一种复合翼风能无人机及利用其发电的装置的制作方法

本发明属于航空飞行器及能源, 涉及一种风能无人机及机载风力发电装置，具体涉及一种复合翼风能无人机及利用其发电的装置。

背景技术：

1、无人机在环境监测、区域预警、通信中继、导航定位及对地观测等方面具有独特的优势，如在电信领域，平流层无人机相对于地面中继站，其覆盖面积大，障碍物干扰少，相较卫星高度低、传输延迟小且可返回地面维修反复使用；在对地遥感方面，与低轨道卫星相比，可在同一区域内长期滞空反复探测且得到的图像分辨率更高。

2、目前，长航时高空无人机几乎都以太阳能为唯一动力，但由于地球表面太阳光的能量密度仅1kw/平米左右，且太阳能电池板的光电转化效率不高（一般不超过25%），为利用有限的太阳能无人机必须最大限度地减小飞行阻力同时减轻飞机的重量，因此目前的太阳能无人机均采用轻质材料制作的超大展弦比（30左右）的薄型单翼；由于太阳能发电仅局限在白天，为了晚上持续飞行必须携带足够容量的蓄电池，而蓄电池的重量占据了飞机总重的1/4-1/3,甚至更多，导致目前无人机的有效载荷很小；另一方面，目前高空型太阳能无人机一般选择在17-20千米的低风速空间滞空飞行，因为平流层10-16千米高度处的空气风速很高(最高可达60米/秒以上)，单翼太阳能飞机的结构强度有限，无法抵御强风的冲击，但20千米处的空气密度仅为15千米处（强风区）空气密度的一半，意味着在同样的飞行速度下，机翼在20千米处产生的升力仅为15千米处的一半，因此不得不刻意减少无人机的起飞重量，导致有效载荷进一步减少；同时，由于太阳能电力不足，很难满足多个电子设备的用电需求，导致目前高空长航时无人的功能单一，实用性不强。其实高空中尤其是10-15千米左右的高空强风区蕴含着极大的风能，能量密度最高可达30kw/平米，是太阳能能量密度的30倍左右,因此，若能设法利用高空风能用于驱动无人机飞行，将使目前长航时无人机面临的诸多棘手问题迎刃而解。

3、国内外对高空风能发电进行了一些研究，开发出了一些系留式机载风力发电机装置，目前的机载发电无人机大都采用传统单翼飞机，机体结构强度偏低，在做复杂运动轨迹如8字形飞行时，无人机承受较大的重力载荷及冲击，长期运行容易导致材料疲劳，影响机体寿命及安全性，另外，目前的机载发电无人机大都为轻小型，搭载的发电机数量有限，发电机叶轮的尺寸偏小，发电功率不高。

技术实现思路

1、为克服目前长航时滞空无人机及机载风力发电无人机存在的缺陷，本发明设计了一种有效载荷大的、适合长航时滞空飞行的风能无人机，以及利用该无人机进行高空风力发电的装置；作为滞空飞行的无人机时，利用风能产生的电力驱动飞机，可适应平流层空间的飞行，作为一种机载风力发电装置时，只需在机身的挂架上系上一根带有输电线的缆绳，同时将输电线跟无人机上的发电回路连接，就可以在中高空区域将发出的电力源源不断传输给地面的储能装置；本发明的技术方案如下：

2、一种复合翼的风能无人机,包括机身、尾翼，起落架、蓄电池、北斗定位系统及飞控系统，还包括前掠翼及一个复合翼；复合翼主要由两个半环形机翼及两段紧邻的扇翼组成,扇翼位于复合翼中段，半环形机翼对称布设在复合翼两端，前掠翼分别与尾翼及半环形机翼的两个翼端连在一起；两段半环形机翼内均装有可逆电机及螺旋桨,两个紧邻的扇翼由紧邻的两个可逆电机驱动；无人机可在飞行模式与发电模式之间进行切换。

3、进一步的,扇翼主要包括嵌在多个平行圆板座架上的多个翼型叶片、中心轴、传动轴及升力底座。

4、更进一步的, ,扇翼的升力底座由圆弧形前板与斜面后板组成，前板具有空腔，在空腔里装有一块与前板同样弧度的、可收放的格栅型风量调节板；后板斜面上装有可活动的升力调节板；风量调节板平时收于空腔，当风速过大或需刻意调小风量时，可通过动作机构伸出空腔一定长度，风量调节板设计为格栅型可保证进风均匀；后板的斜面上装有可活动的升力调节板，作为襟翼以增加升力。

5、进一步的,半环形机翼的翼端沿展向装有一段带有副翼的机翼，半环形的后缘装有半圆形的活动格栅翼。

6、更进一步的，所述格栅翼由多个平行的翼型叶片及外圈组成，飞行时竖起与气流垂直，发电时向后转向水平位置。

7、进一步的,半环形机翼上的可逆电机在飞行模式下作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，扇翼机上的可逆电机驱动叶片产生升力及推力;在发电模式的发电阶段作为发电机分别将风力驱动的螺旋桨及扇翼叶片的机械能转化为电能储存在蓄电池中。

8、更进一步的,可逆电机连在电动回路与发电回路中，在电动回路中，永磁电机的电源输入端依次与自动切换开关及蓄电池的输出端连接；在发电回路中，永磁电机的电力输出端依次与自动切换开关、充电装置及蓄电池的输入端连接；在飞行模式下，自动切换开关与发电回路的充电装置断开而与电动回路的蓄电池的输出端连通；在发电模式下，在俯冲或在空中做特定轨迹飞行进行发电时自动切换开关与电动回路的蓄电池输出端断开而与所述发电回路的充电装置连通。

9、进一步的,发电模式至少包括空间8字形轨迹发电模式，平面圆周盘旋发电模式及俯冲发电模式。

10、进一步的,俯冲发电模式的执行程序为：机头转向迎风方向-放下襟翼-机头向上保持高攻角-随风爬升至设定发电高度-收起襟翼-收起风力调节板-放平格栅翼-机头向下-断开电动回路同时连通发电回路-俯冲发电至预设平飞高度。

11、本发明还提供了一种系留式机载风力发电装置，该装置是利用上面所述的复合翼风能无人机进行发电的 ,具体是在复合翼风能无人机的机身下方的挂架上系上一根输电缆绳,该缆绳的输电线与无人机上发电回路连通,在发电模式下将发出的电力通过输电缆绳传到地面的储能装置。

12、与现有技术相比取得的有益结果：

13、一 ，半环形机翼上的螺旋桨转动时产生的气流从翼面上方流过，直接在翼面上方产生负压区，从而产生比常规固定翼飞机更大的升力，而且低速功能出色，起飞速度仅十几千米/小时；同时该机翼拥有极好的气动特性，最大速度和最小速度之比将近10（一般飞机是3～4）。

14、二，半环形机翼后缘设置的半圆形格栅翼，会在螺旋桨排出的气流冲击下产生额外的升力。

15、三 ，扇翼机的风扇转动时，将前方空气吸入扇翼中，气流在翼腔底部产生涡旋形成负压，然后从尾缘甩出，同时产生升力和推力，且升力的产生对相对空速没有高要求，所以可实现短距离起降甚至垂直起降。

16、四 ，设置的前掠翼具有比传统直翼及后掠翼更大的升力，可降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量，减少飞机配平阻力，改善飞机低速操纵性能，缩短起飞着陆滑跑距离

17、五 ，采用搭翼布局，将前掠上翼的翼尖与复合翼搭接，避免了复合翼的翼尖涡流，显著降低诱导阻力，增大了升阻比，同时大大简化了前掠上机翼的设计和制造，搭接的前掠上翼与复合翼及机身形成稳固的空间结构，可显著减少飞机的结构重量。

18、六 ，具有大升力及优异低速性能的半环形机翼及扇翼组合成复合翼，再将同样具有升力大及低速性能好的前掠翼与复合翼搭接，形成结构强度高的整机，使无人机的载重能力及抗冲击能力大幅提高。

19、七，作为一种长航时风能无人机，因其具有很高的升力，因此可携带更多的任务载荷，进一步拓宽无人机的功能。

20、八，作为一种长航时风能无人机，采用飞行模式与发电模式的不断切换，实现无人机的 实时全电力滞空飞行，因此无需携带大容量的蓄电池，可大幅减轻飞机的空重，进一步增加任务载荷。

21、九，作为一种长航时风能无人机，因其具有很高的结构强度，能在强风中实现发电，抗风能力突出，可适应平流层强风环境下的滞空飞行，同时，因其在空中有极好的气动特性，有比传统固定翼飞机更宽的速度范围，（最大速度和最小速度之比将近10，而一般飞机是3～4）；所以也能在高空低风速中滞空飞行如平流层17-20千米的高度。

22、十，作为一种长航时风能无人机，因其具有优异的低速性能，几乎不失速，故可在高空中以很低的功率飞行，可明显减少蓄电池的充电次数，大大延长蓄电池的使用寿命，从而明显延长无人机的滞空时间。

23、十一，作为一种高空风力发电机的平台，因其具有很大的载重能力，因此搭载的发电机尺寸更大，发电功率更高。

24、十二，作为一种高空风力发电机的平台，因其出色的低速性能，可以短距离或垂直起飞，所以具有很好的场地适应能力，非常适合作为移动高空发电平台，也是因其低速性能好，不容易失速，所以在空中飞行发电时的安全性很高。

25、十三，作为一种高空风力发电机的平台，因其在空中有极好的气动特性，最大速度和最小速度之比将近10（一般飞机是3～4）；因此可适应从低风速到高风速的大范围高度区域的飞行发电。