高空無(wú)人機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高空無(wú)人機(jī)。
[0002]本發(fā)明的領(lǐng)域特別涉及高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域,簡(jiǎn)稱為HALE(Haute AltitudeLongue Eudrance)無(wú)人機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0003]無(wú)人機(jī)就一種無(wú)需飛行員駕駛的飛行器。很多無(wú)人機(jī)與飛機(jī)非常類似,且其驅(qū)動(dòng)方式也與飛機(jī)相同。
[0004]無(wú)人機(jī)通常應(yīng)用于軍事目的和/或?qū)崿F(xiàn)觀測(cè)任務(wù)。因此,當(dāng)無(wú)人機(jī)被派遣到所觀測(cè)區(qū)域上空時(shí),為了確保其能夠完成任務(wù),機(jī)上通常配備有拍攝設(shè)備以及圖像傳輸設(shè)備。在已知的無(wú)人機(jī)中存在飛行航程超過(guò)10000米的,例如有些無(wú)人機(jī)的飛行航程已經(jīng)達(dá)到20000米,并且能在空中持續(xù)飛行24小時(shí)以上,此外,其有效載荷能夠按噸或幾噸計(jì)。
[0005]除此之外,HALE無(wú)人機(jī)還可以應(yīng)用于平流層平臺(tái)。在此情況下無(wú)人機(jī)需要在高空飛行,既在平流層(海拔高度約在12到50公里之間)作業(yè),且飛行器相對(duì)于地面保持固定,這就相當(dāng)于一個(gè)地球同步衛(wèi)星,不過(guò)其作業(yè)高度比同步衛(wèi)星低很多。這類無(wú)人機(jī)適合進(jìn)行持續(xù)幾周甚至幾個(gè)月的作業(yè)。它可以在電話系統(tǒng)和圖像(電視)的應(yīng)用中,以及民用或軍事地面觀測(cè)中起到電信中繼的作用。
[0006]然而,針對(duì)前文所述的應(yīng)用領(lǐng)域的需求,目前尚沒(méi)有一個(gè)解決方案能夠提供有效載荷達(dá)到上百千克或幾噸,并用以維持多天作業(yè)的無(wú)人機(jī)。
[0007]本發(fā)明的目的還在于,提出一種無(wú)人機(jī),或一種平流層平臺(tái),其負(fù)載可以足夠完成至少一個(gè)月時(shí)間的作業(yè),以便完成諸如觀測(cè)或電信中繼的任務(wù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]鑒于上述需求,本項(xiàng)發(fā)明設(shè)置了一種無(wú)人機(jī),其構(gòu)成如下:
[0009]-兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)環(huán)形螺旋槳,雙槳之間限定出水平赤道平面,
[0010]-螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置,
[0011]-安置在赤道平面下的負(fù)載,以及
[0012]-用來(lái)相對(duì)于赤道平面位置調(diào)節(jié)負(fù)載的裝置,
[0013]本發(fā)明中,該無(wú)人機(jī)還包括了:
[0014]-上腔室,其充有相對(duì)密度小于1的氣體或氣體混合物,此腔室主要分布在赤道平面的上方,以及
[0015]-下腔室,其充有相對(duì)密度小大1的氣體或氣體混合物,此腔室主要分布在赤道平面的下方,并負(fù)載被放置在在此下腔室內(nèi)部。
[0016]上述創(chuàng)新組合降低了無(wú)人機(jī)的能耗,使其能夠在負(fù)載相對(duì)比較重的情況下完成時(shí)間較長(zhǎng)的任務(wù)。充有輕質(zhì)氣體的腔室可以降低無(wú)人機(jī)的能耗,并維持無(wú)人機(jī)的狀態(tài)和其負(fù)載在空中懸停的狀態(tài)。其基本結(jié)構(gòu)(對(duì)轉(zhuǎn)環(huán)形螺旋槳,腔室的設(shè)置等),可以幫助優(yōu)化無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)其可在大氣層中無(wú)需充電地持續(xù)多天作業(yè)。
[0017]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單和輕便,而效率絲毫沒(méi)有降低。這里每個(gè)環(huán)形螺旋槳裝有第一環(huán)形零件和第二環(huán)形零件,后者直徑比前者長(zhǎng),還有用來(lái)連接第一和第二環(huán)形零件的一組葉片。為了保證構(gòu)成螺旋槳的每組零件的堅(jiān)固性,每片葉片都非常穩(wěn)固地嵌在第一和第二環(huán)形零件中。
[0018]同樣地,出于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的考慮,以及出于對(duì)無(wú)人機(jī)的重量和能源需求之間最優(yōu)化的考慮,我們還可以在螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置上安裝至少一個(gè)設(shè)置在在赤道平面內(nèi)軸,這個(gè)軸由發(fā)動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)并配有齒輪,該齒輪與裝配在兩個(gè)環(huán)形螺旋槳各自槳上的齒條式結(jié)構(gòu)相嚙入口 ο
[0019]優(yōu)選地,建議在無(wú)人機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置上安裝至少一臺(tái)電力發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管蓄電池的自重不輕,電力仍然是驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)選能源,因?yàn)闊o(wú)人機(jī)設(shè)備可以利用太陽(yáng)能電池板來(lái)充電,特別是在海拔較高的情況下。
[0020]可以預(yù)見(jiàn)的是,在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,負(fù)載被懸掛在剛性擺錘上,該擺錘圍繞著設(shè)置在赤道平面內(nèi)的兩個(gè)互相垂直的軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)操作擺錘,無(wú)人機(jī)進(jìn)入“失衡”的狀態(tài),這種失衡狀態(tài)可以幫助無(wú)人機(jī)在作業(yè)時(shí)移動(dòng)方位。這個(gè)實(shí)施例的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)為,有效載荷(可通過(guò)通信發(fā)送裝置、觀測(cè)設(shè)備或其他設(shè)備傳送)可以在無(wú)人機(jī)執(zhí)行移動(dòng)指令時(shí)得到充分的運(yùn)用。
[0021]舉例來(lái)說(shuō),上腔室可以由可雙向拉伸的聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯材料(注冊(cè)商標(biāo)Mylar)構(gòu)成,至于下腔室,通常建議用透明材料構(gòu)成。
[0022]有一個(gè)合適的方式是,將兩個(gè)腔室與無(wú)人機(jī)內(nèi)的剛性結(jié)構(gòu),特別是指螺旋槳和螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置連接起來(lái),這種方式輕便,可靠并且有效。這里會(huì)有一張近似球形的網(wǎng)將這兩個(gè)腔室連接在一起,并且覆蓋這兩個(gè)腔室。因此,這個(gè)剛性結(jié)構(gòu)的至少一部分會(huì)固定在兩個(gè)腔室之間。
[0023]如果在無(wú)人機(jī)艙內(nèi)使用電力能源,我們便可以將上腔室用光電池覆蓋。同樣可以將這種光電池安裝到用來(lái)移動(dòng)負(fù)載的設(shè)備上。還可以將光電池安裝到蓄電池負(fù)載上。因此,太陽(yáng)能電池板會(huì)被安裝在距離蓄電池最近的地方,由此優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)和無(wú)人機(jī)自身重量。
[0024]在實(shí)施例中有一個(gè)優(yōu)化變更,在這個(gè)情況下,連接兩個(gè)腔室的網(wǎng)圍繞著每個(gè)腔室靠近赤道平面的部分,且每個(gè)腔室中不被網(wǎng)環(huán)繞的部分則是可以變形的。給兩個(gè)腔室預(yù)留出可以變形的空間的目的是為了調(diào)節(jié)腔室內(nèi)的壓力。因?yàn)樵陲w行過(guò)程中,無(wú)人機(jī)時(shí)而受太陽(yáng)照射(被加熱),時(shí)而飛到?jīng)]有陽(yáng)光的陰影處。而可變形的腔室可以更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化。在這個(gè)更改的實(shí)施例中,為了控制腔室的變形,我們可以采用彈性收縮裝置,將其固定安裝在每個(gè)腔室的內(nèi)部。
[0025]為了能夠平衡兩個(gè)腔室間的壓力,我們可以采用諸如導(dǎo)管之類物品來(lái)實(shí)現(xiàn)上腔室內(nèi)部空間與下腔室內(nèi)部空間之間的連通。為了能夠更好地控制每個(gè)腔室的壓力,建議在導(dǎo)管上安裝一個(gè)三通閥。
[0026]依據(jù)本發(fā)明,還有一個(gè)變化實(shí)施例可以用來(lái)提高無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力。該實(shí)施例中下腔室有利地在相對(duì)于赤道平面的一側(cè)形成一個(gè)明顯呈圓錐形的區(qū)域。這樣使得無(wú)人機(jī)也形成了一個(gè)阻力系數(shù)較小的空氣動(dòng)力形態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]以下描述能夠更清楚地展現(xiàn)本發(fā)明的細(xì)節(jié)和優(yōu)勢(shì),請(qǐng)同時(shí)參考附圖:
[0028]圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的無(wú)人機(jī)的透視圖,
[0029]圖2為圖1中無(wú)人機(jī)的正視圖,
[0030]圖3為圖1中無(wú)人機(jī)垂直中間平面的剖面視圖,
[0031]圖4為上述圖中無(wú)人機(jī)的俯視圖,
[0032]圖5為無(wú)人機(jī)在第一配置中的第二實(shí)施例的無(wú)人機(jī)的透視圖,
[0033]圖6與上圖類似,區(qū)別在于采用了第二配置,
[0034]圖7為圖5中無(wú)人機(jī)的正視圖,
[0035]圖8為圖6中無(wú)人機(jī)的正視圖,
[0036]圖9和圖10是與圖3類似的剖面圖,它們分別對(duì)應(yīng)了圖5中第一配置中的第二實(shí)施例,圖6中第二配置中的第二實(shí)施例,
[0037]圖11和圖12則分別對(duì)應(yīng)了圖5第一配置中的第二實(shí)施例的俯視圖,圖6第二配置中的第二實(shí)施例的俯視圖,
[0038]圖13根據(jù)本發(fā)明的無(wú)人機(jī)的另一種實(shí)施例的正視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]圖1至圖4示出了了本發(fā)明的第一實(shí)施例,根據(jù)本發(fā)明的無(wú)人機(jī)包括上側(cè)環(huán)形螺旋槳2,下側(cè)環(huán)形螺旋槳4 (它們共同組成了兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)的環(huán)形螺旋槳),和上腔室6,下腔室8,以及驅(qū)動(dòng)螺旋槳的機(jī)械裝置。
[0040]這兩個(gè)螺旋槳以被稱為赤道平面的平面對(duì)稱排列。在下面的描述,我們假設(shè)這個(gè)平面是水平的。除此之外,這兩個(gè)螺旋槳互相平行放置。也就是說(shuō),沿著它們整個(gè)外圍兩個(gè)螺旋槳之間的間隔距離始終固定。
[0041]這兩個(gè)螺旋槳呈現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,螺旋槳的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,一個(gè)環(huán)形螺旋槳一方面包括了一組葉片10,另一方面包括內(nèi)環(huán)形零件12和外環(huán)形零件14。
[0042]這組葉片10的形狀例如可以是平的薄片。它們的朝向相對(duì)于水平面(或相對(duì)于赤道平面)傾斜,并且繞360°平均分布。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,每一片葉片的一端嵌在內(nèi)環(huán)形零件12中,另一端嵌在外環(huán)形零件14中。
[0043]內(nèi)環(huán)形零件12是一個(gè)環(huán)形零件,其截面成I形,具有非常高的剛性。I形的內(nèi)芯例如明顯地向垂直方向(既明顯地與赤道平面垂直)伸展。
[0044]在這個(gè)實(shí)施例中,外環(huán)形零件14截面同樣成I形,但這里I的內(nèi)芯相對(duì)于水平面傾斜。在所列舉的這個(gè)實(shí)施例中,兩個(gè)外環(huán)形零件14 (每個(gè)螺旋槳設(shè)置有一個(gè)),在剖面上(圖3),形成了一個(gè)尖端朝向螺旋的內(nèi)部的V形。
[0045]借助四個(gè)均勻分布在螺旋槳周圍的框架16,這兩個(gè)螺旋槳才能得以固定在其位置上。每個(gè)框架16都以環(huán)形螺旋槳中心為圓心排列在一個(gè)徑向垂直平面上(相對(duì)于環(huán)形螺旋槳的中心)。每個(gè)框架16呈邊框形式,可采用例如切割型材制成,組裝后形成上述邊框以及一個(gè)在赤道平面上、位于兩個(gè)螺旋槳之間的橫梁。每個(gè)螺旋槳通過(guò)軸承支撐,軸承一部分位于赤道平面上,另一部分位于框架16的邊框上。
[0046]上腔室6呈現(xiàn)近似于半球的形狀,其直徑比內(nèi)環(huán)形零件12的直徑略短一些。它例如由可雙向拉伸的聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯材料構(gòu)成,該材料因注冊(cè)商標(biāo)Mylar而廣為人知。
[0047]下腔室8的整體形狀與上腔室6完全對(duì)稱,它同樣例如由Mylar (注冊(cè)商標(biāo))材料構(gòu)成。
[0048]這兩個(gè)腔室是密封的,腔室中充有質(zhì)量小于空氣的氣體,例如氫氣或氦氣。然而,需要注意的是,上腔室6僅僅充有氣體,而下腔室8還裝有一個(gè)有效載荷18,它被固定在在一個(gè)懸浮的擺錘20的一端,擺錘的機(jī)械原理將在下面闡述。
[0049]這兩個(gè)腔室可以兩兩相連和/或與螺旋槳的驅(qū)動(dòng)機(jī)械相連接。我們可以類如采用一張整體形狀近似球形的網(wǎng),將兩個(gè)腔室相互固定。
[0050]同樣地,可以設(shè)想到將上腔室6的內(nèi)部空間與下腔室8的內(nèi)部空間相連通。也可以采用一個(gè)穿越赤道平面的風(fēng)向筒(此處未顯示)。
[0051]如果我們需要的話,用簡(jiǎn)單的風(fēng)向筒就足以使上腔室6與下腔室8的壓力在任何情況下均保持一致。然而,更好的做法是允許一定壓力差的存在并控制該壓力差。因此,建議在風(fēng)向筒中安裝一個(gè)閥門,該閥門在一個(gè)位置時(shí),可以平衡兩個(gè)腔室內(nèi)部的壓力,而在另一個(gè)位置時(shí),可以將兩個(gè)腔室各自的內(nèi)部空間隔離開(kāi)來(lái)。還有另一種更優(yōu)選的方式,那就是采用一個(gè)三通閥,該三通閥的第一個(gè)口與上腔室6的內(nèi)部空間連通,另一個(gè)口與下腔室8的內(nèi)部空間連通,而第三個(gè)口與外界連通。以這種方式,可以將上腔室6和/或下腔室8內(nèi)部所含的一部分氣體(例如氦氣)排放到外界。特別在無(wú)人機(jī)在著陸時(shí),經(jīng)常會(huì)采用到這種方式。
[0052]螺旋槳的驅(qū)動(dòng)機(jī)械包括安裝在中心結(jié)構(gòu)24上的四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),這個(gè)中心結(jié)構(gòu)在赤道平面內(nèi)