(diǎn)為飛行器升力由靜升力和動(dòng)升力兩部分構(gòu)成，靜升力即浮力由機(jī)身產(chǎn)生，動(dòng)升力由機(jī)翼產(chǎn)生，機(jī)身可隨飛行高度自適應(yīng)變形，氣動(dòng)外形為單機(jī)身、串列翼、無平尾布局，雙垂尾外傾一定角度，機(jī)翼位于機(jī)身上部，前后翼相同設(shè)計(jì)，單個(gè)機(jī)翼為大展弦比平直機(jī)翼，機(jī)身截面為兩個(gè)半橢圓的組合。機(jī)身可產(chǎn)生徑向變形，機(jī)身分為前中后三段，三段機(jī)身的變形分別進(jìn)行，其中中段機(jī)身的變形是主要變形。本專利技術(shù)提供的可變形升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，包括機(jī)身、前翼、后翼和尾翼，所述的機(jī)身為可變形機(jī)身，機(jī)身內(nèi)部具有可變形剛性骨架，機(jī)身外部鋪設(shè)薄膜材料蒙皮。所述的可變形剛性骨架包括前后機(jī)翼翼梁、機(jī)身變形桁架、機(jī)身維形框和機(jī)身縱梁，其中機(jī)身縱梁有兩根，與前翼翼梁連接在A、B兩點(diǎn)，與后翼翼梁連接在C、D兩點(diǎn)；所述機(jī)身縱梁的兩端到達(dá)機(jī)身頭部和尾部位置，作為機(jī)身縱向骨架支撐；所述的機(jī)身變形桁架有兩個(gè)，分別與前翼梁在A、B兩點(diǎn)連接，與后翼翼梁在C、D兩點(diǎn)連接；所述的機(jī)身維形框的兩端通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與所述的兩個(gè)機(jī)身縱梁連接，在機(jī)身前中后三段，每一段機(jī)身都至少有一個(gè)機(jī)身維形框，機(jī)身維形框具有與機(jī)身變形桁架相同的變形結(jié)構(gòu)，機(jī)身維形框所在平面和機(jī)身變形桁架所在平面均垂直與機(jī)身縱梁，在機(jī)身最大展開狀態(tài)，蒙皮結(jié)構(gòu)外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致。所述的機(jī)身變形桁架和機(jī)身維形框均包括五個(gè)桁架和六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，以機(jī)身變形桁架連接在前翼翼梁上A、B兩點(diǎn)為例，所述的機(jī)身變形桁架包括第一桁架～第五桁架，所述的第一桁架～第五桁架結(jié)構(gòu)均為圓弧形外形，最大展開狀態(tài)時(shí)，機(jī)身變形桁架上蒙皮外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致，機(jī)身表面曲率連續(xù)，過渡連接處光滑；桁架和桁架的一端分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在A、B兩點(diǎn)，第一桁架和第五桁架之間順次通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接第二桁架、第三桁架和第四桁架；機(jī)身外蒙皮連接在第一桁架～第五桁架上，隨第一桁架～第五桁架一同變形。本專利技術(shù)具有以下有益效果：(1)動(dòng)升力的引入使該飛行器飛行高度比飛艇高，飛行速度更大，抗風(fēng)性能和機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。(2)靜升力的引入使該飛行器載荷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)高空無人機(jī)，結(jié)構(gòu)高度強(qiáng)度更高。(3)由于機(jī)身可以產(chǎn)生部分靜升力，在低空可利用機(jī)身靜升力實(shí)現(xiàn)垂直起降，降低飛行器對(duì)機(jī)場的要求，在高空的某一高度范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)懸停，可完成各種定點(diǎn)作業(yè)任務(wù)。(4)在垂直上升及下降過程中，機(jī)身可以產(chǎn)生相應(yīng)變形改變機(jī)身體積保證機(jī)身浮力與飛行器重量平衡，不需要常規(guī)飛艇和升浮一體飛行器中的副氣囊及附帶設(shè)備，可降低飛行器重量，減小飛行器地面停放體積。附圖說明圖1A～1D為可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形示意圖。圖2為低空變形上升過程中機(jī)身徑向變形示意圖。圖3為全機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為機(jī)身變形結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-機(jī)身；2-前翼；3-后翼；4-尾翼；5-發(fā)動(dòng)機(jī)；6-太陽能電池；7-截面形狀A(yù)；8-截面形狀B；9-截面形狀C；10-機(jī)翼翼梁；11-機(jī)身變形桁架；12-轉(zhuǎn)動(dòng)副；13-機(jī)身縱梁；14-機(jī)身維形框。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本專利技術(shù)提出的可變形升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，如圖1A～1D所示，所述飛行器氣動(dòng)外形包括機(jī)身1、前翼2、后翼3和尾翼4，所述的機(jī)身1為可變形機(jī)身，所述前翼2和后翼3組成前后串列機(jī)翼，前翼2、后翼3均為大展弦比構(gòu)型，分別位于機(jī)身1前后部，由于后翼3位于前翼2的尾流中，因此前翼2和后翼3之間有3°～6°角度差，以保證具有較高的氣動(dòng)效率，所述尾翼4采用V形尾翼，位于機(jī)身1后部。采用螺旋漿推進(jìn)，四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)5分別置于前后翼左右兩側(cè)，供電采用太陽能電池6與燃料電池聯(lián)合供電的方式。如圖1B～1D所示，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)表示太陽能電池6，所述太陽能電池6鋪設(shè)于機(jī)身1及前翼2、后翼3上表面。結(jié)合圖1，本專利技術(shù)提供的飛行器為單機(jī)身，機(jī)身采用半硬式結(jié)構(gòu)，機(jī)身1內(nèi)部具有可變形剛性骨架，骨架外鋪設(shè)薄膜蒙皮，機(jī)身1分為前中后三段，如圖1B，前段為半橢球形頭部，中段為等直段，后段為尾部收縮段，三段機(jī)身的變形分別進(jìn)行，其中中段機(jī)身的變形是主要變形。所述可變形升浮一體飛行器的飛行方式：在地面時(shí)，飛行器的機(jī)身1為地面狀態(tài)機(jī)身截面形狀A(yù)7，體積最小，其靜升力和重量基本平衡。低空變形上升階段，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)5產(chǎn)生推力來克服阻力前飛，前翼2和后翼3產(chǎn)生氣動(dòng)升力使飛行器爬升，外界大氣壓強(qiáng)和大氣密度減小，機(jī)身1內(nèi)部壓力大于外部壓力，形成的壓力差驅(qū)動(dòng)可變形剛性骨架隨動(dòng)變化而不需要付出額外能量，機(jī)身1體積自適應(yīng)增大，時(shí)刻保持重力和浮力基本相等，機(jī)身截面處于中間狀態(tài)機(jī)身截面形狀B8。當(dāng)機(jī)身1的體積增大到最大時(shí)，變形結(jié)束，機(jī)身1為完全膨脹時(shí)截面形狀C9，飛行器到達(dá)最大懸停高度，飛行器的機(jī)身體積不再變化。若飛行器還需進(jìn)一步爬升，則依靠發(fā)動(dòng)機(jī)5推動(dòng)產(chǎn)生足夠的飛行速度，前翼2和后翼3產(chǎn)生氣動(dòng)升力，動(dòng)升力和浮力的合力大于飛行器重力，飛行器繼續(xù)爬升最終到達(dá)預(yù)定的巡航高度。下降階段基本上是動(dòng)升力爬升和變形上升階段的逆過程。飛行器全部能量由太陽能電池6提供，太陽能電池6在白天直接為發(fā)動(dòng)機(jī)5與機(jī)載設(shè)備及有效載荷提供能量，并且電解水，為燃料電池儲(chǔ)存能量。夜間能量完全由燃料電池提供。結(jié)合圖2、圖3和圖4說明機(jī)身內(nèi)部的可變形剛性骨架的具體實(shí)施方式：如圖3，機(jī)身內(nèi)部的可變形剛性骨架包括前后機(jī)翼翼梁10、機(jī)身變形桁架11、機(jī)身維形框14和機(jī)身縱梁13。其中機(jī)身縱梁13有兩根，與前翼翼梁10連接于A、B兩點(diǎn)，與后翼翼梁10連接于C、D兩點(diǎn)，并且作為機(jī)身縱向骨架支撐。所述的機(jī)身變形桁架11有兩個(gè)，分別與前后機(jī)翼翼梁10連接。所述的機(jī)身變形桁架11為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)身變形，機(jī)身維形框14的兩端通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與所述的兩個(gè)機(jī)身縱梁13連接，分別布局在機(jī)身前中后三段，機(jī)身維形框14具有與機(jī)身變形桁架11相同的變形結(jié)構(gòu)，機(jī)身維形框14所在平面和機(jī)身變形桁架11所在平面均垂直與機(jī)身縱梁，在機(jī)身最大展開狀態(tài)，保證外部蒙皮結(jié)構(gòu)外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致。由于機(jī)身變形結(jié)構(gòu)空間尺度很大，為了滿足變形穩(wěn)定性的要求，兼顧減小質(zhì)量，采用平面桿本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，包括機(jī)身、前翼、后翼和尾翼，其特征在于：所述的機(jī)身為可變形機(jī)身，機(jī)身內(nèi)部具有可變形剛性骨架，機(jī)身外部鋪設(shè)薄膜材料蒙皮；所述的可變形剛性骨架包括前后機(jī)翼翼梁、機(jī)身變形桁架、機(jī)身維形框和機(jī)身縱梁，其中機(jī)身縱梁有兩根，與前翼翼梁連接在A、B兩點(diǎn)，與后翼翼梁連接在C、D兩點(diǎn)；所述機(jī)身縱梁的兩端到達(dá)機(jī)身頭部和尾部位置，作為機(jī)身縱向骨架支撐；所述的機(jī)身變形桁架有兩個(gè)，分別與前翼梁在A、B兩點(diǎn)連接，與后翼翼梁在C、D兩點(diǎn)連接；所述的機(jī)身維形框的兩端通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與所述的兩個(gè)機(jī)身縱梁連接，在機(jī)身前中后三段，每一段機(jī)身都至少有一個(gè)機(jī)身維形框，機(jī)身維形框具有與機(jī)身變形桁架相同的變形結(jié)構(gòu)，機(jī)身維形框所在平面和機(jī)身變形桁架所在平面均垂直與機(jī)身縱梁，在機(jī)身最大展開狀態(tài)，蒙皮結(jié)構(gòu)外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，包括機(jī)身、前翼、后翼和尾翼，其特征在于：所述的機(jī)身為可變形機(jī)身，機(jī)身內(nèi)部具有可變形剛性骨架，機(jī)身外部鋪設(shè)薄膜材料蒙皮；所述的可變形剛性骨架包括前后機(jī)翼翼梁、機(jī)身變形桁架、機(jī)身維形框和機(jī)身縱梁，其中機(jī)身縱梁有兩根，與前翼翼梁連接在A、B兩點(diǎn)，與后翼翼梁連接在C、D兩點(diǎn)；所述機(jī)身縱梁的兩端到達(dá)機(jī)身頭部和尾部位置，作為機(jī)身縱向骨架支撐；所述的機(jī)身變形桁架有兩個(gè)，分別與前翼梁在A、B兩點(diǎn)連接，與后翼翼梁在C、D兩點(diǎn)連接；所述的機(jī)身維形框的兩端通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與所述的兩個(gè)機(jī)身縱梁連接，在機(jī)身前中后三段，每一段機(jī)身都至少有一個(gè)機(jī)身維形框，機(jī)身維形框具有與機(jī)身變形桁架相同的變形結(jié)構(gòu)，機(jī)身維形框所在平面和機(jī)身變形桁架所在平面均垂直與機(jī)身縱梁，在機(jī)身最大展開狀態(tài)，蒙皮結(jié)構(gòu)外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可變形的升浮一體飛行器氣動(dòng)外形，其特征在于：所述的機(jī)身變形桁架和機(jī)身維形框均包括五個(gè)桁架和六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，以機(jī)身變形桁架連接在前翼翼梁上A、B兩點(diǎn)為例，所述的機(jī)身變形桁架包括第一桁架～第五桁架，所述的第一桁架～第五桁架結(jié)構(gòu)均為圓弧形外形，最大展開狀態(tài)時(shí)，機(jī)身變形桁架上蒙皮外形與設(shè)計(jì)機(jī)身外形一致，機(jī)身表面曲率連續(xù)，過渡連接處光滑；第一桁架和第五桁架的一端分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在A、B兩點(diǎn)，第一桁架和第五桁架之間順次通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接第二桁架、第三桁架和第四桁架；機(jī)身外蒙皮連接在第一桁架～第五桁架上，隨第一桁架～第五桁...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬東立，李冠雄，楊穆清，王少奇，郭陽，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11