一种小型无动力临近空间球载无人机

本发明属于无人机，具体涉及一种小型无动力临近空间球载无人机。

背景技术：

1、临近空间成为各国纷纷抢占的“空天结合”军事战略制高点，也成为研究热点领域。临近空间一般指距离地面20km～100km的距离空间，此高度下大气环境相对稀薄，低速临近空间飞行器一般具有无人驾驶、亚声速飞行、续航能力强、信息获取处理能力强、载重大、飞行高度高等特点，主要用于探测、侦查、情报收集、通信等。在军事方面，临近空间飞行器，上接航天，下连航空，能够极大地拓展空天战场的范围与纵深，从而形成无缝的空天一体作战能力。在民用方面，临近空间飞行器可实现区域通信、环境监测、导航定位和数据采集等功能。

2、临空投放技术是随着高空气球技术应用而产生的新技术，为临近空间飞行器的工作模式提供了一种全新的选择。探空气球一般使用乳胶气球内充氢气或氮气，携带无线电探空仪升空，通过收集地面到30km高度垂直剖面的温度、湿度、大气压、风速、风向等气象参数来获取临近空间的原位数据。

3、近年来，国内外对于临近空间飞行器进行了大量的研究，但是现存的临近空间低速飞行器大多是中大型太阳能无人机和平流层飞艇，对于采用探空气球作为搭载平台的小型无动力无人机研究较少。

技术实现思路

1、针对上述的不足，本发明结合探空气球和高空无人机，提出一种小型无动力临近空间球载无人机，能够实现数据监测，通过使用小型无人机实现整体系统的轻量化。推动临近空间低速飞行器的研制开发、性能优化和工程实现。

2、一种小型无动力临近空间球载无人机，它包括探空气球、投放系统和小型无人机等。

3、探空气球为乳胶气球，它为全系统爬升提供所需要的浮力，实现全系统的爬升，也是无人机系统的搭载平台。

4、投放系统的主要作用是在地面挂载、升空过程中搭载无人机，在达到预定高度后，投放系统解除无人机的所有约束，释放无人机。

5、小型无动力无人机实现临近空间的数据采集和监测。

6、所述的探空气球内部填充氦气，在地面将探空气球与无人机连接在一起，探空气球直径约为2m、飞离地面20km～40km高度、升速约为5m/s～8m/s，探空气球上升到30km时自动爆裂，此时将释放无人机，探空气球下端采用绳索与投放系统相连。

7、所述的投放系统由投放架和柔性搭载绳索构成，投放架是无人机挂载过程中受力和传力部件，采用桁架结构形式，单根柔性绳索吊在投放架的下面并与无人机对应的吊挂点连接，无人机的吊挂点位于无人机质心处，限制无人机的摆动幅度。

8、所述的无人机包括机翼、尾翼和机身等部件。

9、无人机机身结构主要由碳纤维蒙皮、碳纤维棒、隔框和桁梁组成。

10、碳纤维蒙皮平滑的贴合在机身骨架上，可维持气动外形并保证具有足够的强度；碳纤维棒在机身内部连接机翼和尾翼；轻木材料的隔框主要支撑机身框架，维持机身外形，承受碳纤维蒙皮传递的气动力，保证足够的刚度；桁梁采用轻木材料，其作用是支撑碳纤维蒙皮，将碳纤维蒙皮上的部分气动力传递给隔框。

11、无人机的机翼是产生升力的主要部件，平飞无人机的升力计算公式为：

12、

13、式中：l1为无人机临近空间平飞时的升力，g为无人机重力，ρ1为临近空间大气密度，v为临近空间风速和巡航速度的总和，c1′为临近空间升力系数，s为无人机的机翼面积。

14、无人机在高空巡航速度较低，需要具有较大的升阻比，选择具有低雷诺数高升力特性的凹凸翼型。

15、根据无人机弦长公式，翼展长b为：

16、

17、式中：s为机翼面积，l为机翼平均弦长。

18、展弦比λ为：

19、

20、根据公式验证雷诺数和升阻比的数值。

21、雷诺数re的公式为：

22、

23、式中：ρ1为临近空间大气密度，v为临近空间风速和巡航速度的总和，l为机翼平均弦长，μ为临近空间大气粘度。

24、升阻比k′的计算公式为：

25、

26、式中：l1为机翼升力，d1为机翼阻力，c1′为升力系数，cd′为阻力系数。

27、无人机机翼的内部结构采用多梁式布局方式，由碳纤维蒙皮、翼肋、加强梁、桁条和翼梁等构成。

28、碳纤维蒙皮平滑的贴合在机翼骨架上，维持机翼的气动外形并保持表面光滑，承受扭矩并保证具有足够的强度；翼肋是机翼内部的主要部件，分为普通翼肋和加强翼肋，普通翼肋与桁条、翼梁和碳纤维蒙皮相连，加强翼肋位于机翼的翼根处，在普通翼肋的基础上进行加厚处理，同时作为与无人机机身相连的部件，可承受较大的载荷；翼肋是机翼的横向受力骨架，内部存在镂空结构，翼肋的材料为轻木，在保证强度条件下，减轻机翼的重量；翼肋之间采用提高翼肋和翼梁强度的等间距的轻木材料方形梁；碳纤维桁条主要支撑碳纤维蒙皮，提高碳纤维蒙皮的承受能力，将碳纤维蒙皮的气动力传递给翼肋；碳纤维翼梁贯穿翼肋，其作用是将翼肋连接，保证机翼形状和强度。

29、尾翼采用和机翼相同的布局方式，尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，同样由翼肋、翼梁、桁条和蒙皮构成，尾翼翼型选择对称翼型。

30、本发明具有以下有益效果：

31、(1)本发明的无动力球载无人机，能够实现获取温度、湿度、大气压、风速、风向等临近空间的气象参数原位数据，对于进一步探索临近空间的环境具有一定意义。

32、(2)本发明的无人机系统，采用常规的气动布局方式，由机翼、尾翼和机身构成，结构简单，可实现在临近空间大气密度较低的情况下仍能产生升力，并充分实现对于临近空间的数据采集和监测功能，提升了系统的机动性。

技术特征：

1.一种小型无动力临近空间球载无人机，它由探空气球、投放系统和小型无人机组成，其特征在于，探空气球为乳胶气球，实现全系统的爬升，是无人机系统的搭载平台；投放系统挂载、搭载无人机，达到预定高度后，释放无人机；小型无动力无人机实现临近空间的数据采集和监测；

技术总结本发明公开了一种小型无动力临近空间球载无人机，它由探空气球、投放系统和小型无人机构成。探空气球为乳胶气球，直径为2m，内部填充氦气，提供整个系统爬升过程需要的浮力，在上升到临近空间30km时探空气球爆裂，释放无人机；投放系统由投放架和柔性搭载绳索构成，无人机的吊挂点位于质心处，限制无人机的摆动幅度；小型无动力无人机结构由机翼、尾翼和机身构成，实现临近空间的数据采集和监测。本发明的无动力球载无人机，提高了无人机系统的机动性，同时能够实现获取临近空间的原位数据，对于进一步探索临近空间的环境具有一定的意义。技术研发人员：裴畅贵,杨钧烽,杨烽熠,原泽坤,胡雄,郭张霞,王大为,陈佳豪,周小智受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18