一种飞行器静电防护和收集利用系统的制作方法

本发明涉及飞行器静电防护技术领域，尤其涉及一种飞行器静电防护和收集利用系统。

背景技术：

超长航时飞行器由于其特殊的民用和军事优势受到越来越多的重视。超长航时飞行器多为无人飞行器，且此类航空飞行器一般采用太阳能作为动力源，具备超长航时的特点，未来留空时间可长达数月至数年，且飞行高度高，超过两万米，任务区域广阔，具备“准卫星”特征，具有部署灵活、经济性好等优势。然而此类飞行器因其结构蒙皮特性在长时间飞行时所积累的摩擦静电电荷是导致飞行器机载设备失效甚至飞行器失事的主要原因之一，长期以来各研究单位都在寻找能够有效避免上述失效情况的新机理和新方法。

航空飞行器的蒙皮是指包围在飞机骨架结构外且用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动力外形的维形构件，目前的飞行器常见的蒙皮有金属蒙皮，复合材料层压蒙皮、夹层蒙皮和整体壁板等，在飞行器飞行过程中，蒙皮与空气中的各种物质粒子连续碰撞会引起电荷从粒子中分离出来转移到飞行器上，或者因感应带电等过程而获得或失去电子，其电压随着摩擦的加剧和电荷的不断积累而增高，可达上千伏甚至数百千伏。以临近空间太阳能无人机为例，其蒙皮敷设太阳能电池板，航时超长，飞行工况复杂，且机身大量使用复合材料，蒙皮以聚合物材料为主。以含氟聚合物，如乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等为制造材料的太阳能电池板表皮和机身蒙皮,虽然轻便牢固、耐酸耐碱,但却是一种不导电的物体,故此表面产生的电荷无法传递出去,因而封装膜表面的电荷会逐步积聚起来。当电压达到周围介质的放电电压阈值时就会发生静电放电现象。

静电放电，除了可能会对此类飞行器的机体结构造成损失外，放电产生的电磁噪声还会对飞行导航、通信、计算机控制造成干扰或失灵。因此，为了保证此类飞行器的飞行安全，必须采取静电防护措施，设计静电泄放通路或对静电进行收集利用。当前，针对此类飞行器的高压静电防护主要采用汇流条或电晕方法实现，但是现有的飞行器静电防护方案中，静电放电不仅具有不可控性，而且会浪费高压电。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的飞行器静电防护和收集利用系统，以消除飞行器静电，并对收集到的静电进行存储和控制。

本发明的一个方面，提供了一种飞行器静电防护和收集利用系统，包括：

设置在飞行器机身上的至少一个静电收集装置和静电导出电路，所述多个静电收集装置以矩阵形式排列在飞行器机身，形成静电收集装置矩阵，所述静电导出电路与所述静电收集装置矩阵连接，用于将所述静电收集装置矩阵收集的电能导出到终端用电设备和/或储能设备。

其中，所述静电导出电路布设在所述静电收集装置矩阵中的各个静电收集装置之间，形成电路网格。

其中，所述静电收集装置包括摩擦纳米发电机和支撑部件，所述支撑部件包括至少一个支架和支撑层，所述支撑层和所处的机身材料层平行相对设置，所述至少一个支架位于所述支撑层的边缘，所述摩擦纳米发电机设置于所述至少一个支架和所述支撑层形成的空间中；

其中，所述摩擦纳米发电机包括：至少一层绝缘摩擦层、以及设置在所述绝缘摩擦层两侧的第一电极层和第二电极层；其中，所述第一电极层和/或所述第二电极层与绝缘摩擦层之间形成有摩擦界面；所述第一电极层和所述第二电极层分别为摩擦发电机的两个输出电极；

形成所述摩擦界面的两层中的至少一层为自由活动层，所述自由活动层的一端为固定端，另一端为自由端，在风力的作用下，形成所述摩擦界面的两层可周期性的接触或分离，产生电能，以供终端用电设备和/或储能设备使用。

其中，所述第二电极层为机身材料层，所述绝缘摩擦层为贴合于机身材料层的聚合物薄膜层，所述第一电极层为柔性电极，所述第一电极层为自由活动层。

其中，所述第一电极层贴合于所述支撑层上，所述绝缘摩擦层为自由活动层，所述绝缘摩擦层为聚合物薄膜。

其中，所述支撑层、第一电极层、第二电极层和绝缘摩擦层的透光率均超过90％。

其中，所述系统还包括设置于的所述机身材料层上的太阳能电池板，所述第二电极层设置于所述太阳能电池板上。

其中，所述摩擦纳米发电机包括：第一电极层、设置于机身材料层上的太阳能电池板和设置于所述第一电极层和所述天阳能电池板之间的至少一层绝缘摩擦层；其中，所述第一电极层和/或所述太阳能电池板与绝缘摩擦层之间形成有摩擦界面；所述第一电极层为摩擦发电机的一个输出电极，其中，所述支撑层、第一电极层和绝缘摩擦层均由透光材料制成；

形成所述摩擦界面的两层中的至少一层为自由活动层，所述自由活动层的一端为固定端，另一端为自由端，在风力的作用下，形成所述摩擦界面的两层可周期性的接触或分离，产生电能，以供终端用电设备和/或储能设备使用。

其中，所述支撑层、第一电极层绝缘摩擦层的透光率均超过90％。

本申请实施例中提供的技术方案，具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的飞行器静电防护和收集利用系统，通过静电收集装置和静电导出电路对飞行器飞行过程中产生的静电电能加以收集和利用，形成一体化集成网络，丰富了静电转化为能源转换的方式的同时，消除了对飞行器造成潜在危害的静电，使得飞行器可以适应更多的飞行环境，增加了飞行的安全性，实现对收集到的电能进行存储和控制，使得飞行器具备全天候、全地形、全工况的能源供给能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例所涉及的一种飞行器静电防护和收集利用系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所涉及的一种静电收集装置的结构示意图；

图3为本发明另一实施例所涉及的一种静电收集装置的结构示意图；

图4为本发明另一实施例所涉及的一种静电收集装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示意性示出了本发明一个实施例的一种飞行器静电防护和收集利用系统的结构示意图。参照图1，所述飞行器静电防护和收集利用系统包括：

设置在飞行器机身上的至少一个静电收集装置101和静电导出电路102，所述至少一个静电收集装置101以矩阵形式排列在飞行器机身，形成静电收集装置矩阵，所述静电导出电路102与所述静电收集装置101矩阵连接，用于将所述静电收集装置矩阵收集的电能导出到终端用电设备和/或储能设备。

其中，所述静电收集装置可为摩擦纳米发电机，或者取得同等效果装置，对此本发明不做具体限定。

在本发明实施例中，所述静电导出电路102布设在所述静电收集装置矩阵中的各个静电收集装置101之间，形成电路网格。

其中，所述电路网格为智能变压电路，高度集成整流、开关、存储元件，扩展系统对频率、电压、电流的影响范围，从而实现管理电路通用化、模块化，对摩擦起电的电荷进行存储和有效利用。

本发明实施例提供的飞行器静电防护和收集利用系统，通过静电收集装置和静电导出电路对飞行器飞行过程中产生的静电电能加以收集和利用，形成一体化集成网络，丰富了静电转化为能源转换的方式的同时，消除了对飞行器造成潜在危害的静电，使得飞行器可以适应更多的飞行环境，增加了飞行的安全性，实现了对收集到的电能进行存储和控制，使得飞行器具备全天候、全地形、全工况的能源供给能力。

图2示意性的示出了本发明实施例所涉及的一种静电收集装置的结构示意图，如图2所示，在本发明一个可选的实施例中，所述静电收集装置101包括摩擦纳米发电机和支撑部件，所述支撑部件包括至少一个支架203和支撑层201，所述支撑层201和所处的机身材料层平行相对设置，所述至少一个支架203位于所述支撑层的边缘，所述摩擦纳米发电机设置于所述至少一个支架203和所述支撑层201形成的空间中。

基于纳米技术的摩擦纳米发电机是继电磁感应发电机之后，采用机械能发电的又一种重要方式，目前主流的发电机都是基于法拉第电磁感应原理而工作的，包括将外界的其他形式的能量转换为机械能，和将机械能传递给发电机的转子进而发电两个主要过程。而摩擦纳米发电机是一种基于纳米级摩擦电效应，利用摩擦起电和静电感应的原理制备的新型能量收集器件。通过收集环境中的微小的运动、振动、流动等自然界存在的机械能，直接高效转换为电能，从而实现无需外接电源的自驱动纳米能源器件。摩擦纳米发电机是近五年来的新型研究方向，通过材料改性、表面处理、器件结构设计与工艺优化，使得其性能大幅提升，输出电压达到2kv以上，电流达上百微安，甚至毫安。摩擦纳米发电机相比电磁感应发电机系统具有成本低廉、体积小、质量轻、结构稳固、可移植性强、可靠性强等优点。

在本发明的一个实施例中，所述摩擦纳米发电机包括：至少一层绝缘摩擦层204、以及设置在所述绝缘摩擦层204两侧的第一电极层202和第二电极层205；其中，所述第一电极层202和/或所述第二电极层205与绝缘摩擦层204之间形成有摩擦界面；所述第一电极层202和所述第二电极层205分别为摩擦发电机的两个输出电极；

形成所述摩擦界面的两层中的至少一层为自由活动层，所述自由活动层的一端为固定端，另一端为自由端，在风力的作用下，形成所述摩擦界面的两层可周期性的接触或分离，产生电能，以供终端用电设备和/或储能设备使用。

所述第二电极层205为机身材料层，所述绝缘摩擦层204为贴合于机身材料层的聚合物薄膜层，所述第一电极层204为柔性电极，所述第一电极层204为自由活动层，其中，所述机身材料层和所述聚合物薄膜层都是机身蒙皮材料的一部分。

本实施例是摩擦纳米发电机首次在航空器上的应用。其中，所述机身材料包括铝合金和碳纤维复合材料中的至少一种；所述聚合物薄膜层为机身表面的薄膜，包括etfe(乙烯-四氟乙烯共聚物)、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、pvdf(聚偏氟乙烯)、kapton(聚酰亚胺薄膜材料)中的至少一种。

其中，上层柔性电极为金属电极，具体包括铜、铝、ito中的至少一种。

在本发明一个具体的实施例中，将航空器的表面分成至少一个阵列，其中每个矩阵的尺寸为指定大小的正方形单元，每个单元由一个摩擦纳米发电机构成，将每一个摩擦纳米发电机的输出电能收集起来，能够实现航空器表面电荷的收集，具体步骤如下：

将机身分隔成指定尺寸大小的阵列，例如：5cm×5cm，所述上层柔性电极层的一端固定在支架的中间，另一端可以自由移动，所述聚合物薄膜层为etfe薄膜，当etfe薄膜在风的驱动下发生振动时，etfe薄膜层和上层柔性电极以及机身材料层发生周期性的接触分离，进一步的，当上层柔性电极和机身材料层电连接时，周期性的接触分离会在外电路中产生周期性的电流输出。发电机的输出可以用于对储能原件，如超级电容器和电池等小型器件的供电，或者通过整流和变压之后为飞行器提供电力。

在本发明实施例中，etfe薄膜的厚度为30-200μm，优选的为50μm。电极的厚度为30-100μm，优选的为80μm。支撑层的材料为pet，厚度为50-300μm厚度，优选的为200μm。

所述纳米发电机覆盖于机身蒙皮材料之上，可形成一种基于摩擦纳米发电机技术的新型蒙皮复合材料，满足飞行器对蒙皮的强度、气动要求，非太阳能电池板合成蒙皮拉伸强度不低于35n/cm，面密度不大于45g/m²。

本发明实施例提供的飞行器静电防护和收集利用系统，通过摩擦纳米发电机对飞行器飞行过程中产生的高压静电电能加以收集和利用，将蒙皮材料与空气摩擦起电的电能导出并传递至后级电路或直接进行静电安全的泄放能够安全、高效利用摩擦起电电荷，消除了对飞行器造成潜在危害的静电，使得飞行器可以适应更多的飞行环境，增加了飞行的安全性，并且能够实现对收集到的电能进行存储和控制，使飞行器具备全天候、全地形、全工况的能源供给能力。

图3示意性示出了本发明一个实施例的所涉及的一种静电收集装置的结构示意图。参照图3，在本发明一个可选的实施例中，所述静电收集装置101包括摩擦纳米发电机和支撑部件，所述支撑部件包括至少一个支架303和支撑层301，所述支撑层301和所处的机身材料层平行相对设置，所述至少一个支架303位于所述支撑层的边缘，所述摩擦纳米发电机设置于所述至少一个支架303和所述支撑层301形成的空间中。

所述摩擦纳米发电机包括：至少一层绝缘摩擦层304、以及设置在所述绝缘摩擦层两侧的第一电极层302和第二电极层305；其中，所述第一电极层302和/或所述第二电极层305与绝缘摩擦层304之间形成有摩擦界面；所述第一电极层302和所述第二电极层305分别为摩擦发电机的两个输出电极；

形成所述摩擦界面的两层中的至少一层为自由活动层，所述自由活动层的一端为固定端，另一端为自由端，在风力的作用下，形成所述摩擦界面的两层可周期性的接触或分离，产生电能，以供终端用电设备和/或储能设备使用。

其中，所述第二电极层305为机身材料层，所述绝缘摩擦层304为贴合于所述机身材料层的聚合物薄膜层，所述第一电极层302为柔性电极，所述第一电极层302为自由活动层。

其中，所述第一电极层302贴合于所述支撑层301上，所述绝缘摩擦层304为自由活动层，所述绝缘摩擦层304为聚合物薄膜。

所述系统还包括设置于的所述机身表皮材料层上的太阳能电池板306，所述第二电极层305设置于所述太阳能电池板306上，其中，所述支撑层301、第一电极层302、第二电极层305和绝缘摩擦层304的透光率均超过90％。

该实例为摩擦纳米发电机在太阳能电池板上的应用，所述飞行器上的太阳能电池板306在使用时展开，不使用时收起，由于etfe、pet等材料的透光率可以达到90％以上，能够不影响太阳能电池正常工作，摩擦纳米发电机还可以收集环境中的机械能，相对于单独太阳能电池板发电来说，其电能来源更加丰富。

这种摩擦纳米发电机可以制作成接触-分离式摩擦纳米发电机，如图3所示。所述摩擦纳米发电机包括：太阳能电池板306，附着在太阳能电池板306上的第二电极层305，所述第二电极层305的材料可为ito、azo、碳纳米管、石墨烯和导电性高分子中的至少一种；所述绝缘摩擦层304的材料可为etfe、pet中的至少一种；以及附着在支撑层301上的第一电极层302，第一电极层302的材料可为ito(n型氧化物半导体-氧化铟锡)、azo(铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃)、导电性高分子中的至少一种；第二电极层302的材料可为ito、azo、碳纳米管、石墨烯、导电性高分子中的至少一种，可选的，支撑层301的材料为机玻璃。上述两个电极层与摩擦层的两个接触面同时也是两个摩擦表面。

所述纳米发电机覆盖于机身蒙皮材料之上，可形成一种基于摩擦纳米发电机技术的新型蒙皮复合材料，满足飞行器对蒙皮的强度、气动要求，非太阳能电池板合成蒙皮拉伸强度不低于35n/cm，面密度不大于45g/m²，太阳能电池板合成蒙皮面密度不大于95g/m²，且满足耐磨性要求。

在本发明的一个具体的实施例中，所述绝缘摩擦层304为etfe薄膜，所述第一电极层和第二电极层为ito薄膜电极，所述etfe薄膜的一端被固定在支架的中间，另一端可以自由移动。当有风力驱动时，两个ito薄膜电极和etfe之间的距离会发生周期性的变化。

将两个电极通过外电路电连接，周期性的距离变化会造成电子在两个电极之间的周期性的流动，从而导致外电路有电流和电压的输出。

ito薄膜电极的厚度为10-30μm，优选的为20μm。etfe薄膜的厚度为30-200μm，优选的为50μm。支撑层可选为pet，厚度为50-300μm，优选的为200μm。

本发明实施例提供的飞行器静电防护和收集利用系统，通过摩擦纳米发电机对飞行器飞行过程中产生的高压静电电能加以收集和利用，将蒙皮材料与空气摩擦起电的电能导出后传递至后级电路或直接进行静电安全的泄放，能够安全、高效利用摩擦起电电荷，消除了对飞行器造成潜在危害的高压静电，使得飞行器可以适应更多的飞行环境，增加了飞行的安全性，并且能够实现对收集到的电能进行存储和控制，使飞行器具备全天候、全地形、全工况的能源供给能力。

图4示意性示出了本发明一个实施例的所涉及的一种静电收集装置的结构示意图。参照图4，所述静电收集装置包括摩擦纳米发电机和支撑部件，所述支撑部件包括至少一个支架403和支撑层401，所述支撑层401和所处的机身材料层平行相对设置，所述至少一个支架403位于所述支撑层401的边缘，所述摩擦纳米发电机设置于所述至少一个支架403和所述支撑层401形成的空间中。

所述摩擦纳米发电机包括：第一电极层402、设置于机身材料层上的太阳能电池板405和设置于所述第一电极层402和所述天阳能电池板405之间的至少一层绝缘摩擦层404；其中，所述第一电极层402和/或所述太阳能电池板405与绝缘摩擦层404之间形成有摩擦界面；所述第一电极层402为摩擦发电机的一个输出电极，其中，所述支撑层401、第一电极层402和绝缘摩擦层404均由透光材料制成；

形成所述摩擦界面的两层中的至少一层为自由活动层，所述自由活动层的一端为固定端，另一端为自由端，在风力的作用下，形成所述摩擦界面的两层可周期性的接触或分离，产生电能，以供终端用电设备和/或储能设备使用。

在本发明实施例中，所述支撑层401、第一电极层402和绝缘摩擦层404的透光率均超过90％，所述第一电极层402为ito电极，所述绝缘摩擦层404为etfe薄膜，所述ito电极、etfe薄膜和太阳能电池板构成了一个单电极的发电机。

其中，ito薄膜的厚度为10-30μm，优选的为20μm。etfe薄膜的厚度为30-200μm，优选的为50μm，支撑层的厚度为50-300μm，优选的为200μm。

本发明实施例提供的飞行器静电防护和收集利用系统，通过摩擦纳米发电机对飞行器飞行过程中产生的高压静电电能加以收集和利用，将蒙皮材料与空气摩擦起电的电能导出后，传递至后级电路或直接进行静电安全的泄放，能够安全、高效利用摩擦起电电荷，消除了对飞行器造成潜在危害的高压静电，使得飞行器可以适应更多的飞行环境，增加了飞行的安全性，并且能够实现对收集到的电能进行存储和控制，使飞行器具备全天候、全地形、全工况的能源供给能力。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。