一种碟形充气式飞行器及飞行控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及充气式飞行器制造领域，尤其涉及能够在空中长航时飞行的充气式飞行器制造领域。
【背景技术】
[0002]目前常见的飞行器按升力方式可分为固定翼飞行器、旋翼飞行器和气球式飞行器。
[0003]固定翼飞行器主要靠飞行过程中机翼产生升力来平衡飞行器自身的重力。固定翼飞行器具有飞行速度快、机动性强的优点。但其在某些特定场合的应用具有局限性，无法在空中悬停对某一固定目标进行长时间观察，同时固定翼飞机在飞行过程中需要消耗大量的燃料。
[0004]旋翼飞行器靠旋翼产生升力来平衡飞行器的重力，该飞行器通过旋翼的倾斜产生水平方向的分力以实现水平方向的运动。该飞行器机动性强，可实现在空中的悬停功能。但该类飞行器飞行过程中同样需要消耗大量的能源，飞行时间受到制约。
[0005]气球式飞行器靠气球内部的轻质气体相对于空气比重差产生的浮力平衡自身重力。气球式飞行器具有能长时间在空中悬停的优点，但该类飞行器机动性差，易受天气等因素的制约。
[0006]因此，市场迫切需要一种既能够节省能源消耗，又具有一定的机动能力的飞行器。
[0007]Multimax, Inc.公司于 2006 年申报一项名为“Hybrid unmanned vehicle forhigh altitude operat1ns”(可进行高度控制的混合动力无人机)的美国发明专利(美国专利号:US7341223B2)。该发明提出的无人机包括:具有空气动力学形状充装有轻质气体的气球装置，飞行主仓通过绳索连接悬停于气球装置下方，飞行主仓安置有水平驱动装置，该装置可在水平范围内做360度的旋转。该装置通过充装轻质气体的气球装置获得上升的动力，并通过水平移动飞行主仓位置使具有空气动力学形状的气球装置发生倾斜，以此进行飞行高度的控制。沿水平方向的飞行则通过水平驱动装置完成，飞行器飞行方向的控制则通过飞行主仓在水平面的旋转完成。该飞行器虽然可以实现长时间在空中的飞行，但其对于飞行高度的控制依赖于空气的流动，无法对飞行高度进行准确的控制。同时该飞行器的水平推进装置与包含控制装置、电池组、太阳能板、载荷等装置的飞行器主仓结合在一起，一方面由于主仓的重量影响水平驱动装置方向调节的灵活性，另一方面主仓的转动造成对飞行器载荷设备，如摄像机等设备的工作状态造成干扰。
[0008]Voss, Paul B 于 2004 年申报的一向名为 “System and method for altitudecontrol”(飞行高度控制的系统与方法)的美国发明专利。该发明提出一种对充装轻质气体气球飞行高度进行控制的系统与方法。该系统包括具有伸缩性的常压气球装置、非伸缩性的高压气球装置以及在常压气球与高压气球之间进行气体交换的气体交换装置。当气体交换装置的气阀开启将高压气球内的轻质气体释放到常压气球时，造成常压气球的体积膨胀使气球装置的浮力增加，从而可以控制气球装置向高处飞行。当气体交换装置的气栗启动，将常压气球内的轻质气体充入高压气球时，常压气球内的气体减少体积收缩，使气球的浮力减少，从而可以控制气球向低处飞行。该发明可以通过轻质气体交换装置对飞行器的高度进行精确控制。
[0009]以上飞行器中构成气球的薄膜具有伸缩性，不利于在其表面覆盖柔性太阳能电池板，同时气球的形状也不利于在空气中飞行时减少空气的阻力，以上第二种飞行器提供的实施例将气球内置在飞艇中，增加了飞行器的结构复杂程度。因此对于气球式飞行器需要一种既具有气球功能，又便于在其表面覆盖柔性太阳能电池板，还有利于减少空气中飞行阻力的气球式飞行器。
【发明内容】
[0010]基于现有技术存在的问题，本发明提出一种具有一定机动能力、能够长航时飞行的飞行器。该飞行器包括包括充装轻质气体的浮力装置、水平驱动装置、高压储气装置、气体交换装置、飞行器主仓。该飞行器利用充装轻质气体(如氢气、氦气等)的浮力装置获得克服飞行器自身重量的升力，利用气体交换装置在浮力装置与高压储气装置之间交换轻质气体对飞行器的飞行高度进行控制，并利用水平驱动装置产生的推力驱动飞行器做水平方向的运动，该飞行器飞行主仓内置有飞行器的控制装置、太阳能充电装置、电池装置以及载荷。与现有技术中在飞行器外壳中内置充装轻质气体的气球作为浮力装置的结构相比较，本发明采用一种更为简洁的技术方案:飞行器充装轻质气体的浮力装置由性质不同的两种膜(壳)构成，其中上层膜(由具一定柔性的薄膜构成)或上层壳(由相对刚性的硬质壳构成)具有固定的形状，或者说其不具有伸展性或伸缩性(这里的不具有伸展、伸缩性是相对概念，应忽略轻微不对产能造成影响的伸展性或伸缩性，如热胀冷缩导致的伸缩性)，以上性质便于上层膜或壳覆盖柔性太阳能电池板或直接由包含太阳能电池板的材料构成；与上层膜相比较，下层膜具明显的具形变特征，其形变特征可通过其具有的伸缩弹性或其具有的褶皱状构造的伸展闭合来实现。浮力装置由上层膜、下层膜边缘以热缝合、粘结等方式结合起来形成密闭的空腔构成。浮力装置通过下层膜的弹性伸缩或褶皱状构造的伸展改变浮力装置体积的大小，从而改变其所产生的升力，不具有伸展性或伸缩性的上层膜部分或全部覆盖有太阳能薄膜或直接由包含柔性太阳能电池的材料构成。
[0011]为实现上述浮力装置的结构，非弹性上层膜与具形变特征的下层膜边缘通过加热结合、粘结等方式形成环形的薄膜圈。在浮力装置周边的薄膜圈连接有起骨架作用的支撑环，支撑环通过向外均匀地扯动薄膜圈，以保持浮力装置形状的稳定性。该支撑环应具有足够的强度以维持浮力装置形态的稳定性。
[0012]为增加覆盖在浮力装置上层膜太阳能电池板的面积，并克服空气流动对浮力装置的影响，浮力装置的整体形状呈扁平圆盘状或碟状。浮力装置具伸缩弹性的下层薄膜在浮力装置内部气压处于低压时(处于未充满状态时)呈近似平面、稍微的凸出或凹入状的圆盘构造，而在浮力装置内部处于相对高压状态时(处于充满气体状态时)，下层薄膜处于向下凸出状圆盘构造。
[0013]浮力装置周边的支撑环连接飞行器支架，飞行器支架的下端为一竖轴。飞行器的水平驱动装置、飞行器主仓通过与飞行器支架的竖轴连接而与浮力装置结合在一起。水平驱动装置、飞行器主仓向下的重力使扁平状浮力装置保持水平姿态并具有一定的姿态稳定性。飞行器主仓内置控制装置、充电装置、蓄电装置、对外通讯装置、定位装置及载荷等。
[0014]水平驱动装置与飞行器支架的竖轴以动态方式连接，水平驱动装置内置的动力装置与控制电路控制水平驱动装置围绕竖轴在360度范围内做任意角度的独立旋转，以此控制飞行器沿水平的飞行方向。上述旋转机构可通过安装在支架下端竖轴上的转动轴承实现。
[0015]所述水平驱动装置位于浮力装置与飞行器主仓之间，便于水平驱动装置的着力点位于浮力装置与飞行器主仓的质点中心，从而保证飞行过程中浮力装置能够保持水平姿
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[0016]为消除飞行过程中空气流动对浮力装置姿态的影响，所述水平驱动装置进一步包括有相应的动力装置与控制电路，控制水平驱动装置沿竖轴在特定范围内进行纵向的移动，以此对水平驱动装置着力点的位置进行调整，从而控制飞行器在特定风速、特定水平飞行速度条件下的飞行姿态。
[0017]所述充气式飞行器的水平驱动装置可为旋翼推进装置，通过对旋翼转速的调整可对飞行器水平方向的飞行速度进行控制，也可通过对旋翼推进装置或旋翼角度的调整，对飞行器的飞行姿态进行某种程度的微调。水平驱动装置的旋翼数量可为一个或多个，当水平驱动