临近空间飞艇及用于临近空间飞艇的矢量推进装置的制作方法

本发明涉及平流层飞艇的运用，特别是涉及一种用于临近空间飞艇的矢量推进装置以及一种具有这种矢量推进装置的临近空间飞艇。

背景技术：

在飞行器推进与控制技术领域中，例如，临近空间飞艇、比如平流层飞艇在飞行过程中，控制飞艇姿态使其按照预定航迹飞行或机动是十分关键的环节。而矢量推进系统的运用对于飞艇实现抗风飞行、长时间驻留等任务有着重大意义。现有的矢量推进装置主要用于小型飞艇的验证试验上，其构造简单、可用推力小、结构振动特性差、不耐超低温、结构的刚度和强度设计要求较低，因而实用价值不大。

因此，现有技术中存在对于能满足临近空间飞行、比如平流层飞行的矢量推进装置的需求。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种能满足临近空间飞行的矢量推进装置。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种用于临近空间飞艇的矢量推进装置，所述矢量推进装置包括：

执行机构模块，所述执行机构模块包括螺旋桨桨叶和螺旋桨桨毂；

矢量平台模块，所述矢量平台模块包括推进电机和电机轴，所述电机轴与所述螺旋桨桨毂以不可相对转动的方式连接，用于将从所述推进电机输出的扭矩传递至所述螺旋桨桨毂，从而为所述矢量推进装置提供推力；

相对于所述临近空间飞艇固定的固定平台模块，所述固定平台模块包括回转轴承和与所述回转轴承以不可相对转动的方式连接的矢量电机，所述矢量平台模块能够在所述回转轴承上进行转动运动，使得所述固定平台模块的所述矢量电机能够为所述矢量平台模块提供转动驱动力矩，并且所述固定平台模块将所述矢量平台模块的结构重力、所述执行机构模块的气动反作用力和气动力矩传递至所述临近空间飞艇；

限位校准模块，所述限位校准模块包括设置在所述矢量平台模块上的限位块以及设置在所述固定平台模块上的限位挡块和限位器，用于实现对所述矢量推进装置的限位和校准；以及

驱动模块，所述驱动模块包括控制器、与所述控制器电连接的推进电机控制线、矢量电机控制线以及限位器信号线，用于分别对所述推进电机、所述矢量电机和所述限位器提供通信和供电。

进一步地，所述矢量平台模块还包括锁紧装置、桨轴法兰盘、抱箍、支撑架以及底板，所述锁紧装置与所述桨轴法兰盘相配合以将所述螺旋桨桨毂与所述电机轴连接在一起，所述推进电机的电机主体通过所述抱箍和所述支撑架被固定在所述底板上。

进一步地，所述限位块固定连接在所述底板的面向所述固定平台模块的一侧上。

进一步地，所述固定平台模块还包括固定平台法兰盘，所述回转轴承的输出端的转动能够驱动所述底板转动，从而实现推力方向的改变，并且，在所述底板汇聚的力和力矩能够传递至所述固定平台法兰盘。

进一步地，所述固定平台模块还包括蜗轮蜗杆，所述蜗轮蜗杆用于放大从所述矢量电机输出的扭矩并且在所述矢量平台模块以固定角度工作时实现所述矢量平台模块的自锁。

进一步地，所述固定平台模块还包括转接装置，所述转接装置用于连接所述蜗轮蜗杆的输出端与所述回转轴承的输入端，从而将来自所述蜗轮蜗杆的扭矩传递至所述回转轴承。

进一步地，所述限位校准模块包括两个所述限位挡块，用于防止所述矢量平台模块在进行作动时超出两侧的极限工作角度并且在所述蜗轮蜗杆发生故障时保护所述矢量平台模块。

进一步地，所述限位器包括微动开关，当所述限位块转动至极限工作角度时，所述限位块触发所述微动开关，此时所述控制器停止供电，所述限位块与所述限位挡块通过碰撞实现紧急制动。

进一步地，所述驱动模块还包括控制盒，所述控制盒容纳所述控制器，所述控制器集成有能够对推力矢量的零点进行校准的位置校准程序。

本发明还提供了一种临近空间飞艇，所述临近空间飞艇至少包括前面描述的用于临近空间飞艇的矢量推进装置。

与先前技术相比，本发明提供的用于临近空间飞艇的矢量推进装置的优点在于：

本发明的矢量推进装置实现了临近空间飞艇推力方向和大小的调节，并保证了在轻质高强的结构基础上能产生较大推力；

本发明的矢量推进装置具有对矢量推力角度和大小的实时操纵性能，以根据控制要求实时来控制推力矢量的角度和推力大小，整套装置具有响应快、可较大提高临近空间飞艇飞行时的飞行品质和操纵性能的作用；

此外，本发明的矢量推进装置具有校准、限位保护和定方向推力自锁功能，提高了系统工作时的稳定性和安全性；

本发明的矢量推进装置能够使平流层飞艇适用于平流层低温、低气压的飞行环境；

本发明的矢量推进装置能够模块化且快速安装。

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示出了根据本发明实施方式的用于临近空间飞艇的矢量推进装置的立体图；

图2示出了根据本发明实施方式的矢量推进装置的侧视图；

图3示出了根据本发明实施方式的矢量推进装置的执行机构模块的主视图；

图4示出了根据本发明实施方式的矢量推进装置的矢量平台模块以及部分限位校准模块的侧视图；

图5示出了根据本发明实施方式的矢量推进装置的固定平台模块以及部分限位校准模块的立体图。

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方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，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方式所限制。相反，提供这些实施方式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。

现在结合图1至图5描述根据本发明的实施方式的用于临近空间飞艇的矢量推进装置。

如图1至图5所示，所述矢量推进装置包括：执行机构模块10、矢量平台模块20、相对于所述临近空间飞艇固定的固定平台模块30、限位校准模块40以及驱动模块50。其中，如图3所示，执行机构模块10包括螺旋桨桨叶101和螺旋桨桨毂102。如图4所示，矢量平台模块20包括推进电机205和电机轴203，电机轴203与螺旋桨桨毂102以不可相对转动的方式连接，用于将从推进电机205输出的扭矩传递至螺旋桨桨毂102，从而为所述矢量推进装置提供推力。如图5所示，固定平台模块30包括回转轴承301和与回转轴承301以不可相对转动的方式连接的矢量电机301，矢量平台模块20能够在回转轴承301上进行转动运动，使得固定平台模块30的矢量电机301能够为矢量平台模块20提供转动驱动力矩，并且所述固定平台模块将矢量平台模块20的结构重力、执行机构模块10的气动反作用力和气动力矩传递至所述临近空间飞艇。如图2、图4和图5所示，限位校准模块40包括设置在矢量平台模块20上的限位块401以及设置在固定平台模块30上的限位挡块402和限位器403，用于实现对所述矢量推进装置的限位和校准。如图2所示，驱动模块50包括控制器、与所述控制器电连接的推进电机控制线502、矢量电机控制线503以及限位器信号线504，用于分别对推进电机205、矢量电机301和限位器403提供通信和供电。

螺旋桨例如由螺旋桨桨叶101和螺旋桨桨毂102构成，主要作用是产生推力，是矢量推进装置的执行部件。螺旋桨桨叶101与桨轴法兰盘202间通过对称花键连接，并通过轴向螺母固定其轴向自由度，从而实现螺旋桨与桨轴间的固接。螺旋桨桨叶例如由碳纤维复合材料制成达到轻质高强的目的，螺旋桨桨毂例如由铝合金制成。

另外，矢量平台模块20还包括锁紧装置201、桨轴法兰盘202、抱箍204、支撑架206以及底板207，锁紧装置201与桨轴法兰盘202相配合以将螺旋桨桨毂102与电机轴203连接在一起(例如固接在一起)，使得螺旋桨桨叶101在工作时不会因为推力而脱离电机轴203，推进电机205的电机主体通过抱箍204和支撑架206被固定在底板207上。

特别地，锁紧装置201例如可以为一个特定的锁紧螺母。桨轴法兰盘202主要作用是连接螺旋桨桨毂102和电机轴205，使其固接成为一个整体，桨轴法兰盘202与螺旋桨桨毂102例如通过螺栓连接，桨轴法兰盘202与电机轴203周向可以通过内部花键连接，以保证扭矩的传递。桨轴法兰盘202例如由铝合金制成。抱箍204例如为两个，主要作用是固定推进电机205，抱箍204呈对称设置，下部通过螺栓与底板耳片联接，环状表面与电机外壳通过预留的螺钉孔联接，两个抱箍上部之间通过螺栓锁紧。通过此安装方式，推进电机205的重量可以直接传递至底板207，降低了对支撑架206的设计要求。推进电机205的主要作用是提供螺旋桨桨叶101运转的最初动力，最终驱动螺旋桨桨叶101产生推力。推进电机205的输出端即为电机轴203。电机主体通过支撑架206和双抱箍204被固定在矢量平台的底板207上，其控制信号由驱动模块501的控制器通过推进电机控制线502发出。支撑架206起支撑推进电机205的作用，可通过减轻措施保证其轻质，例如在周围开设凹槽，其在工艺上要保证要有好的垂直度和同心度。支撑架206上可开设有加强筋设计，用于提高此构件的刚度。支撑架206与底板207、支撑架206与推进电机205之间均通过螺栓联接，并设有定位销钉孔。底板207主要作用是支撑和集成二维旋转平台，汇合和传递其它部件产生的力与力矩至回转轴承处。底板上设有与支撑架206、抱箍204、限位块401、回转轴承301的接口用于实现部件相互之间的联接，联接方式可以采用螺钉或螺栓连接。例如，图2中，在底板后缘开设有固定推进电机的耳片，其用于联接抱箍204以达到支撑推进电机205的目的。此外，底板207与回转轴承301的联接接口设置于特定位置，以实现重心平衡，此接口可以用定位销钉和螺钉孔进行定位和连接以保证转动轴的无间隙作业。

进一步地，限位块401固定连接在底板207的面向固定平台模块30的一侧上，如图2和图4所示。

另外，固定平台模块30还包括固定平台法兰盘302，回转轴承301的输出端的转动能够驱动底板207转动，从而实现推力方向的改变，并且，在底板207汇聚的力和力矩能够传递至固定平台法兰盘302。固定平台法兰盘302的主要作用是将整套矢量推进装置的所有力和力矩传递至固定基础上(例如飞艇囊体)，其内环可与回转轴承外壳通过螺栓进行连接，外环留有与固定基础的安装接口，具体连接型式可以为螺栓连接。为保证轻质要求，固定平台法兰盘可以有铝合金制成并采用镂空设计以减轻重量。

另外，固定平台模块30还包括蜗轮蜗杆304，蜗轮蜗杆304用于放大从矢量电机301输出的扭矩并且在矢量平台模块20以固定角度工作时实现矢量平台模块20的自锁。蜗轮蜗杆304的传动比需根据设计要求计算求得，其输入端与矢量电机305的行星齿轮箱输出端(矢量电机左侧)连接。矢量电机305例如由矢量驱动电机(位于矢量电机中部)和行星齿轮箱(位于矢量电机左部)、旋变(位于矢量电机右部)构成，主要作用是提供驱动矢量平台装置的原动力。矢量驱动电机提供原始动力，行星齿轮箱则实现将输出的扭矩放大、转速降低的功能，旋变实现对转动圈数的记录和控制。输出的扭矩(矢量电机左端)最终通过键连接传递给蜗轮蜗杆输入端(蜗轮蜗杆右下部)，行星齿轮箱与蜗轮蜗杆外壳通过安装接口固接。

另外，固定平台模块30还包括转接装置，所述转接装置用于连接蜗轮蜗杆304的输出端与回转轴承301的输入端，从而将来自蜗轮蜗杆304的扭矩传递至回转轴承301。回转轴承301的主要作用包括：一是通过输出端(内部转动轴，位于回转轴承顶部)的转动驱动底板207进行二自由度旋转，进而最终实现推力方向的改变；二是将底板汇聚的力和力矩传递至固定平台法兰盘302处。回转轴承留有与底板、法兰盘、转接装置的安装接口。转接装置例如由一根转接轴303和一个转接盘306构成，其主要作用是连接蜗轮蜗杆304的输出端(蜗轮蜗杆顶部)和回转轴承301的输入端(回转轴承底部)，从而传递蜗轮蜗杆传来的控制扭矩。转接盘与蜗轮蜗杆外壳和回转轴承外壳之间可以通过螺钉进行连接；转接轴与涡轮蜗杆输出轴和回转轴承输入轴的连接型式可以为键联接。

进一步地，限位校准模块40包括两个限位挡块402，用于防止矢量平台模块20在进行作动时超出两侧的极限工作角度并且在蜗轮蜗杆304发生故障时保护矢量平台模块20。

进一步地，限位器403包括微动开关，当限位块401转动至极限工作角度时，限位块401触发所述微动开关，此时所述控制器停止供电，限位块401与限位挡块402通过碰撞实现紧急制动。其中，由于位于最大工作角度处的限位挡块一般沿艇体中轴线对称设置，因此限位挡块402对称放置于两侧处，如图5所示。

另外，驱动模块50还包括控制盒，所述控制盒容纳所述控制器，所述控制器集成有能够对推力矢量的零点进行校准的位置校准程序。控制器可以实时控制推进电机205和矢量电机305并实时获取矢量电机、推进电机的转速和限位器的状态信息。控制盒的盒体例如由铝合金制成，内部集成有电路板，为保证其散热效能，盒体表面可以分布有散热片

本发明还提供了一种临近空间飞艇，所述临近空间飞艇至少包括前面描述的用于临近空间飞艇的矢量推进装置。

现在结合图1至图5描述矢量推进装置的工作过程：

如图2所示，当矢量平台模块20接收到邻近空间飞艇传来的控制任务时，驱动模块50的控制器通过解算，改变供给到矢量电机301的电流实现对矢量电机301输出端扭矩的控制，最终由回转轴承301驱动矢量平台模块20进行转动，矢量平台模块20的转动角度通过旋变和控制器对矢量电机301的转动圈数进行解算，当矢量平台模块20将要转至控制任务所需的角度时，控制器通过控制电流使驱动扭矩改变，从而矢量平台模块20减速，最终停在控制所需的角度工作。此时，矢量平台模块20停止供电，涡轮蜗杆304发挥自锁功能，矢量平台模块20产生矢量推力控制整个飞艇的运动。螺旋桨推力的大小由控制器提供给推进电机205的功率决定，当控制任务需要增大螺旋桨的推力大小时，控制器解算出相应推力时所需功率的大小，并逐步增大对推进电机205的电流从而达到推力值的增加。图1所示为矢量推进装置在最大正角度时的工作状态。

当矢量推进装置转动至图1所示的最大转动位置时，限位块401的转动触发限位器403，使限位器403开关闭合并转化为电信号传递给驱动模块50，驱动模块50接收到反馈信号，随即对矢量电机301停止供电，此时，通过限位块401与限位挡块402碰撞运动实现矢量平台的最终紧急制动。通过此装置可以实现当矢量平台位于最大工作位置时的状态反馈功能，由于限位装置的装配经过精确定位，通过此动作，驱动模块50同时对矢量平台的转角进行校准，增强了矢量推力系统运转的精确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。