一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，属于航空工程领域。本发明专利技术包括主翼、支撑翼、储氢装置、机舱、双发动力系统、尾翼。本发明专利技术综合太阳能电池、氢燃料电池能量密度高、锂电池比功率大的优点，实现电动无人机无污染、零排放、长航时飞行的优点。机翼采用支撑翼构型，并将储氢装置与无人机机翼及支撑翼连接的布局，能够提高无人机机翼结构刚度，防止柔性机翼结构带来的不良气动影响，增大整机气动效率；降低机翼根部的结构强度需求，便于无人机机翼主梁优化；通过提升无人机展弦比增大无人机的气动效率。本发明专利技术采用双发式动力系统布局，通过降低整机电流的方式降低动力系统铜耗，提高能源及动力系统效率。提高能源及动力系统效率。提高能源及动力系统效率。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机


[0001]本专利技术涉及到一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，适用于轻小型新能源长航时无人机，属于航空工程领域。

技术介绍

[0002]随着全球能源供应日益紧张，太阳能、氢能等清洁能源因其储量巨大、效率高、无污染、无排放等优势逐渐进入全球视野，采用太阳能电池、氢燃料电池等无污染绿色能源驱动的电动飞机应运而生。
[0003]太阳能电池的能源转化效率不高，当应用在无人机上时，无人机需要足够大的机翼面积来提供足够无人机续航的能量，因此高空太阳能无人机多采用大展弦比常规布局机翼。高空太阳能无人机有效载荷较小，且有效载荷多以分布式载荷形式分布在无人机机翼上，为了获得更大的展弦比，高空太阳能无人机多采用柔性机翼。低空轻小型新能源无人机使用的燃料电池能量密度高，但储氢装置的体积密度低，常规布局燃料电池无人机装载的总氢气量受限于无人机机体体积，飞机整体续航时间有限。
[0004]常见的低空小型氢燃料电池无人机在改装设计时由于不需要考虑太阳能电池片约束，通常选择弯度较大翼型以获得更高升阻比，且通常不考虑机翼面积。而新能源无人机由于机翼表面贴有太阳能电池片，对无人机机翼的结构刚度和投影面积提出了新的要求。
[0005]因此在进行低空轻小型新能源无人机设计时需要一种新的机翼构型和能源系统布局能够同时达到保证大展弦比、大机翼面积、提高结构刚度和提升总能量密度的目的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是提供一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，综合太阳能电池、氢燃料电池能量密度高、锂电池比功率大的优点，实现电动无人机无污染、零排放、长航时飞行的优点。机翼采用支撑翼构型，并将储氢装置与无人机机翼及支撑翼连接的布局，能够提高无人机机翼结构刚度，防止柔性机翼结构带来的不良气动影响，增大整机气动效率；降低机翼根部的结构强度需求，便于无人机机翼主梁优化；通过提升无人机展弦比增大无人机的气动效率。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0008]本专利技术公开的一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，综合太阳能电池、氢燃料电池能量密度高、锂电池比功率大的优点，实现电动无人机无污染、零排放、长航时飞行的优点。机翼采用支撑翼构型，并将储氢装置与无人机机翼及支撑翼连接的布局，能够提高无人机机翼结构刚度，防止柔性机翼结构带来的不良气动影响，增大整机气动效率；降低机翼根部的结构强度需求，便于无人机机翼主梁优化；通过提升无人机展弦比增大无人机的气动效率；通过增大机翼面积来增大无人机的太阳能电池片铺设面积，增加新能源无人机飞行航时；通过将储氢装置外置来增大机载氢气量，进一步增加新能源无人机航时，所述无人机续航时间计算方法如下
[0009][0010]式中，T
endurance
表示无人机续航时间，p
hydrogen
表示储氢装置的额定储氢压强，V
Htank
表示储氢装置的额定储氢体积，W
hydrogen
表示氢气在标准大气压强下单位体积的能量密度，E
bat
表示锂电池总能量，P
propulsion
表示标准工况下无人机动力系统功率，η
sc
表示太阳能电池转化效率，E
solar
表示太阳能光照强度，A
sc
表示太阳能电池铺设面积。
[0011]本专利技术公开的一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，包括主翼、支撑翼、储氢装置、机舱、双发动力系统、尾翼。
[0012]所述主机翼选用大展弦比、表面安装太阳能电池片的主翼。所述主机翼为长直机翼以尽可能增加太阳能电池片铺设面积，机翼表面设有安装槽用于保证安装柔性太阳能电池片后的气动外形。机翼采用蒙皮骨架式结构，在保证无人机机翼根部段和与支撑翼连接部位结构强度的同时尽可能降低结构质量，使用大展弦比机翼以进一步增加飞机升阻比，所述机翼内部嵌入最大功率跟踪模块(MPPT)实现对太阳能电池的功率跟踪控制。
[0013]所述支撑翼选用带翼型起撑杆作用的支撑翼。所述支撑翼使用蒙皮骨架式结构，支撑翼具有翼型为无人机提供额外升力；所述支撑翼支杆段通过连接件与主翼主梁进行连接，斜撑段直接与机身固连。所述支撑翼过渡段采用弧线过度以减轻支撑翼表面边界层相互干扰导致的阻力增加问题。
[0014]所述储氢装置通过连接件与无人机主机翼和支撑翼进行连接。储氢装置与减压阀连接，通过减压阀将气体压力降低至合适值再经过输气软管供给到机舱内的燃料电池中进行电化学反应。
[0015]所述机舱位于所述无人机机翼对称轴线上，所述机舱内部主要放置航电模块和有效载荷。其中航电模块包括燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC、锂电池、电源数据记录模块、飞控、温度传感器。所述燃料电池通过燃料电池控制器和DC/DC进行电压、功率协同控制，与太阳能电池和锂电池进行并联，为无人机进行供能，所述燃料电池控制器通过控制燃料电池输出功率实现对燃料电池耗氢量的有效控制，实现高效飞行。所述空速传感器安装在机舱对称轴线上，通过外伸消除无人机气流对空速测量的影响，并将测量的空速传输到飞控以实现自主飞行控制。所述机舱下方搭配起落架以满足无人机滑跑起降需求。
[0016]所述双发动力系统，使用无刷电机、螺旋桨和连接杆组合形式，为无人机提供动力。所述双发动力系统位于机翼前方的对称轴线两侧，通过所述连接杆与无人机机翼相连，所述螺旋桨与所述无刷电机进行紧固连接。所述无刷电机通过无人机能源系统总线接收能量，将电能转化为机械能，实现无人机的长航时飞行。
[0017]所述尾翼采用水平尾翼与双垂直尾翼相结合的方式实现对无人机俯仰、偏航力矩的平衡与控制。所述水平尾翼主要包括水平安定面和升降舵两个部分，采用上置布局，与两个垂直尾翼通过连接件进行固连，所述上置布局能够避免机翼下洗气流对水平尾翼控制效果的影响。所述垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵两个部分，其分布在机翼对称轴线两侧，下部与所述动力系统连接件相连，上部与水平尾翼相连，将垂直尾翼放置在螺旋桨后方的高速气流中实现提高垂尾效率的目的。
[0018]为了提高支撑翼布局无人机气动效率，作为优选，所述支撑翼布局机翼展弦比选为16
‑
25。为了避免主机翼与支撑翼之间的气动干扰导致的气动效率降低，作为优选，主机
翼选用平凸翼型，支撑翼使选用上表面弯度较低的翼型。
[0019]为了保证支撑翼布局对无人机航时的正向作用，作为优选，支撑翼与机翼连接处选为0
‑
60％机翼半展长位置。
[0020]为了保证机体结构强度和减轻结构质量，作为优选，本专利技术使用变截面碳管梁作为主承力结构，玻纤
‑
泡沫夹心翼肋作为传力结构，玻纤蒙皮作为维形结构，选用碳纤维管作为动力系统和尾翼连接杆。
[0021]为了能源系统经济性和稳定性，作为优选，所述储氢装置使用气态储氢形式，使用高压气瓶作为储氢媒介，经过减本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，其特征在于：综合太阳能电池、氢燃料电池能量密度高、锂电池比功率大的优点，实现电动无人机无污染、零排放、长航时飞行的优点；机翼采用支撑翼构型，并将储氢装置与无人机机翼及支撑翼连接的布局，能够提高无人机机翼结构刚度，防止柔性机翼结构带来的不良气动影响，增大整机气动效率；降低机翼根部的结构强度需求，便于无人机机翼主梁优化；通过提升无人机展弦比增大无人机的气动效率；通过增大机翼面积来增大无人机的太阳能电池片铺设面积，增加新能源无人机飞行航时；通过将储氢装置外置来增大机载氢气量，进一步增加新能源无人机航时，所述无人机续航时间计算方法如下式中，T
endurance
表示无人机续航时间，p
hydrogen
表示储氢装置的额定储氢压强，V
Htank
表示储氢装置的额定储氢体积，W
hydrogen
表示氢气在标准大气压强下单位体积的能量密度，E
bat
表示锂电池总能量，P
propulsion
表示标准工况下无人机动力系统功率，η
sc
表示太阳能电池转化效率，E
solar
表示太阳能光照强度，A
sc
表示太阳能电池铺设面积。2.如权利要求1所述的一种考虑储氢装置布局的支撑翼新能源无人机，其特征在于：包括主翼、支撑翼、储氢装置、机舱、双发动力系统、尾翼；所述主机翼选用大展弦比、表面安装太阳能电池片的主翼；所述主机翼为长直机翼以尽可能增加太阳能电池片铺设面积，机翼表面设有安装槽用于保证安装柔性太阳能电池片后的气动外形；机翼采用蒙皮骨架式结构，在保证无人机机翼靠根部段和与支撑翼连接部位结构强度的同时尽可能降低结构质量，使用大展弦比机翼以进一步增加飞机升阻比，所述机翼内部嵌入最大功率跟踪模块实现对太阳能电池的功率跟踪控制；所述支撑翼选用带翼型起撑杆作用的支撑翼；所述支撑翼使用蒙皮骨架式结构，支撑翼具有翼型为无人机提供额外升力；所述支撑翼支杆段通过连接件与主翼主梁进行连接，斜撑段直接与机身固连；所述支撑翼过渡段采用弧线过度以减轻支撑翼表面边界层相互干扰导致的阻力增加问题；所述储氢装置通过连接件与无人机主机翼和支撑翼进行连接；储氢装置与减压阀连接，通过减压阀将气体压力降低至合适值再经过输气软管供给到机舱内的燃料电池中进行电化学反应；所述机舱位于所述无人机机翼对称轴线上，所述机舱内部主要放置航电模块和有效载荷；其中航电模块包括燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC、锂电池、电源数据记录模块、飞控、温度传感器；所述燃料电池通过燃料电池控制器和DC/DC进行电压、功率协同控制，与太阳能电池和锂电池进行并联，为无人机进行供能，所述燃料电池控制器通过控制燃料电池输出功率实现对燃料电池消耗氢气的有效控制，实现高效飞行；所述空速传感器安装在机舱对称轴线上，通过外伸消除无人机气流对空速测量的影响，并将测量空速传输到飞控中以实现自主飞行控制；所述机舱下方搭配起落架以满足无人机滑跑起降需求；所述双发动力系统，使用无刷电机、螺旋桨和连接杆组合形式，为无人机提供动力；所述双发动力系统位于机翼前方的对称轴线两侧，通过所述连接杆与无人机机翼相连，所述螺旋桨与所述无刷电机进行紧固连接；所述无刷电机与无人机能源系统总线进行连接以接
收能量，将电能转...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，杨盾，白文灿，范铮铮，张晓辉，贺云涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：