一种一体化无人机机翼的制作方法

本发明涉及航空航天工程结构技术领域，特别是指一种一体化无人机机翼。

背景技术：

氢能源是公认的清洁能源，相较于传统的化石能源具有质量能量密度高，无污染，利用率高等优点，是未来飞行器最具潜力能源发展的方向之一，氢热值高达143MJ/kg，是碳氢燃料的近3倍、锂电池的240倍，是所有化学能源比能量的理论上限。在携带相同质量燃料的情况下，氢能源飞行器续航时间可达碳氢燃料飞行器的3倍，或者在续航时间不变的前提下，减少飞行器的燃料携带量，增加有效载荷重量，适应多元化的任务需求。

通常条件下，氢的密度很小(气态下为0.0899g/L，液态时为70.8kg/m3)，为了提高气体燃料存储的质量效率，多采用两种方式，其一是气体液化存储，并采用高效的绝热技术尽量减少液态燃料与外界的热交换，使其长期保持在极低温的环境中，同时储箱还要承受微量漏热导致的液化气体蒸发气化所产生的压力。其二是高压气态存储，典型的存储压力都在15MPa以上，目前最高存储压力可达70MPa-100MPa。可以看出，这两种存储方式都要求储罐强度高以及具有严格的气密性，从而带来较大的结构重量，使得燃料存储的质量效率难以提高。

可以看出，在飞行器上无论是以高压气氢的方式存储，还是以液氢的方式存储都需要质量大，体积大的燃料储罐，从而会在飞机内部占据很大的空间，导致氢能源飞机机身较传统能源飞机机身直径大，迎面阻力增大。同时，燃料储罐的耐压结构需要付出很大的质量代价。因此，无论从耐压储罐本身的质量考虑，还是从阻力的增大考虑，都减小了氢能源带来的实际收益。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种一体化无人机机翼，能够提高气体燃料飞行器的燃料存储质量效率，降低无人机的结构重量系数。

基于上述目的本发明提供一体化无人机机翼，包括高压燃料储罐、蒙皮、翼肋以及后墙；所述的高压燃料储罐中存储有氢气和氧气，用于为整个飞机提供燃料；所述的蒙皮包裹住所述高压燃料储罐、所述翼肋以及所述后墙构建所述一体化无人机机翼的骨架。

在本发明的一些实施例中，包括两个以上的所述翼肋，并且每个所述翼肋之间互相平行且具有间隔的排列；

所述一体化无人机机翼中将两个以上高压燃料储罐串联设置成一列，所述每列高压燃料储罐依次穿过每个所述翼肋，所述后墙依次穿过每个所述翼肋的后端部。

在本发明的一些实施例中，还包括桁条，并且与所述高压燃料储罐平行布置的所述桁条依次卡扣在每个所述翼肋上。

在本发明的一些实施例中，所述的桁条设计为：在翼肋上下对应的按照对称的形式布置有两个桁条，即是一根桁条依次卡扣在每个翼肋的上表面上，上下对称的另一根桁条依次卡扣在每个翼肋的下表面上；

并且，上下对称布置的两个桁条与相邻的上下对称布置的两个桁条的间距根据所述蒙皮的失稳临界应力来确定。

在本发明的一些实施例中，在所述翼肋上设计有减重孔，设计在结构高度不大且具有强度余量的位置，同时用于为所述飞机机翼内部线路铺设提供空间。

在本发明的一些实施例中，在所述翼肋上设计有储罐装配孔，用于高压燃料储罐的装配定位基准，同时减轻翼肋的结构重量。

在本发明的一些实施例中，所述储罐装配孔为利用所述翼肋的结构高度设计大直径装配孔，用于获得较大容积的所述高压燃料储罐。

在本发明的一些实施例中，所述高压燃料储罐包括储罐壁、连接耳片、进气口以及出气口；其中，两两高压燃料储罐之间的连接通过所述连接耳片实现，并且所述储罐壁头部布置2-6个连接耳片，所述储罐壁尾部布置2-6个连接耳片；并且，一个高压燃料储罐的所述储罐壁头部的连接耳片与另一个高压燃料储罐的所述储罐壁尾部的连接耳片相互嵌入，最后在连接耳片上打孔，通过连接螺栓实现牢固连接；

另外，高压燃料储罐的进气口作为地面充装气态燃料的入口使用，高压燃料储罐的出气口作为燃料的供给出口使用；每个高压燃料储罐外加装气体输送管路，从所述出气口引出，再把这些单个气体输送管路的另一端连接到气体输送总管路上，由气体输送总管路向无人飞机上的燃料电池提供燃料。

在本发明的一些实施例中，若所述高压燃料储罐应用于高空，则分为氢气储罐与氧气储罐，且根据不同情况的需要可以设置氢气储罐与氧气储罐的体积比；若所述高压燃料储罐应用于中低空，则全部是氢气储罐。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种一体化无人机机翼，通过高压燃料储罐中存储有氢气和氧气，用于为整个飞机提供燃料；蒙皮包裹住所述高压燃料储罐、所述翼肋以及所述后墙构建所述一体化无人机机翼的骨架。从而，本发明能够实现减小机翼结构重量的目的，且增大了无人机的燃油系数(燃料重量/整机重量)，间接地提高了燃料存储质量效率。

附图说明

图1为本发明实施例中一体化无人机机翼的结构示意图；

图2为本发明实施例中带蒙皮的一体化无人机机翼的结构示意图；

图3为本发明实施例中所述一体化无人机机翼应用于中低空的结构示意图；

图4为本发明一个实施例中所述一体化无人机机翼应用于高空的结构示意图；

图5为本发明一个实施例中所述一体化无人机机翼应用于高空的结构示意图；

图6为本发明实施例中高压燃料储罐的结构示意图；

图7为本发明实施例中两个高压燃料储罐连接处的结构放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参阅图1和2所示，为本发明实施例中一体化无人机机翼的结构示意图，所述一体化无人机机翼是将飞机的高压燃料储罐布置在飞机机翼内部，也就是说可以利用飞机的高压燃料储罐的结构作为飞机机翼的主承力结构，本发明利用高压储罐取代了原有机翼翼梁的结构功能。具体的实施包括：

所述一体化无人机机翼包括高压燃料储罐1、蒙皮2、翼肋4以及后墙5。其中，所述的高压燃料储罐1中存储有氢气和氧气，可以用于为整个飞机提供燃料。在一个实施例中，所述的无人机采用氢氧燃料电池供电，高压燃料储罐1分为氢气储罐和氧气储罐，用于供给燃料电池发电所需的燃料。其中，氢气与氧气可以根据不同情况的需要可以设置氢气储罐与氧气储罐的体积比。在优选地实施例中，所述无人机在高空飞翔时，由于高空大气中氧气含量稀薄，所以高压燃料储罐1分为氢气储罐和氧气储罐，这可以通过控制燃料储罐的直径以及弦向排布数量来实现。当所述无人机在中低空飞翔时，由于中低空大气中氧气含量较为充足，可作为燃料电池氧气来源，此时所有的高压燃料储罐1均为氢气储罐。因此，确定所述无人机是应用于什么场合，如果应用于高空，则储罐分为氢气储罐与氧气储罐，按用户需求进行容积分配，如果是应用于中低空则全部是氢气储罐。

作为一个可参考的实施例，如图3所示，所述一体化无人机机翼应用于中低空，可以利用空气中的氧气作为燃料电池反应的氧气源，高压燃料储罐1全部是氢气储罐。

作为另一个可参考的实施例，所述一体化无人机机翼应用于高空，根据充装燃料需求对两种储罐进行设计，具体可为根据氢氧燃料使用比例、燃料电池入口处燃料流量以及飞行器的续航时间计算得所需携带的氢氧燃料体积。如图4所示，为氢氧燃料体积比为2:1。如图5所示，为氢氧燃料体积比为3:2。

所述的蒙皮2包裹住所述的高压燃料储罐1、翼肋4以及后墙5，即高压储罐1、翼肋4以及后墙5构建所述一体化无人机机翼的骨架，并且被该蒙皮2包裹。从而，能够进一步维持所述基于高压燃料储罐的飞机机翼的气动外形，同时这种骨架结构也可以避免蒙皮2在承受气动载荷时产生较大的变形。其具体的结构可以为：

包括两个以上的翼肋4，并且每个翼肋4之间互相平行且具有间隔的排列。所述的高压燃料储罐1依次穿过每个翼肋4，同时，后墙5依次穿过每个翼肋4的后端部。优选地，由于所述一体化无人机机翼后缘有可偏转的气动舵面，因此在翼肋4的后端部上设置有后墙5，作用是传递布置在机翼后缘的气动舵面的集中力。更进一步地，翼肋的后端与无人飞机副翼的连接处安装所述的后墙5。在实施例中采用的是普通翼肋，当然也可以采用加强翼肋，加强翼肋除了有普通翼肋的功用外，还作为无人飞机构件的局部加强构件，承受较大的集中载荷和悬挂外挂部件。例如：飞机机翼与机身连接处为了具有更为稳定的结构，所述翼肋采用加强翼肋。

作为本发明的另一个实施例，所述一体化无人机机翼还可以包括桁条3，而桁条3与所述高压燃料储罐1平行放置，并且卡扣在每个翼肋4上，作用是将蒙皮承受的分布气动力传递到翼肋上去。

也就是说，在该实施例中所述的一体化无人机机翼包括沿展向布置的高压燃料储罐1，并且具有一定截面形状的桁条3和用以承受副翼传递的集中载荷的后墙5以及沿弦向布置的用以维持机翼剖面形状的翼肋4，在整体骨架结构外包覆蒙皮2以形成良好的气动外形。

较佳地，所述的桁条3设计为：在翼肋4上下对应的按照对称的形式布置有两个桁条3，即是一根桁条3依次卡扣在每个翼肋4的上表面上，上下对称的另一根桁条3依次卡扣在每个翼肋4的下表面上。较佳地，所述的桁条3呈“7”字型，可以将“7”字型的内凹处卡扣于翼肋4的端角。更进一步地，上下对称布置的两个桁条3与相邻的上下对称布置的两个桁条3的间距是根据蒙皮2的失稳临界应力来确定。优选地，在翼肋4的上下表面上会留有供桁条3安装以及通过的桁条缺口，桁条3的安装位置就定位在翼肋4上的桁条缺口处。

作为本发明另一个较佳地实施例，在所述一体化无人机机翼中可以将两个以上高压燃料储罐1串联设置成一列，同时串联的高压燃料储罐1互相连接。即每两个高压燃料储罐1之间相互连接,可以实现气体燃料在储罐中的均匀分布，连接之后总的供氢或者供氧可以以一根总管路实现，避免冗余重量。更进一步地，如果在所述一体化无人机机翼中采用单列高压燃料储罐的形式，那么该列高压燃料储罐依次穿过每个机翼截面的气动焦点。如果在所述一体化无人机机翼中采用多列高压燃料储罐的形式，那么每列高压燃料储罐尽可能地布置在机翼截面气动焦点连线附近位置上。

优选地，所述的飞机燃料储罐布置在飞机机翼内部，可根据燃料的携带要求设定沿展向布置的储罐列数。在一个实施例中(如图1中所示)所述一体化无人机机翼设置有两列串联的高压燃料储罐1，并且每列串联三个高压储罐1。参阅图2所示，为本发明实施例中高压燃料储罐的结构示意图，所述高压燃料储罐1包括储罐壁101、连接耳片102、进气口103以及出气口104。其中，如图6和7所示，两两高压燃料储罐1之间的连接通过连接耳片102实现，并且储罐壁101头部(设置有出气口103的端部)间隔90°布置2-6(在图6、7中的实施例布置了4个)个连接耳片102，储罐壁101尾部间隔90°布置2-6(在图6、7中的实施例布置了4个)个连接耳片102。并且，一个高压燃料储罐1头部的连接耳片102可以与另一个高压燃料储罐1尾部的连接耳片102相互嵌入，最后需要在连接耳片102上打孔，通过连接螺栓实现牢固连接。同时，两高压燃料储罐的连接处设计有开槽，提供气态燃料输送管路的铺设空间。

另外，高压燃料储罐的进气口103作为地面充装气态燃料的入口使用，高压燃料储罐的出气口104作为燃料的供给出口使用。每个高压燃料储罐外加装气体输送管路，从出气口104引出，再把这些单个气体输送管路的另一端连接到气体输送总管路上，由气体输送总管路向无人飞机上的燃料电池提供燃料。

值得说明的是，翼肋4上为了能够固定气体输送总管路，设计有燃料管道装配孔，用于为燃料输送管道提供装配定位基准同时减轻翼肋结构重量。

在另一个实施例中，由于存储高压燃料的储罐本身结构强度要求很高，将其设计在机翼内部起着原有翼梁的作用其实是过强的设计，再者沿机翼弦向方向布置有一定数量的储罐，所以所述无人机机翼蒙皮2在设计上不用于承受弯曲正应力，仅用于维持机翼外形，蒙皮2的厚度可以进一步减小，减轻了机翼结构重量。优选地，蒙皮2蒙皮厚度是由其受压失稳临界应力确定的。本发明实施例中所述的蒙皮2几乎不承受弯曲正应力，所以厚度相对于现有技术中飞机机翼的蒙皮要薄。另外，蒙皮2的轮廓形状就是紧贴着桁条3以及翼肋4并将其包裹形成的。

在一个较佳地实施例中，由于飞机机翼是飞机上产生升力的最主要部件，而机翼要获得足以平衡重力的升力，一个是要有飞行速度的保证，另一个就是要有气动外形的保证。在该实施例中，气动外形的保证就是通过所述一体化无人机机翼中设置的两个以上的翼肋4。其中，翼肋4相互之间的间距设置保证整体结构在承受气动载荷的过程中不会产生过大的变形或者是破坏的前提下尽可能减少结构的重量。翼肋4相互之间的间距设置过小，结构的强度刚度保证了，但是重量会过大，对持续续航不利，过大则难以保证气动外形甚至发生结构破坏。

优选地，翼肋4的间距可以按蒙皮2的临界应力的大小确定，或者按照桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。更进一步地，蒙皮失稳临界应力的大小和蒙皮的材料、厚度是相关的，可通过有限元软件分析或者是实验得出。

在另一个优选地实施例中，翼肋4上设计有减重孔，减重孔在翼肋4上起着减轻机翼结构重量的作用，可设计在结构高度不大且具有强度余量的位置。同时，减重孔还可用于为机翼内部线路铺设提供空间。

还有，翼肋4上设计有储罐装配孔，用于燃料储罐的装配定位基准同时减轻翼肋的结构重量。而且，该储罐装配孔尽可能地利用上翼肋4的结构高度设计大直径装配孔以期获得较大容积的燃料储罐，这对于增加燃料携带量或者说增加无人机续航时间有利。

综上所述，本发明提供的一种一体化无人机机翼，创造性地将高压燃料储箱与机翼结构一体化设计，提高了整体的结构效率；并且，高压燃料储罐兼做机翼结构，节省了大量的机翼结构重量，相当于提高了全机燃料携带能力；而且，将耐压燃料储箱布置在机翼内部可以充分利用飞行器上有限的空间，避免为了照顾到燃料储罐的体积而把机身设计得过大的情况；从而，本发明具有广泛、重大的推广意义；最后，整个所述一体化无人机机翼紧凑，易于控制。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。