基于卫星传能的临近空间太阳能无人机及其充能方法与流程

本发明属于航空航天总体设计，更具体地，涉及一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机及其充能方法。

背景技术：

1、近年来，随着全球能源供应日益紧张，太阳能等新型能源因其绿色环保的优势日益受到重视，其中临近空间太阳能无人机因其飞行高度高、留空时间长的特点逐步成为各国进行空天一体化研究的热点。该类无人机采用太阳能作为主要能量来源，白天利用太阳电池将吸收的光能转换为电能，维持正常飞行，同时将多余的能量储存为蓄电池的电能和高度势能。夜晚，再通过蓄电池的电能和降高度滑翔持续飞行。但受储能蓄电池能量密度的限制，现阶段太阳能无人机需采用“日间爬升储能、夜间降高释能”的典型高度剖面，通过高度调节满足持久飞行的需要，在这一过程中，其夜间巡航高度一般会降低至18km以下，尚不具备临近空间持久驻留的能力。

2、而随着卫星技术产业蓬勃发展，构建了高轨、中轨、低轨混合的相对完善的卫星体系，同时也带动了一系列新兴技术的发展，其中激光传能技术因其高传输功率密度、远距离能量传输能力和低电磁干扰的特点，在国内外开展了一系列研究。

3、基于此，如何将激光传能与临近空间太阳能无人机相结合，解决当前夜间能量不足导致飞行高度降低的问题，实现临近空间太阳能无人机持久驻空是未来研究的方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机及其充能方法，该无人机可在夜间接收卫星发射的激光，解决当前夜间能量不足导致飞行高度降低的问题，实现临近空间太阳能无人机持久驻空应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，包括：

3、机体结构，设置有一体化天线和激光反射器；

4、能源动力系统，设置在所述机体结构上；

5、导航定位模块，设置在所述机体结构上，飞机控制系统根据所述能源动力系统、所述一体化天线和所述导航定位模块的信息来调整所述机体结构的姿态。

6、可选地，所述一体化天线设置在所述机体结构的机翼的前缘位置，所述一体化天线包括左侧一体化天线、中部一体化天线和右侧一体化天线。

7、可选地，所述激光反射器设置在所述机体结构的机翼上，分别包括左侧激光反射器、中部激光反射器和右侧激光反射器。

8、可选地，所述左侧激光反射器、所述中部激光反射器和所述右侧激光反射器与所述左侧一体化天线、所述中部一体化天线和所述右侧一体化天线分别对应设置，对应的激光反射器和一体化天线设置在同一轴线上。

9、可选地，所述能源动力系统包括：

10、太阳能电池，设置在所述机体结构的机翼上，所述太阳能电池在所述机翼的上翼面上形成三组太阳能电池阵组，每组所述太阳能电池阵组的中心布置有所述激光反射器；

11、蓄电池，设置在所述机体结构上；

12、能源管理模块，与所述太阳能电池控制连接，所述能源管理模块监测和管理所述太阳能电池的电压功率状态，控制所述太阳能电池与所述蓄电池及动力模块进行能量调配传输。

13、可选地，所述动力模块包括电机和螺旋桨。

14、可选地，所述飞机控制系统包括飞机控制器，所述飞机控制器与舵面连接。

15、本发明还提供了一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机的充能方法，该充能方法利用上述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，该充能方法包括：

16、(1)飞机控制系统进入夜间激光充能模式；

17、(2)导航定位模块将无人机的位置信息发送给卫星激光发射平台，完成初步对准；

18、(3)位于中部的一体化天线将无人机的飞行姿态的信息发送给卫星激光发射平台，完成粗略瞄准；

19、(4)卫星激光发射平台打开激光，并瞄准位于中部的激光反射器发射激光；

20、(5)能源动力系统将激光能量转化为电能进行利用；

21、(6)能源管理模块将能源动力系统的状态参数发送给飞机控制系统；

22、(7)飞机控制系统根据接收到的能源动力系统的太阳能电池阵组的状态信息优化输出需要集中对准卫星激光发射平台的太阳能电池阵组，并将当下已经开启的一体化天线设置为静默状态，同步开启优化得到的太阳能电池阵组对应的一体化天线，通过优化得到更新后的一体化天线将无人机的飞行姿态信息发送给卫星激光发射平台，完成第二步粗略瞄准；

23、(8)卫星激光发射平台瞄准更新后的激光反射器发射激光；

24、(9)能源动力系统将激光能量转化为电能进行利用；

25、持续循环上述步骤(6)～(9)，直至无人机重新进入日间充能模式。

26、可选地，各个位置上的一体化天线、激光反射器、能源动力系统中的太阳能电池阵组进行协调匹配工作，根据太阳能电池的功率特征解算当下需开启激光对准的阵面。

27、可选地，当转化的电能不足时，能源动力系统将电能为能源动力系统中的动力模块进行供电，当转化的电能有结余时，能源动力系统启动自身充电。

28、本发明提供了一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机及其充能方法，其有益效果在于：

29、1、该无人机在现有太阳电池、蓄电池供电模式的基础上，结合无人机机翼大面积铺设太阳电池的特点，新增了利用天基卫星发射激光的能量来源模式，可为无人机夜间飞行提供能量输入，实现无人机在最大巡航高度的持续平飞；

30、2、该无人机采用一体化天线和激光反射器在机翼前缘分布布置的形式，一方面增大了天线发射面积，可更好地辅助激光对准，另一方面可根据太阳能电池的发电状态调整激光对准位置，使激光能量利用更加充分有效。

31、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述一体化天线设置在所述机体结构的机翼的前缘位置，所述一体化天线包括左侧一体化天线、中部一体化天线和右侧一体化天线。

3.根据权利要求2所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述激光反射器设置在所述机体结构的机翼上，分别包括左侧激光反射器、中部激光反射器和右侧激光反射器。

4.根据权利要求4所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述左侧激光反射器、所述中部激光反射器和所述右侧激光反射器与所述左侧一体化天线、所述中部一体化天线和所述右侧一体化天线分别对应设置，对应的激光反射器和一体化天线设置在同一轴线上。

5.根据权利要求1所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述能源动力系统包括：

6.根据权利要求5所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述动力模块包括电机和螺旋桨。

7.根据权利要求1所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，所述飞机控制系统包括飞机控制器，所述飞机控制器与舵面连接。

8.一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机的充能方法，该充能方法利用根据权利要求1-7所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机，其特征在于，该充能方法包括：

9.根据权利要求8所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机的充能方法，其特征在于，各个位置上的一体化天线、激光反射器、能源动力系统中的太阳能电池阵组进行协调匹配工作，根据太阳能电池阵组的功率特征解算当下需开启激光对准的阵面。

10.根据权利要求8所述的基于卫星传能的临近空间太阳能无人机的充能方法，其特征在于，当转化的电能不足时，能源动力系统将电能为能源动力系统中的动力模块进行供电，当转化的电能有结余时，能源动力系统启动自身充电。

技术总结
本发明公开了一种基于卫星传能的临近空间太阳能无人机及其充能方法，涉及航空航天总体设计技术领域，包括：机体结构，设置有一体化天线和激光反射器；能源动力系统，设置在机体结构上；导航定位模块，设置在机体结构上，飞机控制系统根据能源动力系统、一体化天线和导航定位模块的信息来调整机体结构的姿态；该无人机可在夜间接收卫星发射的激光，解决当前夜间能量不足导致飞行高度降低的问题，实现临近空间太阳能无人机持久驻空应用。

技术研发人员：车东霞,仪志胜,郭林,仲维国,李广佳
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5