具有至少一个推进电动机和燃料电池型能源的无人飞行器的制作方法

本申请要求于2017年9月29日提交的fr1771033的优先权权益，该专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

本发明涉及具有至少一个电动机的无人飞行器领域，该至少一个电动机用于驱动至少一个旋翼或螺旋桨旋转，从而能够为无人飞行器提供推力并且还可能提供升力。

背景技术：

这样的无人飞行器是其上没有任何飞行员或机组人员的飞行器。另外，这样的飞行器通常被称为“无人机”(uav)。

在第一个例子中，这样的无人飞行器可以具有由用于为这种类型的无人飞行器提供升力的机翼形成的固定翼。然后，该固定翼与为这样的无人飞行器至少提供推力的螺旋桨相关联。

在第二个例子中，这样的无人飞行器具有多个旋翼，它们一起形成一组旋转翼并且能够为这种无人机提供升力和/或推力。

在第三个例子中，无人飞行器也可以是混合型的，在这种情况下，它们的要点是至少一个固定翼与至少一个旋转翼组合。此外，例如像适用于可转换型飞行器那样，根据情况，例如旋转翼也可以围绕俯仰轴线(pitchingaxis)枢转，在这种情况下，例如该旋转翼然后可以以推进螺旋桨模式运行。

然而，一般来说，不论具有至少一个电动机的无人飞行器或飞行器是什么类型，在飞行任务期间的航程是至关重要的，并且总是因对有损于这样的无人飞行器的可接受的有效载荷和/或飞行性能而折衷。

具体而言，用于给电动机供电的蓄电池的尺寸和重量越大，有损于这样的无人机的飞行航程的、用瓦特·小时/千克(w.h/kg)表示的蓄电池的每单位重量的能量密度越重要。此外，在这样的情况下，无人飞行器可以运输的重量(即，其有效载荷)被减小，并且其飞行性能、特别是在速度和加速度方面的飞行性能也会被降低。

如文献us2017/240291、ep2902319、wo2017/004777和us2003/207164中所述，已经提出通过在由燃料电池形成的这种类型的无人飞行器上提供独立能源来减轻该缺点。具体而言，燃料电池具有其重量和它可以为无人飞行器获得的飞行航程之间的比例非常好的优点，这一点在无人飞行器的重量相当大的情况下特别适用。

以已知的方式，这样的燃料电池通过使还原燃料(例如，特别是氢气(h2))在第一电极(阳极)上氧化并结合氧化剂(例如，空气中的氧气)在第二电极(阴极)上的还原，来利用该还原燃料来产生电压。

然而，这样的能源需要燃料存储罐，并且还需要将单个电池固定到传统无人飞行器的结构上，该传统无人飞行器最初被设计用于承载更多传统的可充电蓄电池，例如锂聚合物型存储电池(也称为“lipo”电池)或镍氢(nimh)型存储电池。此外，还需要额外的紧固装置来将罐和单个电池固定到无人飞行器的结构上，并且所得到的无人飞行器没有良好的空气动力学特性，特别是在空气动力学阻力方面。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种能够避免上述限制的新型无人飞行器。具体而言，具有由燃料电池形成的独立能源的这种类型的无人飞行器的航程增加，可接受的有效载荷和/或飞行性能提高。至少，这种类型的无人飞行器能够在飞行航程、有效载荷和飞行性能之间实现良好的折衷。

因此，本发明提供一种无人飞行器，其包括：

-用于为所述无人飞行器至少提供推力的至少一个电动机；以及

-用于给所述至少一个电动机提供电能的至少一个电能源，每个电能源由燃料电池形成，所述燃料电池主要包括用于储存燃料的罐，其次包括至少一个单个电池，所述单个电池由被电解质分开的两个电极形成，所述燃料电池的单个电池适合于在所述两个电极之间用电化学方法产生电力。

根据本发明，这样的无人飞行器的显著之处在于，所述至少一个单个电池形成所述无人飞行器的第一结构元件，所述第一结构元件在所述无人飞行器的至少两个相互远离的点a和b之间延伸，并且使力和/或力矩能够在这至少两个点a和b之间传递。

换言之，至少一个单个电池形成刚性且相对不易变形的部分，该部分适合于在两点a和b之间传递力和/或力矩，例如，产生牵引、压缩、剪切、弯曲和/或扭转动作。

这样的力或力矩特别是可以由飞行中的无人飞行器的惯性产生，并且还可以当无人飞行器停落在地面上时通过来自地面对起落架的反作用而产生。

有利地，当无人飞行器是具有分别由至少三个电动机驱动得旋转的、用于提供推力和/或升力的至少三个旋翼的多旋翼型时，第一结构元件可以完全或部分地由在所述无人飞行器的中心体和任何一个电动机之间延伸的连接臂形成。

因此，第一结构元件在两者之间延伸的无人飞行器的两个点a和b可以分别设置为，一个点靠近三个电动机中的一个电动机，而另一个点靠近中心体，例如该中心体可以用作燃料罐。在这样的情况下，所述至少一个单个电池直接形成三个电动机与中心体之间的相应的连接臂。

实际上，无人飞行器包括流线型区域，该流线型区域具有彼此大体平行设置并且在长度方向上彼此间隔开的多个框架，该多个框架通过大体沿该长度方向定向的至少一个杆彼此连接，并且第一结构元件可以完全或部分地由框架和/或所述至少一个杆形成。

换言之，无人飞行器可以包括硬壳式机身结构，其中多组框架和/或垂直隔板相互平行设置以将其形状赋予形成无人飞行器的外壳的机身。另外，无人飞行器的这样的长度方向可以与无人飞行器的(纵向)侧倾轴线或(横向)俯仰轴线重合或平行设置。

在这样的情况下，第一结构元件在两者之间延伸的无人飞行器的点a和b可以分别设置为，一个点在机身或杆的第一点处，而另一个点在机身或杆的第二点处。在这样的情况下，燃料电池的至少一个单个电池直接形成流线型区域的框架或杆。

在本发明的有利实施方式中，当无人飞行器包括具有通过连接部件连接在一起的两个半翼的固定翼时，第一结构元件可以完全或部分地由连接部件形成。

由此，无人飞行器可以具有其中连接部件延伸为将两个半翼彼此连接的机翼。因此，第一结构元件在两者之间延伸的无人飞行器的点a和b可以分别设置为，一个点在连接部件的第一端部处，而另一个点在相同的连接部件的第二端部处。在这样的情况下，燃料电池的至少一个单个电池直接形成设置在机翼内的连接部件。

有利地，第一结构元件可以由相互平行设置的至少两个单个电池的堆叠物形成。

换言之，这样的第一结构元件可以包括燃料电池的多个单个电池。另外，常见做法是用术语“堆叠物”表示为了增加燃料电池的端子之间的电位差而这样相互连接的多个平行的单个电池。

实际上，罐可以形成无人飞行器的第二结构元件，这样的第二结构元件在无人飞行器的另外至少两个相互远离的点c和d之间延伸，并且用于在这样的另外至少两个点c和d之间传递其他力和/或其他力矩。

如上针对第一结构元件所述的那样，罐然后形成刚性且不是很容易变形的部分，该部分适合于在无人飞行器的另外两个点c和d之间传递力和/或力矩，例如，产生牵引、压缩、剪切、弯曲和/或扭转动作，因此可以承载某些航空电子设备和/或系统设备。

有利地，罐可以包括用于分别供给燃料电池的至少两个相互分离的单个电池的彼此分开的至少两个隔室。

换言之，每个单个电池可以独立地通过罐的相应的一个隔室供应燃料。

在本发明的另一个有利的实施方式中，无人飞行器可以包括通过管道分别与罐的至少两个隔室连接的互连装置，该互连装置使罐的第一隔室能够与罐的第二隔室连通，反之亦然。

必要时，这样的设置然后可以利用互连装置使罐的隔室在飞行控制下或自动地相互连通，该互连装置包括阀门和适用于检测燃料的低液位和/或比较低的阈值压力更低的压力的检测装置，该燃料在任何一个罐中具体可以处于液态和/或气态。特别是在罐的一个隔室在另一个隔室之前变空，然后该另一个隔室用于暂时向两个电动机供应电能的情况下，可能出现这种需求。在实践中，可能在无人飞行器的标称操作(nominaloperation)期间(例如，在诸如从一个隔室泄漏的故障的情况下)出现这种情况，或者甚至作为填充其中一个隔室的问题而可能出现这种情况。

实际上，无人飞行器可以包括用于压缩外部空气的至少一个气体压缩机和通过至少一根管道与该至少一个气体压缩机连接的至少一个控制部件，所述至少一个控制部件用于通过至少测量由所述至少一个气体压缩机压缩的空气的温度和压力来调节被注入所述燃料电池的至少一个单个电池中的空气的至少一个流速。

因此，至少一个气体压缩机和至少一个控制部件用于通过确定被送至至少一个单个电池内部的分子氧的量来提高燃料电池的效率。这用于确保燃料电池中的氧化还原反应以化学计量比例发生。

有利地，可以通过用于为无人飞行器至少提供推力的至少一个电动机来驱动至少一个气体压缩机旋转。

在这样的情况下，该电动机或每个电动机可以具有两端从电动机引出的旋转轴。另外，该轴的第一端部驱动旋翼或螺旋桨旋转，而第二端部驱动气体压缩机旋转。

在本发明的又一个有利的实施方式中，无人飞行器包括用于回收燃料电池产生的水的至少一个水回收部件，该至少一个水回收部件通过至少一根管道与燃料电池的至少一个单个电池连接。

具体而言，这样的氧化还原反应产生通常为水蒸气形式的水分子。然后，所述至少一个水回收部件可以收集水并使用所收集的水，以提高燃料电池的氧化还原反应的效率。

实际上，至少一个水回收部件可以通过至少一根管道与至少一个控制部件连接，所述至少一个控制部件用于调节被注入燃料电池的至少一个单个电池中并使电解质能够被润湿的水的流速。

在这样的情况下，然后将由燃料电池产生的水全部或部分地与外部空气一起注入所述至少一个单个电池。然后，所述至少一个控制部件可以精确地控制用于使电解质润湿的水的量。

有利地，所述至少一个水回收部件可以通过至少一根管道与用于监控燃料电池的至少一个单个电池产生的热量的至少一个监控装置连接，所述至少一个监控装置用于调节被喷射在至少一个单个电池上并使所述至少一个单个电池的外表面被浸湿的水的流速。

因此，燃料电池产生的水然后被喷射到所述至少一个单个电池上，并且用于监控所述至少一个单个电池产生的热量的所述至少一个监控装置可以精确地确定被喷射的水的量。来自旋翼或螺旋桨的涡流(wash)然后通过强制对流现象起作用以排出所述至少一个单个电池产生的热量。

此外，在本发明的另一个有利的实施方式中，无人飞行器包括用于管理被送至所述至少一个单个电池的燃料的流速的至少一个管理装置，所述至少一个管理装置用于改变由所述燃料电池输出的电流，以根据所述燃料流速的函数来控制至少一个电动机的旋转速度，所述至少一个管理装置设置在罐的下游并且在所述燃料电池的所述至少一个单个电池的上游。

这样的设置然后可以直接根据将燃料送至燃料电池的至少一个单个电池的速度来控制至少一个电动机的旋转速度。

附图说明

从下面通过举例的方式参照附图给出的例子的具体实施方式，本发明及其优点更清楚，其中：

图1是根据本发明的无人飞行器的第一变型例的局部截面图；

图2是根据本发明的无人飞行器的该第一变型例的局部平面图；

图3是根据本发明的无人飞行器的该第一变型例的局部立体图；

图4是根据本发明的无人飞行器的第一变型例的另一个无人飞行器的局部截面图；

图5是根据本发明的无人飞行器的第一变型例的另一个无人飞行器的局部截面图；

图6是示出根据本发明的无人飞行器的第一变型例的无人飞行器的操作的示意图；

图7是根据本发明的无人飞行器的第二变型例的立体图；

图8是根据本发明的无人飞行器的第三变型例的立体图；

图9是根据本发明的无人飞行器的该第三变型例的无人飞行器的立体图；以及

图10是根据本发明的无人飞行器的该第三变型例的另一个无人飞行器的正面图。

具体实施方式

因此，如上所述，本发明涉及一种无人飞行器或其上没有任何飞行员的飞行器。存在于示出多个无人飞行器变型例的多于一个不同的图中的元件可以在它们的每一个图中给予相同的附图标记。

因此，如图1所示，无人飞行器10具有用于驱动至少一个推力和/或升力旋翼8的旋转的电动机1。这样的电动机1与由燃料电池形成的电能源2电连接。

这样的燃料电池特别地包括燃料罐3和至少一个单个电池4，该单个电池4由形成阳极的第一电极5、形成阴极的第二电极6和设置在第一电极5和第二电极6之间的电解质26形成。

如图所示，至少一个单个电池形成在无人飞行器10的两个远距离点a和b之间延伸的第一结构元件14。并且，这样的结构元件14本身用于在两个相互间隔开的点a和b之间传递力和/或力矩。

在无人飞行器10的第一变型例中，该结构元件14由单独用于在无人飞行器10的点a和点b之间传递力和/或力矩的连接臂15形成。因此，这样的点a设置在连接臂15的靠近无人飞行器10的中心体16的第一端部处，而点b设置在连接臂15的靠近驱动旋翼8的旋转的电动机1的第二端部处。

如图2所示，这样的连接臂15可以具有开口49，该开口49通过使旋翼8移动的外部空气在顶面62和底面63之间穿过来使该外部空气冷却连接臂15。

如图3所示，无人飞行器10的罐3同样可以形成用于在两个相互间隔开的点c和d之间传递力和/或力矩的第二结构元件7。此外，这样的罐3可以包括整体式结构，上述各个连接臂15固定在该整体式结构上。

如图所示，无人飞行器10是多旋翼型的无人飞行器，每个旋翼8、18、28形成用于为无人飞行器10提供推力和/或升力的旋转翼。

如图4所示，这样的多旋翼型无人飞行器10可以具有电动机11，每个电动机11首先用于驱动旋翼8旋转，其次用于驱动气体压缩机51旋转以压缩外部空气。另外，这样的气体压缩机51通过至少一根管道与燃料电池的至少一个单个电池4连接，以优化燃料电池中发生的氧化还原反应的效率。

如图5所示，在无人飞行器10的第一变型例中，罐13可具有第一隔室9和第二隔室19，第一隔室9和第二隔室19相对于彼此密封和/或被分离的隔板分开。在这样的情况下，无人飞行器10还可以包括用于执行平衡的互连装置50，该平衡在需要时实现手动控制，或者一旦罐之间存在压力差或第一隔室9中的燃料量与第二隔室19中的燃料量不同时就实现自动控制。

此外，如上所述，这样的罐13还可以形成第二结构元件17，该第二结构元件17在点c和d之间延伸，并且使力和/或力矩能够在两个点c和d之间传递，例如，产生牵引、压缩、剪切、弯曲和/或扭转动作。另外，罐13可以承载航空电子设备和/或系统，或者甚至它可以用作要通过无人飞行器10运输的物体的支撑件。

利用图6中所示的操作原理，无人飞行器10可以包括用于控制将燃料注入至少一个单个电池4中的速度的管理装置56。电极5和6的端子输出所产生的电力，该电力可以通过转换器60进行转换，然后传输至速度控制器61，以便为电动机11供电。这样，管理装置56用于基于将燃料注入单个电池4中的速度来控制旋翼8的旋转速度。

另外，这样的无人飞行器10还可以包括用于回收由燃料电池的氧化还原反应产生的水的水回收部件53。

有利地，这种回收的水可以首先被带到控制部件52以与压缩空气一起通过气体压缩机51注入单个电池4中，其次可以被输送至用于在燃料电池的使用过程中监控由单个电池4产生的热量的监控装置54。

因此，控制部件52用于用水润湿单个电池4的电解质26，而监控装置用于调节将水喷射到这样的单个电池4的外表面55上的速度。然后产生水滴，并使用由旋翼8产生的下游空气流喷射该水滴。通过这种方式使用由氧化还原反应产生的水对于提高产生的电力的效率并因此提高利用这样的电能源所获得的航程而言特别有利。

如图7所示，无人飞行器20的第二变型例也可以具有流线型区域21，其中多个框架22被形成机身的壳体覆盖。另外，框架22沿长度方向l大体相互平行地设置，例如长度方向l可以平行于无人飞行器20的侧倾轴线(rollaxis)。

各个框架22还通过杆(纵梁)25相互连接，该杆25用于将它们相对于彼此保持到位。

另外，这样的框架22和/或这样的杆25适合于在两个点a和b之间形成结构元件24，并且它们也可以例如与上面参照第一无人飞行器变型例10限定的其他结构元件14组合。这样的结构元件14通常被称为“堆叠物(stacks)”。

在无人飞行器第三变型例30中，如图8和图9所示，这样的无人飞行器30可具有固定翼31。在这样的情况下，电动机1用于驱动螺旋桨8旋转以推动无人飞行器30。

那么这样的固定翼31可以包括两个半翼35和36，它们通过形成结构元件34的全部或一部分的连接部件32刚性地连接在一起。具体而言，如上所述，这样的结构元件34同样可以很好地取代通过大体平行于长度方向l’延伸的杆(翼梁)互连的框架22’或肋条，或者集成在该框架22’或肋条中。

如图9所示，无人飞行器30还可以具有罐23，每个罐23设置在框架22’之间。另外，这样的罐23可以形成第二结构元件27，该第二结构元件27在两个相互远离的点c和d之间延伸，并且同样独自用于在这两个点c和d之间传递力和/或力矩。

在这样的情况下，这样的能量源2包括既形成第一结构元件34也形成第二结构元件27的单个电池4，例如该第一结构元件34由框架22’或肋条、杆25’和/或连接部件32构成，该第二结构元件27由直接固定到各个框架22’和/或杆25’上的罐23构成。

在图10所示的无人飞行器第四变型例中，这种无人飞行器40可具有将两个半翼45和46连接在一起的连接部件42。这种连接部件42也由分别设置在相互平行的不同框架22’之间的多个区段构成。

另外，这种连接部件42与框架22’一起用于形成在点a和b之间延伸的第一结构元件44。另外，这种连接部件42可以完全或部分地由燃料罐组成，例如，燃料罐由诸如聚二唑(polyoxadiozole，pod)的聚合物材料制成。另外，每个连接部件42可以形成在两个框架22’之间延伸的整体式组件。在该无人飞行器第四变型例40中，还可以在第一结构元件44下方设置另外的燃料罐33，而不构成无人飞行器40的第二结构元件。

当然，对于本发明的实现，本发明可以进行多种变化。尽管描述了多个实施方式，但是可以容易地理解，不可能想到详尽地识别所有可能的实施方式。当然，在不超出本发明的范围的情况下可以想到通过等同装置取代所描述的任何装置。