[发明专利]一种π型全翼式太阳能无人机

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能无人机设计技术领域，具体为一种π型全翼式太阳能无人机。

背景技术

太阳能无人机依靠白天采集的太阳能完成白天飞行，并存储一部分供夜间飞行，太阳能无人机气动外形与太阳能电池的铺设和能量的采集密切关联。需要通过足够的太阳能电池铺设才能满足飞机飞行，为此，能源高效铺设和高气动效率的气动外形尤为重要。目前，国内都是采用正常式气动外形，国外公开的太阳能飞机外形有正常式布局（如：瑞士的“太阳脉动”，美国的“西风”），全翼式布局（如：美国的“太阳神”）。无论是哪种气动外形，其气动外形的三维配置参数和所采用的翼型都是技术核心和秘密，不予公开。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：（1）按目前太阳能电池可达到的转换效率21%，在平均800w/m²的正常照度下，提供满足飞行所需的太阳能采集能力；（2）按目前电机可达到的效率90%和螺旋桨可达到的效率70%，提供3000米以下低空飞行所需要的足够的气动效率。

技术方案

本发明提出的π型全翼式太阳能无人机，通过增大翼面积增加光伏电池的铺设效率，通过大展弦比外翼增加气动效率，通过八角贝壳式内翼翼面增加光伏电池铺设效率和纵向操纵效率，通过π型布局提高航向稳定性和起降特性。

本发明的技术方案为：

所述一种π型全翼式太阳能无人机，其特征在于：包括内翼和外翼；内翼为矩形两侧接梯形的八角双梯形结构，内翼展向最大长度为1350～1450mm，弦向最大长度为1200～1220mm，内翼前缘和后缘长度相等为800～850mm，内翼弦平面相对水平面安装角为7～8度，上反角为0度；两片外翼分别固定连接在内翼两侧梯形的底边，外翼为弦长350～450mm的等弦长矩形机翼，外翼弦平面相对水平面安装角为6度，上反角为6度；在内翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池，单侧外翼上铺设40块125*125mm的单晶硅太阳能电池；内翼后缘布置有弦长为180～190mm的全翼展纵向操纵舵面；内外翼交接处下方分别布置一个垂直于水平面的梯形立板，立板前缘及后缘的掠角为0度，立板的翼型为NACA0012，立板的前缘与外翼的前缘在同一平面，立板弦长600～630mm，距立板后缘200～250mm布置全展长矩形方向舵；沿两立板下端面安装滑跑轮槽，滑跑轮槽支撑前轮及后轮，前轮转轴位置与内翼前缘齐平，前后轮弦向距离430～440mm，两个后轮的展向距离1750～1850mm。

所述一种π型全翼式太阳能无人机，其特征在于：内翼和外翼的翼型参数为：相对厚度为11～13%，最大弯度为2%～4%，最大弯度所在弦向位置为25～30%。

有益效果

本发明经过气动特性验算、飞行性能验算和飞行试验，下面给出了飞机气动特性与性能验算结果，包括：全机升力特性、全机升阻比、全机俯仰力矩特性、飞行包线，以及飞行试验的速度、高度：

图1至图6给出了内翼、外翼以及无人机的气动特性，结果表明，在巡航设计点升力系数CL=0.6附近全机升阻比达到最大15.5（图4），且在巡航点满足Cm=0，即实现纵向力矩巡航自配平（图6）。

图7给出了飞行性能验算结果，当飞行速度11-14m/s，需求功率为300-400W。图8给出了太阳能采集能源输出匹配结果，图7、图8表明，光照度800W/m2以上，即可满足平飞的功率需求。

附图说明

图1内翼的升阻比-迎角曲线；

图2外翼的升阻比-迎角曲线；

图3无人机的升力系数-迎角曲线；

图4无人机的升阻比-升力系数曲线；

图5无人机的俯仰力矩-迎角曲线；

图6无人机的俯仰力矩-升力系数曲线；

图7不同速度平飞功率需求；

图8不同光照度下太阳能采集能量的输出；

图9无人机的结构示意图；

图10无人机俯视图。

其中：1、外翼；2、内翼；3、立板；4、滑轮；5、升降舵；6、方向舵；7、左外翼太阳能电池组；8、内翼太阳能电池组；9、右外翼太阳能电池组。