高空无人机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高空无人机。
[0002]本发明的领域特别涉及高空长航时无人机领域，简称为HALE(Haute AltitudeLongue Eudrance)无人机。
【背景技术】
[0003]无人机就一种无需飞行员驾驶的飞行器。很多无人机与飞机非常类似，且其驱动方式也与飞机相同。
[0004]无人机通常应用于军事目的和/或实现观测任务。因此，当无人机被派遣到所观测区域上空时，为了确保其能够完成任务，机上通常配备有拍摄设备以及图像传输设备。在已知的无人机中存在飞行航程超过10000米的，例如有些无人机的飞行航程已经达到20000米，并且能在空中持续飞行24小时以上，此外，其有效载荷能够按吨或几吨计。
[0005]除此之外，HALE无人机还可以应用于平流层平台。在此情况下无人机需要在高空飞行，既在平流层(海拔高度约在12到50公里之间)作业，且飞行器相对于地面保持固定，这就相当于一个地球同步卫星，不过其作业高度比同步卫星低很多。这类无人机适合进行持续几周甚至几个月的作业。它可以在电话系统和图像(电视)的应用中，以及民用或军事地面观测中起到电信中继的作用。
[0006]然而，针对前文所述的应用领域的需求，目前尚没有一个解决方案能够提供有效载荷达到上百千克或几吨，并用以维持多天作业的无人机。
[0007]本发明的目的还在于，提出一种无人机，或一种平流层平台，其负载可以足够完成至少一个月时间的作业，以便完成诸如观测或电信中继的任务。
【发明内容】
[0008]鉴于上述需求，本项发明设置了一种无人机，其构成如下:
[0009]-两个对转环形螺旋桨，双桨之间限定出水平赤道平面，
[0010]-螺旋桨驱动装置，
[0011]-安置在赤道平面下的负载，以及
[0012]-用来相对于赤道平面位置调节负载的装置，
[0013]本发明中，该无人机还包括了:
[0014]-上腔室，其充有相对密度小于1的气体或气体混合物，此腔室主要分布在赤道平面的上方，以及
[0015]-下腔室，其充有相对密度小大1的气体或气体混合物，此腔室主要分布在赤道平面的下方，并负载被放置在在此下腔室内部。
[0016]上述创新组合降低了无人机的能耗，使其能够在负载相对比较重的情况下完成时间较长的任务。充有轻质气体的腔室可以降低无人机的能耗，并维持无人机的状态和其负载在空中悬停的状态。其基本结构(对转环形螺旋桨，腔室的设置等)，可以帮助优化无人机实现其可在大气层中无需充电地持续多天作业。
[0017]在一个优选实施例中，无人机的结构非常简单和轻便，而效率丝毫没有降低。这里每个环形螺旋桨装有第一环形零件和第二环形零件，后者直径比前者长，还有用来连接第一和第二环形零件的一组叶片。为了保证构成螺旋桨的每组零件的坚固性，每片叶片都非常稳固地嵌在第一和第二环形零件中。
[0018]同样地，出于简化结构的考虑，以及出于对无人机的重量和能源需求之间最优化的考虑，我们还可以在螺旋桨驱动装置上安装至少一个设置在在赤道平面内轴，这个轴由发动机回转驱动并配有齿轮，该齿轮与装配在两个环形螺旋桨各自桨上的齿条式结构相啮入口 ο
[0019]优选地，建议在无人机的驱动装置上安装至少一台电力发动机。尽管蓄电池的自重不轻，电力仍然是驱动的最优选能源，因为无人机设备可以利用太阳能电池板来充电，特别是在海拔较高的情况下。
[0020]可以预见的是，在一个优选实施例中，负载被悬挂在刚性摆锤上，该摆锤围绕着设置在赤道平面内的两个互相垂直的轴旋转驱动。通过操作摆锤，无人机进入“失衡”的状态，这种失衡状态可以帮助无人机在作业时移动方位。这个实施例的另一项优势为，有效载荷(可通过通信发送装置、观测设备或其他设备传送)可以在无人机执行移动指令时得到充分的运用。
[0021]举例来说，上腔室可以由可双向拉伸的聚乙烯对苯二甲酸酯材料(注册商标Mylar)构成，至于下腔室，通常建议用透明材料构成。
[0022]有一个合适的方式是，将两个腔室与无人机内的刚性结构，特别是指螺旋桨和螺旋桨驱动装置连接起来，这种方式轻便，可靠并且有效。这里会有一张近似球形的网将这两个腔室连接在一起，并且覆盖这两个腔室。因此，这个刚性结构的至少一部分会固定在两个腔室之间。
[0023]如果在无人机舱内使用电力能源，我们便可以将上腔室用光电池覆盖。同样可以将这种光电池安装到用来移动负载的设备上。还可以将光电池安装到蓄电池负载上。因此，太阳能电池板会被安装在距离蓄电池最近的地方，由此优化机体结构和无人机自身重量。
[0024]在实施例中有一个优化变更，在这个情况下，连接两个腔室的网围绕着每个腔室靠近赤道平面的部分，且每个腔室中不被网环绕的部分则是可以变形的。给两个腔室预留出可以变形的空间的目的是为了调节腔室内的压力。因为在飞行过程中，无人机时而受太阳照射(被加热)，时而飞到没有阳光的阴影处。而可变形的腔室可以更好地适应外界环境的变化。在这个更改的实施例中，为了控制腔室的变形，我们可以采用弹性收缩装置，将其固定安装在每个腔室的内部。
[0025]为了能够平衡两个腔室间的压力，我们可以采用诸如导管之类物品来实现上腔室内部空间与下腔室内部空间之间的连通。为了能够更好地控制每个腔室的压力，建议在导管上安装一个三通阀。
[0026]依据本发明，还有一个变化实施例可以用来提高无人机的空气动力。该实施例中下腔室有利地在相对于赤道平面的一侧形成一个明显呈圆锥形的区域。这样使得无人机也形成了一个阻力系数较小的空气动力形态。
【附图说明】
[0027]以下描述能够更清楚地展现本发明的细节和优势，请同时参考附图:
[0028]图1为根据本发明的第一实施例的无人机的透视图，
[0029]图2为图1中无人机的正视图，
[0030]图3为图1中无人机垂直中间平面的剖面视图，
[0031]图4为上述图中无人机的俯视图，
[0032]图5为无人机在第一配置中的第二实施例的无人机的透视图，
[0033]图6与上图类似，区别在于采用了第二配置，
[0034]图7为图5中无人机的正视图，
[0035]图8为图6中无人机的正视图，
[0036]图9和图10是与图3类似的剖面图，它们分别对应了图5中第一配置中的第二实施例，图6中第二配置中的第二实施例，
[0037]图11和图12则分别对应了图5第一配置中的第二实施例的俯视图，图6第二配置中的第二实施例的俯视图，
[0038]图13根据本发明的无人机的另一种实施例的正视图。
【具体实施方式】
[0039]图1至图4示出了了本发明的第一实施例，根据本发明的无人机包括上侧环形螺旋桨2，下侧环形螺旋桨4 (它们共同组成了两个对转的环形螺旋桨)，和上腔室6，下腔室8，以及驱动螺旋桨的机械装置。
[0040]这两个螺旋桨以被称为赤道平面的平面对称排列。在下面的描述，我们假设这个平面是水平的。除此之外，这两个螺旋桨互相平行放置。也就是说，沿着它们整个外围两个螺旋桨之间的间隔距离始终固定。
[0041]这两个螺旋桨呈现出相似的结构。在本发明一个优选实施例中，螺旋桨的结构非常简单。在这个优选实施例中，一个环形螺旋桨一方面包括了一组叶片10，另一方面包括内环形零件12和外环形零件14。
[0042]这组叶片10的形状例如可以是平的薄片。它们的朝向相对于水平面(或相对于赤道平面)倾斜，并且绕360°平均分布。在一个优选实施例中，每一片叶片的一端嵌在内环形零件12中，另一端嵌在外环形零件14中。
[0043]内环形零件12是一个环形零件，其截面成I形，具有非常高的刚性。I形的内芯例如明显地向垂直方向(既明显地与赤道平面垂直)伸展。
[0044]在这个实施例中，外环形零件14截面同样成I形，但这里I的内芯相对于水平面倾斜。在所列举的这个实施例中，两个外环形零件14 (每个螺旋桨设置有一个)，在剖面上(图3)，形成了一个尖端朝向螺旋的内部的V形。
[0045]借助四个均匀分布在螺旋桨周围的框架16，这两个螺旋桨才能得以固定在其位置上。每个框架16都以环形螺旋桨中心为圆心排列在一个径向垂直平面上(相对于环形螺旋桨的中心)。每个框架16呈边框形式，可采用例如切割型材制成，组装后形成上述边框以及一个在赤道平面上、位于两个螺旋桨之间的横梁。每个螺旋桨通过轴承支撑，轴承一部分位于赤道平面上，另一部分位于框架16的边框上。
[0046]上腔室6呈现近似于半球的形状，其直径比内环形零件12的直径略短一些。它例如由可双向拉伸的聚乙烯对苯二甲酸酯材料构成，该材料因注册商标Mylar而广为人知。
[0047]下腔室8的整体形状与上腔室6完全对称，它同样例如由Mylar (注册商标)材料构成。
[0048]这两个腔室是密封的，腔室中充有质量小于空气的气体，例如氢气或氦气。然而，需要注意的是，上腔室6仅仅充有气体，而下腔室8还装有一个有效载荷18，它被固定在在一个悬浮的摆锤20的一端，摆锤的机械原理将在下面阐述。
[0049]这两个腔室可以两两相连和/或与螺旋桨的驱动机械相连接。我们可以类如采用一张整体形状近似球形的网，将两个腔室相互固定。
[0050]同样地，可以设想到将上腔室6的内部空间与下腔室8的内部空间相连通。也可以采用一个穿越赤道平面的风向筒(此处未显示)。
[0051]如果我们需要的话，用简单的风向筒就足以使上腔室6与下腔室8的压力在任何情况下均保持一致。然而，更好的做法是允许一定压力差的存在并控制该压力差。因此，建议在风向筒中安装一个阀门，该阀门在一个位置时，可以平衡两个腔室内部的压力，而在另一个位置时，可以将两个腔室各自的内部空间隔离开来。还有另一种更优选的方式，那就是采用一个三通阀，该三通阀的第一个口与上腔室6的内部空间连通，另一个口与下腔室8的内部空间连通，而第三个口与外界连通。以这种方式，可以将上腔室6和/或下腔室8内部所含的一部分气体(例如氦气)排放到外界。特别在无人机在着陆时，经常会采用到这种方式。
[0052]螺旋桨的驱动机械包括安装在中心结构24上的四个发动机，这个中心结构在赤道平面内