太陽能飛機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及太陽能飛機(jī)。更具體地，本公開實(shí)施方式涉及這樣的太陽能飛機(jī)，即，該太陽能飛機(jī)能夠?qū)⒂行ж?fù)荷放置在地球表面上的點(diǎn)以上的高海拔處持續(xù)相對(duì)長的時(shí)間(諸如，數(shù)日、數(shù)月乃至數(shù)年)。
【背景技術(shù)】
[0002]出于各種原因，可能期望相對(duì)長時(shí)間地將有效負(fù)荷放置在地球表面上的某點(diǎn)之上。可能的有效負(fù)荷包括成像系統(tǒng)(諸如，照相機(jī)或雷達(dá))；通信系統(tǒng)，供無線電信號(hào)、手機(jī)信號(hào)、微波傳輸、地球?qū)πl(wèi)星的鏈接、電視廣播、互聯(lián)網(wǎng)連接、有效負(fù)荷到有效負(fù)荷連接等使用；大氣傳感系統(tǒng)，用于測量風(fēng)、溫度、濕度、存在的氣體、太陽光、以及其他目的。保持在地球表面上的點(diǎn)以上的相對(duì)固定位置能夠使很多這種有效負(fù)荷系統(tǒng)以簡單和/或有效的方式運(yùn)作。
[0003]除了將有效負(fù)荷維持在相對(duì)于地球表面的固定位置以外，也期望將有效負(fù)荷維持在有利的海拔高度。如果有效負(fù)荷所在的海拔高度過低，其效用可能會(huì)減小，原因是其視野減小了 ；天氣影響可能增大；云的遮擋可能會(huì)更普遍，并且可能會(huì)存在有效操作的其他障礙物。如果有效負(fù)荷所在的海拔高度過高，其分辨地球表面上的目標(biāo)的能力降低，電子傳輸信號(hào)必須更強(qiáng)以使得以足夠強(qiáng)度到達(dá)有效負(fù)荷，并且從有效負(fù)荷發(fā)出的信號(hào)必須更強(qiáng)以使得以足夠強(qiáng)度到達(dá)地球表面。因此，存在對(duì)于許多有效負(fù)荷可能是期望的海拔高度范圍。
[0004]將有效負(fù)荷維持在地球表面上方的固定位置以及期望海拔高度的一個(gè)可能的方法是用飛機(jī)。然而，傳統(tǒng)燃油飛機(jī)基于其燃料容量和燃料使用速率，僅可保持在高處幾小時(shí)或幾天。核動(dòng)力飛機(jī)可能長時(shí)間可行地保持在高處，但這種方法可能存在障礙和某些風(fēng)險(xiǎn)。因此，太陽能可能是為飛機(jī)提供長時(shí)間推進(jìn)力的少數(shù)可行方法中的一個(gè)方法。然而，成功實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的存在著很多困難。
[0005]太陽能在能流方面非常弱，每平方英尺提供最多約100瓦特。例如，如果波音747在其整個(gè)機(jī)翼上表面上配備有完美高效的太陽能電池，其將會(huì)從太陽能電池接收最多約600千瓦，或約800馬力。這與747維持巡航速度和海拔高度所需的約100，000馬力是比擬的。因此，即使太陽能電池100%有效并且太陽直接在飛機(jī)上方，太陽能僅能夠提供傳統(tǒng)747所需電力的0.8 %。利用典型很好的電池，太陽能僅能夠提供747所需電力的0.3 %。結(jié)論是需要很特別的飛機(jī)-在聚集大量太陽能的同時(shí)能夠以非常低的電力飛行的飛機(jī)。
[0006]此外，為了在選擇點(diǎn)上持續(xù)飛行，飛機(jī)必須一年四季都在飛行，并飛過大部分地球表面，特別強(qiáng)調(diào)的是多人居住的區(qū)域。因此，希望能夠在相對(duì)大(絕對(duì))的瑋度下飛行，在這種情況下，在冬季期間白天長度縮短并且太陽光將從傾角而不是上空到達(dá)。例如，在胡德里弗，冬至?xí)r的俄勒岡州(北瑋46度)有約8.3個(gè)白晝時(shí)間，并且太陽的最大高度角僅在21.5度左右。這意味著希望每天相對(duì)幾個(gè)小時(shí)并從非常低的日照角有效收集太陽能，同時(shí)仍收集和提供足夠能量以將飛機(jī)保持在期望海拔高度下的高處。滿足這些要求的飛機(jī)的特性很可能包括，例如，小功率飛行、輕質(zhì)、低氣動(dòng)阻力，并且能夠容納高效儲(chǔ)能系統(tǒng)。
[0007]已提出甚至飛行過其他太陽能飛機(jī)。例如，之前研發(fā)的飛機(jī)一個(gè)實(shí)例包括大飛翼配置，在上翼面上安裝有太陽能電池；以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，用以收集白天過剩能量并在晚上提供存儲(chǔ)能量以求繼續(xù)飛行。然而，這種飛機(jī)缺少足夠的太陽能電池板區(qū)域來吸收低高度角陽光，這限制了在較高海拔高度下進(jìn)行運(yùn)作，尤其在冬季。出于相同的原因，在任何一個(gè)季節(jié)，許多地球上人口更密集的溫帶區(qū)在該飛機(jī)的到達(dá)范圍之外。
[0008]已知設(shè)計(jì)的其他缺點(diǎn)是展弦比很高，展弦比被定義為翼展平方除以機(jī)翼面積。對(duì)于等弦機(jī)翼，展弦比也是翼展除以弦長，其中弦長是機(jī)翼的前緣與后緣之間的直線距離。因此，大展弦比機(jī)翼具有短翼弦及由此產(chǎn)生的淺機(jī)翼深度，這是機(jī)翼截面垂直高度上的最大厚度。例如，一個(gè)已知原型具有約250英尺的翼展，但機(jī)翼深度僅為約1.1英尺。這導(dǎo)致了問題，諸如，與通過機(jī)翼產(chǎn)生的升力相比相對(duì)重的支撐翼展、彎曲時(shí)易彎曲的機(jī)翼、以及扭轉(zhuǎn)時(shí)易彎曲的機(jī)翼(易于扭轉(zhuǎn))。這些特性的結(jié)果包括復(fù)雜并有挑戰(zhàn)的飛行控制特性，以及飛行結(jié)構(gòu)上的不足。
[0009]本發(fā)明可涉及一種飛機(jī)，其包括主機(jī)翼，由翼展、機(jī)翼面積和展弦比表征；第一和第二小翼，以相對(duì)于主機(jī)翼限定的平面成60-100度之間的角度附接至主機(jī)翼的相應(yīng)橫向端部，每個(gè)小翼的由小翼翼展表征；以及太陽能系統(tǒng)，包括安裝至主機(jī)翼、第一小翼以及第二小翼中的每一個(gè)的至少一個(gè)太陽能電池板；其中，小翼翼展在0.2與0.7之間。主機(jī)翼和小翼可各自包括多個(gè)模塊翼片和穿過翼片的桁架式翼梁。這會(huì)改善性能并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。飛機(jī)包括的各個(gè)小翼(翼梢小翼)的弦長，在小翼接觸主機(jī)翼的情況下小翼的弦長可以等于主機(jī)翼的弦長。每個(gè)小翼的弦長和主機(jī)翼的弦長可以都是常數(shù)。飛機(jī)也可包括多個(gè)推進(jìn)裝置模塊，每個(gè)推進(jìn)裝置模塊配置在一對(duì)相鄰翼片(wing panel，翼板)之間。飛機(jī)也可包括配置在一對(duì)相鄰翼片之間的至少一個(gè)機(jī)身模塊。展弦比可在9與15之間。
[0010]本發(fā)明可涉及一種飛機(jī)，其可以包括主機(jī)翼，由翼展、機(jī)翼面積和展弦比表征；第一和第二小翼，附接至主機(jī)翼的相應(yīng)橫向端部，每個(gè)小翼由0.2與0.7之間的小翼翼展表征；以及太陽能系統(tǒng)，包括安裝至主機(jī)翼、第一小翼和第二小翼中的每一個(gè)上的至少一個(gè)太陽能電池板。這會(huì)改善性能并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)小翼可以相對(duì)于由主機(jī)翼限定的平面成60-100之間的角度附接至主機(jī)翼。展弦比可在9與15之間。主機(jī)翼和小翼可各自包括多個(gè)模塊翼片和穿過翼片的桁架式翼梁。主機(jī)翼和每個(gè)小翼可以進(jìn)一步由弦長表征，并且其中每個(gè)小翼的弦長和主機(jī)翼的弦長可為常數(shù)并彼此相等。主機(jī)翼可以包括多個(gè)模塊翼片以及穿過翼片的翼梁，并且其中，翼梁可包括具有基本矩形橫斷面的多個(gè)翼梁截面。
[0011]本發(fā)明可涉及一種改善飛機(jī)性能的方法，其可以包括提供主機(jī)翼，主機(jī)翼由翼展、機(jī)翼面積和展弦比表征；將第一和第二小翼附接至主機(jī)翼的相應(yīng)橫向端部，每個(gè)小翼由小翼翼展表征；以及向主機(jī)翼、第一小翼和第二小翼中的每一個(gè)安裝至少一個(gè)太陽能電池板，其中，展弦比在9與15之間。小翼翼展可在約0.2與0.7之間。小翼翼展可在約0.3與
0.5之間。這些特性的每一個(gè)可改善性能并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。主機(jī)翼和小翼各自可以進(jìn)一步由弦長表征，并且其中每個(gè)小翼的弦長和主機(jī)翼的弦長都為常數(shù)并彼此相等。小翼可以相對(duì)于由主機(jī)翼限定的平面成60-100之間的角度附接至主機(jī)翼。主機(jī)翼和小翼可各自包括多個(gè)模塊翼片和穿過翼片的翼梁。翼梁可各自包括具有基本矩形橫斷面的至少一個(gè)翼梁截面。
[0012]類似地，其他已知太陽能飛機(jī)原型不能收集足夠的低角太陽光以飛行在很多期望瑋度下，不能保持足夠的空速以在許多典型的天氣條件中飛行，和/或不能在期望海拔高度下飛行。因此，需要改進(jìn)的太陽能飛機(jī)，即，其能夠在寬的瑋度范圍內(nèi)和天氣條件下維持期望海拔高度持續(xù)無限期時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本公開提供太陽能飛機(jī)，包括，模塊主機(jī)翼和附接至主機(jī)翼的橫向端部的一對(duì)相對(duì)大的模塊小翼。為了收集包括相對(duì)低角輻射的太陽輻射，將太陽能電池板安裝到主機(jī)翼和小翼兩者。在一些實(shí)施方式中，主機(jī)翼的展弦比相對(duì)低，諸如，在9與15之間。因此，與其翼展相比，主機(jī)翼相對(duì)深。在一些實(shí)施方式中，小翼相對(duì)長，諸如，在主機(jī)翼半翼展長度的
0.2到0.7倍的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，桁架式翼梁穿過并幫助支撐機(jī)翼和小翼。特征、功能、以及優(yōu)點(diǎn)可在本公開的各種實(shí)施方式中單獨(dú)實(shí)現(xiàn)或者在其他的實(shí)施方式中組合實(shí)現(xiàn)，參考下面的說明及附圖可看到其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
【附圖說明】
[0014]圖1A是根據(jù)本公開的方面太陽能飛機(jī)的實(shí)施方式的等距視圖。
[0015]圖1B是根據(jù)本公開的方面太陽能飛機(jī)的另一實(shí)施方式的等距視圖。
[0016]圖2是圖1A的太陽能飛機(jī)實(shí)施方式的部分分解的三軸測視圖，圖2示出實(shí)施方式的可能t旲塊性。
[0017]圖3是根據(jù)本公開的方面的模塊太陽能翼片實(shí)施方式的一部分的三軸測視圖。
[0018]圖4是根據(jù)本公開的方面在翼片之間集成的示例性推進(jìn)裝置模塊的三軸測視圖。
[0019]圖5是根據(jù)本公開的方面的翼梁截面實(shí)施方式的立體圖。
[0020]圖6是根據(jù)本公開的方面的另一翼梁截面實(shí)施方式的一部分的三軸測視圖。
[0021]圖7是根據(jù)本公開的方面的又一翼梁截面實(shí)施方式的一部分的三軸測視圖。
[0022]圖8是根據(jù)本公開的方面的又一翼梁截面實(shí)施方式的一部分的正視圖。
[0023]圖9是根據(jù)本公開的方面可被用以接合翼梁截面的螺桿和驅(qū)動(dòng)螺母組件的實(shí)施方式的分解等距視圖。
[0024]圖10是根據(jù)本公開方面的圖9中螺桿和驅(qū)動(dòng)螺母組件與縱梁接合件一起用以結(jié)合來接合一對(duì)翼梁縱梁的剖視圖。
[0025]圖11根據(jù)本公開方面圖9中的螺桿和驅(qū)動(dòng)螺母組件與另一縱梁接合件一起用來接合一對(duì)翼梁縱梁的剖視圖。
[0026]圖12是根據(jù)本公開的方面可被用以將翼梁縱梁與間隙元件接合一起的接合結(jié)構(gòu)實(shí)施方式的等距視圖。
[0027]圖13是圖12的接合結(jié)構(gòu)的一部分的部分透明俯視圖。
[0028]圖14是圖12-圖13的接合結(jié)構(gòu)部分的正視圖。
[0029]圖15是根據(jù)本公開的方面可被用以將翼梁縱梁與間隙元件接合一起的另一接合結(jié)構(gòu)實(shí)施方式的側(cè)面正視圖。
[0030]圖16是根據(jù)本公開的方面包括翼片的安裝點(diǎn)的翼梁實(shí)施方式的一部分的示意性前向正視圖。
[0031]圖17是圖15的翼梁實(shí)施方式的一部分的放大視圖。
[0032]圖18是根據(jù)本公開的方面太陽能飛機(jī)的示例性儲(chǔ)能系統(tǒng)的示意性前向正視圖。
[0033]圖19是圖18的儲(chǔ)能系統(tǒng)的側(cè)面正視圖。
[0034]圖20是根據(jù)本公開方面的太陽能飛機(jī)的另一示例性儲(chǔ)能系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]概述
[0036]具有相對(duì)大的小翼、相對(duì)小展弦比、模塊化設(shè)計(jì)和/或桁架式翼梁的太陽能飛機(jī)的各種實(shí)施方式如下所述并在相關(guān)附圖中示出。除非另有說明，否則本公開的太陽能飛機(jī)和/或其各個(gè)組件可以，但不必需，包括本文中描述、示出和/或結(jié)合的結(jié)構(gòu)、組件、功能、和/或變化中的至少一個(gè)。此外，本文中描述、示出、和/或結(jié)合的與本公開太陽能飛機(jī)有關(guān)的結(jié)構(gòu)、組件、功能、和/或變化可以，但不是必需，包括在其他類似的太陽能飛機(jī)中。各個(gè)實(shí)施方式的以下描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且決不旨在限制本發(fā)明、其應(yīng)用、或使用。此夕卜，由實(shí)施方式提供的優(yōu)勢，如以下描述的，本質(zhì)上是說明性的，而不是所有的實(shí)施方式提供相同的優(yōu)勢或相同程度的優(yōu)勢。
[0037]定義
[0038]如在本文中使用的，下列術(shù)語具有以下提供的定義:
[0039]“主機(jī)翼截面”意指于除了小翼外整個(gè)機(jī)翼的接近水平部分。
[0040]“小翼”意指主機(jī)翼截面外側(cè)的機(jī)翼的接近垂直部分。
[0041]“翼展”意指在翼展方向截取的機(jī)翼的最大尺寸。在具有小翼的飛機(jī)的情況下，翼展是從小翼尖到小翼尖的尺寸。
[0042]“機(jī)翼面積”意指機(jī)翼的總投影表面積，其中，自垂直方向向水平平面上進(jìn)行投影。在具有小翼的飛機(jī)的情況下，機(jī)翼面積是指機(jī)翼和小翼的投影面積。
[0043]“機(jī)翼后掠角”意指機(jī)翼