一种上反梯形升浮一体飞行器的制作方法

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种上反梯形升浮一体飞行器。

背景技术：

近几年来，不断兴起的无人飞行器因其具有的成本低、易操作、具有高度灵活性和可以超低空飞行等特点越来越受到各行各业的广泛使用，现有的大多数无人飞行器主要应用于科学研究、地理探测、农业植保、安防监视及视频拍摄等领域。

以飞艇为代表的传统浮空器具有留空时间长，安全性能好，燃料消耗率低等特点，在空中运输、通讯中继等民用领域和海岸监控、空中预警等军用领域都有着广泛的用途。但传统浮空器主要依靠内部充满比空气轻的气体产生浮力升空，其升力与飞行器体积大小成正比，为了增加载荷，就必须增大飞行器的尺寸，在空气密度较小的平流层尤其如此；而过大的尺寸往往会增大飞行阻力，降低运动速度，甚至超过囊体材料张力的极限。本实用新型人之前申请的专利号为2015105557995的实用新型专利，在实际制作和试飞过程中发现，该结构的升浮一体飞行器，存在抗风能力差和工程实现难的问题，必须对原方案进行重新设计。为此实用新型了一种上反梯形升浮一体飞行器。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种上反梯形升浮一体飞行器，该飞行器的气动效率、飞行稳定性、结构强度和抗风能力等均有较大的提高。适用于在低空、平流层等多种空域执行多种任务,可根据用户任务和方便性需要，选择对机体充氦气或者充空气。

本实用新型通过以下技术方案加以实现：

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于飞行器包括机体、设置在机体上的动力系统，所述机体具有头部和尾部，所述头部设置有设备前仓，尾部设置有尾部发动机仓盒，俯视状态下，头部为平头状，尾部外端采用前掠的类上反梯形状，所述机体通过八片或多片涂胶布热合焊接而成，机体内部空间采用横向拉筋结构形成机体翼型，所述机体的中间设置有上下贯通的上反梯形空巢作为容纳载荷的空间。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述机体采用双层材料制作而成，外层材料采用弹性和伸展性较小且强度较好的轻质材料；内层采用弹性较大的气密材料，外层材料通过内层材料补片穿杆再通过外层的开口孔固定。该设置可有效提高机体的整体平整度和抗刺穿强度以及解决机体空巢处的凹陷问题。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述动力系统包括安装在机体尾部和前部的发动机，安装奇数发动机的机体尾部中间为向前的凹弧形，安装偶数发动机的机体尾部中间为平直后缘。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述机体纵向截面采用相对厚度较大同时较高效的翼型mt722。该翼型可有效增大飞行器内部容积，进一步提高静浮力。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述设备前仓形状为翼型前缘形状，尾部发动机仓盒形状接近与翼型后缘共形。使用设备前仓和尾部发动机仓盒，进一步矫正非刚性机体因机体充气和运动时变形造成的翼型失真。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述机体尾部的后缘左右外部安装有两端前凸的升降舵/副翼混合控制舵面。该设置可降低厚翼机体对飞行器尾部升降舵/副翼气动效率的影响，进而提高舵面效率。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述上反梯形空巢由竖起的立体可折叠刚性桁架结构形成，该桁架结构包括上支撑架和下支撑架，所述上支撑架和下支撑架之间可拆卸设置有纵向支撑架，所述上支撑架和下支撑架均与机体可拆卸设置。上反梯形空巢的设置可以减低搭载任务荷载的阻力和其内部支撑架可有效加强机体抗变形能力。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于所述上反梯形空巢上部装有上盖板，下部装有下仓斗。上盖板和下仓斗的设置，便于装卸货物和任务载荷并保持机体外形的完整性。

所述的一种上反梯形升浮一体飞行器，其特征在于安装偶数发动机的机型安装有单垂尾及方向舵，尾部中间安装有一片或两片式升降舵；安装奇数发动机的机型尾部安装有双垂尾，水平尾翼和升降舵位于双垂尾之间。

本实用新型结构新颖、设计合理，各结构部件的配合设置，可提高升浮阻比、抗风能力；横向拉筋的设置，在减轻机体重量、增加机体结构强度的同时，还可简化工程实现工艺。

附图说明

图1为本实用新型双垂尾机体的整体结构示意图；

图2为图1不同侧面的结构示意图；

图3为本实用新型单垂尾机体的结构示意图；

图4为图3不同侧面的结构示意图；

图5-图6为部分内部结构示意图；

图7为机体外层展开结构图；

图8为机体内层展开结构图；

图9-图10为横向拉筋设置在机体上的结构示意图；

图11-图12为桁架结构示意图；

图13-图14扩展机型不同方向上的结构示意图

图15为气流附着在常规三角翼上的原理图；

图16为切头后气流附着在三角翼上的原理图；

图17为较厚翼型的飞行器在大仰角状态下的飞行状态图；

图18-图19为飞行器在40°迎角时的飞行状态图；

图20为机体内外层材料连接结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型做进一步详细描述，并给出具体实施方式。

本实用新型一种上反梯形升浮一体飞行器，其整体机构见图1-图4，包括机体、设置在机体上的动力系统，机体具有头部和尾部，所述头部设置有设备前仓，尾部设置有尾部发动机仓盒，机体1俯视形状采用平头，且尾部外端前掠的上反梯形机体形状，机体1正视形状采用两侧上反设计，见图2和图4；安装奇数发动机的机体尾部中间有向前的凹弧形，见图1和图2，安装偶数发动机的机体尾部中间为平直后缘，见图3和图4；机体纵向截面采用相对厚度较大同时较高效的翼型mt722，见图2和图4，加大了空气动升力与静浮力的比例，提高了飞行速度，飞行稳定性和抗风能力，并且降低了阻力；设备前仓形状与翼型前缘共形，尾部发动机仓盒形状与翼型后缘共形，使用设备前仓2和尾部发动机仓盒3，矫正非刚性机体因机体充气和运动时变形造成的翼型失真，设备任务前仓形状为翼型前缘形状并安装于机体前端，尾部发动机仓形状为接近翼型后缘形状并安装于机体尾部；因厚翼型机体对飞行器尾部升降舵/副翼气动效率影响较大，为提高舵面效率尾缘左右外部安装有两端前凸的升降舵/副翼混合控制舵面7，见图2和图4。安装偶数发动机的机型安装有单垂尾及方向舵，尾部中间安装有一片或两片式升降舵。安装奇数发动机的机型尾部安装有双垂尾，水平尾翼和升降舵位于双垂尾之间。

如图5-6所示，为了减低搭载任务载荷的阻力和加强机体抗变形能力，机体中间有上下贯通的内部梯形空巢5作为容纳载荷的空间，见图5和图6，并采用新的中间竖起的立体可折叠刚性桁架结构增强整机刚性，见图10-12，为提高机体的平整度和抗刺穿强度以及解决机体空巢5处的凹陷问题，机体由双层不同材料组成，机体外层采用弹性和伸展性较小并且强度较好的轻质材料，内层选用弹性较大的气密材料，见图6至图10。

为了简化机体成型工艺，机体翼形的形成采用横向拉筋4结构方式，机体外形采用八片或多片涂胶布热合焊接而成，见图8至图10，机体的中间设置有上下贯通的上反梯形空巢作为容纳载荷的空间，上反梯形空巢5由竖起的立体可折叠刚性桁架结构形成，该桁架结构包括上支撑架8和下支撑架9，上支撑架8和下支撑架9之间可拆卸设置有纵向支撑架10，上支撑架8和下支撑架9均与机体可拆卸设置。为了便于装卸货物和任务载荷并保持机体外形完整性，空巢5上部装有上盖板11，下部装有下仓斗12。

为了适应不同层次用户和不同应用场景，上反梯形升浮一体飞行器采用模块化设计理念，形成大部分模块可通用互换的系列化扩展机型，见图13至图14，包括在充气机体装上船型底盘16形成两栖机型，在升浮一体飞行器后缘安装横流风扇17进一步提高气动升力，尤其可显著改善在大迎角情况下上翼面的气流分离现象等。

升浮一体飞行器是一种将运动时的气动升力和空气静浮力相结合的一种混合飞行器。为了使飞行器在具有较强动升力效果的同时具有尽可能大的产生静浮力的机体内部容积，进而获得相较于传统飞艇较小体积以及相较于固定翼更好低速飞行性能的较优整体升力效果，在机体和整体气动外形设计上既要兼顾有较好的气动性能的同时，机体又要有较大的机体表面容积率。经过cfd仿真模拟和计算以及实际试飞，并综合考虑提高结构强度重量比以及简化实际加工工艺等方面要求，在此基础上进行系统优化设计，提出了俯视形状采用平头，且尾部外端前掠的机体形状设计方案。整体形状如图1和图3。

机体选型

为了提高飞行器的容积率，飞行器采用升力体（机身和机翼为一体）方案并采用厚翼型mt722。为了保证机体的动升力性能，需要尽可能提高翼型沿展向的完整性，同时也为了用尽可能少的材料片数结合成机体形状，为此将机体俯视形状做成平头（见图1和图3）。由于整个mt722翼型升力体机体后部较薄，导致垂直横截面方向刚性较差，容易产生机翼两端上下摆动，为此机体后缘采用前掠设计，以在机体后部形成一个三角形刚性支架安装加固区域。（见图1，图2，图3，图4和图11）。机体和刚性支架采用补片固定。整个机体形成一个上反梯形形状。这样同时还带来了提高机体表面容积率的好处，可在提高浮力的同时减小所用材料的面积，进而减轻机体重量。

上反平头升浮一体机体形状对提高气动性能方面的原理：

上反平头升浮一体机体形状实际上类似于切头（根）三角翼，切根三角翼所具备的在较低速情况下升阻比较三角翼为好的原理，在此也适合。

为什么三角翼切根（头）后，亚音速状态的升阻比还有所提高呢，这要从三角翼的特征说起。三角翼下面的气流在压力之下向上表面翻滚，形成很多弱涡束。在不大的迎角下，就产生了前缘气流分离。如果气流附着在前缘，那会产生前缘吸力，相当于降低了阻力。但是三角翼由于很容易发生前缘气流分离，这实际上降低了前缘吸力，增大了阻力。而且前缘气流分离涡还产生很大的诱导阻力，这也是三角翼的不利的一面，如图15。

要解决三角翼亚音速诱导阻力大，升阻比较低的问题。一个手段是固定扭转，改善其压力展向分布（如j10）。二是配置前缘襟翼和后缘襟翼，让机翼成为变弯曲度机翼。这两个办法对于柔性机体的加工成型难度较大，不能采用。

第三个办法就是切根(切头)了。通过减小根部（头部）后掠角，推迟分离发生，而保持前缘吸力，降低阻力。进而就可提高其巡航升阻比，如图16。可见中间区域沿展向保持了完整翼型形状，气流通过此区域可产生较好的升力效果。此外采用外部上反设计在获得较好的横滚稳定性的同时减小了两端机翼的厚度，对进一步减小诱导阻力更为有利。同时还带来了提高机体表面容积率的好处，可在提高浮力的同时减小所用材料的面积，进而减轻机体重量。

机体成形:

要保证柔性机体形成良好的气动外形，是一件比较困难的工作。选用上反梯形形状，大大简化了成形加工难度。机体气密表面由8片气密材料焊接而成，见图8，b3与b1焊接，a2与a1焊接，a1与b1前部或尾部焊接，在上下焊接完对应拉筋4后，c1分别与a2和b3焊接，最后焊接尾部或前部封口。

要形成良好的气动外形，除了机体形状以外，还要能用尽量少的柔性材料制作出机体截面符合选定的翼型形状更为关键。这里采用内部拉筋4的方法来实现机体截面的翼型形状见图10。但是柔性机体充气后会趋向球形形状，拉筋少，机体凸起的球面就会变大，失真变形就大，如果拉筋过密又会增加重量，此外拉筋的排列疏密以及方向都会影响机体截面成形。

这里采用了“非支配排序算法（nsga_ii）”来优化翼型加工成型的实现方法。

可充气机翼的初始结构建模

首先，相邻两个拉筋之间的区域定义为一个单元，设定拉筋4单元数为n，

在二维平面参考系中给出每个园中心的初始水平坐标值，其中坐标原点设置在翼型轮廓的最前缘，然后，根据圆弧与翼型基线之间的切线位置关系，可以计算出纵坐标和半径值，

然而，初始圆心的坐标值被限度在一个限制范围内，使得两个具有切线关系的相邻园可以明确地相交，并且这些园尽可能地覆盖充气翼型剖面的面积。

两端前凸的升降舵/副翼混合控制舵面

由于为了提高容积率，机体采用了较厚翼型。较厚翼型会对尾部产生遮挡，尤其是在较大迎角飞行时，大弦长升力体（机翼）会产生气流分离现象，这些因素都会极大地降低升降舵/副翼混合控制舵面2的控制效率，见图17。

采用两端前凸的升降舵/副翼混合控制舵面，将其两端伸长至机体左右两端外部，使舵面直接面对气流，显著提高了控制效率参见图16和图7。同时前凸的舵面也起到了配平舵面控制力矩的作用。

机体中部载荷仓设计与实现

为了减低搭载任务载荷的阻力和加强机体抗变形能力，分散载荷对机体的作用力，将只是机体底部承载变为上下同时承载载荷作用力。机体中间有上下贯通的内部梯形空巢作为容纳载荷的空间，见图5,图6和图10，并采用新的中间竖起的立体可快拆刚性桁架结构增强整机刚性，见图11和图12，为了便于装卸货物和任务载荷并保持机体外形完整性，空巢上部装有上盖板11，下部装有下仓斗12。

升浮一体飞行器的一个优势就是以相同功率的动力可实现较大的载荷，如果较大的载荷都采用外挂或装载于专门设计的外挂箱内，势必会破坏整个机体的气动外形，导致阻力大幅度增加，升力大幅度降低，并且还会增加结构重量和加工成本。因此设计机体载荷空巢仓是非常必要的，虽然机体中间空巢会占用充气容积，但相比采用外挂方式带来的气动性能的损失对总体性能影响要小的多，并且在应用场景需要飞行高度较高时，空巢仓可作为预留安装副气囊的位置。

空巢设计成上小下大的梯形结构，见图5，图6，图8和图10，是因为上小可以尽量减小上部开口大而影响机体的上表面形状，下大可以尽量增大可搭载任务载荷的尺寸，同时梯形结构也有利于安装内部支架时更加稳固，支架参见图12和图13，可以起到以下作用：

1)可以作为载荷的承力结构，通过支架可以将载荷单纯作用于机体底部的力变为机体上下表面同时受力。

2)支架可以将整个机体的刚性支撑骨架，由二维变为三维，增加整个机体抗变形能力。

空巢由四块涂胶布相互焊接并再与机体焊接而成，支架与机体通过补片连接,见图8。机体由双层材料制成外层材料采用弹性和伸展性较小且强度较好的轻质材料；内层采用弹性较大的气密材料，外层材料通过内层材料补片穿杆再通过外层的开口孔固定，如图20所示。

在所述实用新型中采用了双层机体材料的方式来解决机体平整度，提高抗刺穿强度以及机体空巢处凹陷等问题，机体由双层不同材料组成，机体外层采用弹性较小的材料，内层选用弹性较大的气密材料，见图6至图10。

机体平整度问题

由前述可知，要形成机体的翼型形状，需要采用拉筋等方式来约束机体因充气而产生的变形，进而形成较为理想的机体（翼）翼型剖面，通过按照前述算法制作拉筋焊接在机身内，在尽量少用材料的情况下，可形成接近理想翼型的机体剖面形状，但机体表面难以根本消除波浪状的起伏，见图10，这种情况会导致机体阻力的增加。采用弹性，伸展性较小的轻质外部材料可以起到跨越凹陷的桥梁作用，使得机体变得平滑。

提高抗刺穿能力

升浮一体飞行器需要在机体内部保持一定压力的气体以保持一定的浮力和机体形状，如果机体发生撞击、剐蹭等情况时正好接触到尖锐物体，很可能导致机体穿孔或者撕裂，导致机体内部气体泄漏，导致浮力下降，外形改变，难以继续飞行甚至坠机。采用弹性，伸展性较小并且强度较好的轻质外部材料保护措施，将是非常有益的。

机体空巢处凹陷问题

如前述，本实用新型机体采用中间空巢设计，充气时空巢边缘会形成凹陷，见图10，这样会严重影响机体的翼型形状，进而造成气动性能变差。为此采用弹性，伸展性较小的轻质外部材料也可以起到跨越凹陷的桥梁作用。为了方便内部支架安装和对任务载荷的调试，外部机体材料开有两个孔。由于下部有刚性的舱盖，外部机体材料在空巢下部开有和空巢底部尺寸相同的孔。

外部机体材料与内部机体无直接连接，只是在支架连接内部机体的补片位置两端都开有一对孔，以便支架穿过，同时将内外层机体材料夹紧。

外部机体材料剪裁尺寸根据在一定气体压力下外部和内部机体材料的弹性和伸展性性能差异，确定外部机体材料的尺寸放大比例。

通过安装不同模块形成系列扩展机型

为了适应不同层次用户和不同应用场景，所述上反梯形升浮一体飞行器既可以充氦气也可以充空气，并且采用模块化设计理念，形成大部分模块可通用互换的系列化机型，见图13至图14。包括在充气机体装上船型底盘16形成两栖机型，在升浮一体飞行器后缘安装横流风扇17进一步提高气动升力，尤其可显著改善在大迎角情况下上翼面的气流分流现象等。

图18-图19展示了该飞行器在40°迎角时，嵌入式横流风扇关闭和打开两种情况下的流场分布情况，图18明显出现气流分离形成失速，而图19则未出现失速。

横流风扇已经应用于多个领域，如空调等，国外已经有应用横流风扇的飞行器，但还没有将横流风扇应用于升浮一体飞行器，见图13。

横流风扇于升浮一体飞行器的连接也可以同其他部件模块一样，先连接与支架然后支架通过补片与机体连接。

为因应海洋和北美大湖区等场景渔业和旅游业的需求，可在机体下部安装船型机舱盒，图13和图14，连接方式同其他部件，通过支架和补片连接到机体。由于机体本身为充气机体，因此水上的浮力很大，具备足够的安全浮力储备。