[发明专利]一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法

说明书

本发明为一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法，所述飞行器由氦气囊体、空气囊体、气压调节模块、导航控制计算机、操纵舵面、数据链路、太阳能电池等部分构成。氦气囊体为飞行器提供主要浮力，空气囊体用于调节飞行器重量，从而产生上升与下降运动；气压调节模块用于调节空气囊体的压力，从而改变其重量；导航控制计算机用于导航与控制算法的运算，并操纵舵面对飞行器的运动状态进行控制；数据链路用于飞行器与地面站之间的数据传输；太阳能电池将太阳能转化为电能并存储在电池内，供气压调节模块、导航与控制模块使用。本发明设计的气浮式无动力长航时飞行器可以通过空气来调整飞行器重量，产生并控制其飞行动作，大幅提高续航能力。

技术领域

本发明涉及无人飞行器领域，尤其涉及一种利用空气浮力产生运动，利用太阳能实现长久续航的领域，属于无人飞行器、新能源等技术领域。

背景技术

无人飞行器的续航时间与有效载荷是其任务能力的重要基础，因此高能量密度储能、低能耗电子器件、高效率气动外形设计等技术已成为无人飞行器领域的几个重要关注点，研究人员纷纷致力于长航时无人飞行器的研究，试图综合利用各方面技术手段，开源节流，提高飞行器滞空能力。近年来，氢燃料、太阳能等新型能源已广泛应用于各行业，太阳能长航时固定翼无人机可以充分发挥低阻力、高效率气动外形与太阳能充电电池的优势，在滞空能力方面较为突出，颇受重视。然而，这种依靠电机或发动机推动飞行器产生空速进而形成气动力的留空方式依然具有较高的能耗。气球可以产生长时间稳定的浮力而不需要额外做功，飞艇正是利用了浮力原理，将气球与固定翼飞行器相结合，在高空长航时作业方面优势明显，而目前可有效控制飞行状态的飞艇都携带有动力装置，同样需要额外做功，因此续航时间依然有限。目前迫切需要研制一种无动力、可长时间稳定驻空的飞行器，为通信、测绘、监控等军民各领域提供技术支撑。

发明内容

本发明提出了一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法，该飞行器可以通过调节空气压力产生运动，实现无动力长时间稳定驻空，为通信、测绘、监控等提供新的平台与方案。

本发明采用的技术方案为：

一种气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于，所述飞行器包括：用于为飞行器提供主要浮力的氦气囊体；用于调节飞行器重量，从而产生上升与下降运动的空气囊体；用于调节空气压力，从而改变飞行器重量的气压调节模块；用于导航与控制算法解算的导航控制计算机；用于对飞行器的运动状态进行控制的操纵舵面；用于飞行器与地面站之间数据传输的数据链路；用于将太阳能转化为电能并进行存储和对外供电的太阳能电池。

作为优选，所述氦气囊体可采用弹性系数较大的复合材料，为了减小阻力，形状设计为左右对称的流线型或纺锤型。囊体的体积需要根据飞行器的起飞重量和作业高度进行迭代计算。氦气囊体下部设有一个充气孔，可通过充气孔向囊体注入氦气。氦气囊体内部置有一个空气囊体，空气囊体与氦气囊体之间相互隔离，气体不互通。氦气囊体重心位置水平方向左右各设置一个水平翼面，为飞行器提供升力。氦气囊体的尾部设置两个水平安定面和两个垂直安定面，两个水平安定面的端部分别设置左右两个升降舵面；两个垂直安定面的端部分别设置上下两个方向舵面；升降舵面与方向舵面分别由对应的舵机驱动进行偏转，用于控制飞行器的运动方向。

作为优选，所述空气囊体可采用弹性系数较小的材料，可设计为多种对称体，空气囊体位于所述氦气囊体内部的前端，空气囊体的前部设有一个充放气管路，充放气管路穿过氦气囊体通向外部并接入压缩泵，充放气管路与氦气囊体之间做密封处理，以保证氦气囊体的密封性。