一种采用离子风动力的低空飞艇

1.本发明属于飞行器领域，具体涉及一种低空飞艇。


背景技术：

2.低空飞艇利用浮升气体提供升力，通过动力系统和控制系统实现可控飞行，具有载荷量大、留空时间长等优势。现有低空飞艇一般利用燃油发动机或电机驱动螺旋桨高速旋转产生动力，不可避免地产生噪声和排放燃烧污染物(燃油发动机)。随着排放标准愈发严格，静音、清洁的动力成为了低空飞艇研究领域的迫切需求。


技术实现要素：

3.针对上述现有低空飞艇动力技术的不足，本发明提供一种低噪音、无燃烧污染物排放的低空飞艇。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种采用离子风动力的低空飞艇，其包括艇体、离子风推进器、电源系统和尾翼。其中，艇体为气密性气囊，充满浮升气体以提供静升力。离子风推进器安装在艇体上，通过电晕空气产生带电粒子，利用静电力加速空气流动，从而产生推力，为飞艇提供飞行所需动力。电源系统采用可再生能源系统，并配套升压电路，输出千伏级的直流高压电，为离子风推进器和其他部件提供电能。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，设置在艇体尾部，用于控制飞艇的姿态。
5.其中，离子风推进器由涵道、放电极和集电极组成，放电极和集电极均由导电材料制成，放电极曲率半径小，集电极为曲率半径大、表面光滑，二者构成电极对，利用多电极对的串、并联形成电极阵列。
6.所述离子风推进器的工作其原理是：在一对非对称电极之间施加高压直流电时，电极之间会产生不均匀电场，引起空气单向流动形成离子风，从而获得与空气流动方向相反的推力。具体地，由于放电极的曲率半径小，放电极附近的电场强度极高，超过空气的电离强度，导致放电极附近的空气被电离，产生大量离子。离子在电场作用下向集电极加速运动，运动过程中碰撞到空气分子，将动量传递给空气分子，导致空气分子向集电极运动，在宏观上形成离子风现象。根据作用力与反作用力原理，离子风动力利用静电力加速空气流动，从而获得与空气流动方向相反的推力。
7.其中，所述飞艇气囊采用多片的铝膜、聚乙烯、聚酯薄膜等材料加热熔接成形，呈纺锤型或流线型，由尾部气孔进行充放气。
8.其中，所述可再生电源系统由薄膜太阳能电池和储能电池组成，所述薄膜太阳能电池在光线充足时为储能电池充电，在光线较弱时薄膜太阳能电池停止工作。储能电池采用锂离子聚合物电池，经升压电路后为离子风推进器提供千伏级的高压直流电。
9.其中，所述尾翼采用四片式布局或三片式布局，左右对称设置；采用四片翼面时布置为“十”形或“x”形，采用三片翼面时布置为“y”形、倒“y”形、“t”形或倒“t”形，采用“y”形或倒“y”形三片翼面布局时，三片翼面之间的夹角最好为120
°
。
10.进一步地，每片尾翼均由翼面、尾舵、操作机构组成，通过控制操作机构改变尾舵的偏转角，进而可以控制飞艇的改变行进方向或在一定高度内的下降或上升。
11.进一步地，所述离子风推进器的推力可根据实际需要进行定制，其中推力大小可以通过改变电极对的间距、电极对工作电压的大小、电极对工作电压的占空比等方式来调节。
12.本发明与现有的飞艇技术相比，本发明的低空飞艇的有益效果包括如下几个方面：
13.(1)结构简单，成本低。本发明采用的离子风推进器主要由电极阵列组成，相比于燃油发动机或电机与螺旋桨组成的推进器，结构简单、零部件较少，易于制造，成本低；
14.(2)噪音低。本发明采用的离子风推进器利用静电力加速空气流动，从而产生推力，不需要机械运动部件，不会产生噪音；
15.(3)无污染。采用离子风推进器将电能转换为动能，与燃油发动机相比，不排放燃烧污染物。
16.(4)续航时间长。本发明利用薄膜太阳能电池进行光电转换，利用储能电池为离子风推进器提供电能，能进行长航时的低空飞行。
附图说明
17.图1为本发明飞艇的整体结构示意图；
18.图2为本发明飞艇的俯视图；
19.图3为本发明离子风推进器的示意图；
20.图4为本发明离子风推进器的剖面图；
21.图5为本发明离子风推进器电极对产生推力的原理图；
22.附图标号含义：1.艇体；2.薄膜太阳能电池；3.离子风推进器；4.水平尾翼；5.水平尾舵；6.垂直尾翼；7.垂直尾舵；8.涵道；9.集电极；10.放电极。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
24.本发明提供了一种基于离子风动力的低空飞艇，如图1、图2所示，薄膜太阳能电池2设置于艇体1的正上表面，两个离子风推进器3对称地布置于飞艇的两侧，飞艇尾部设置有一对水平尾翼4和一对垂直尾翼6，呈“十”字分布，尾翼后缘设有可活动的尾舵，分别是水平尾舵5和垂直尾舵7。
25.本实施例中，艇体1采用的是铝膜气球，具有良好的密封性，充入氦气作为浮升气体。
26.设置在艇体1上表面的薄膜太阳能电池2为储能电池充电，储能电池经升压电路，为离子风推进器3提供千伏级的高压直流电。
27.如图3、图4所示，离子风推进器3包括涵道8、集电极9和放电极10。其中集电极9为铝膜制成的低阻力翼型电极；放电极10为高熔点的钨丝制成的微米级的丝状电极。二者沿着来流方向正对布置，构成一组电极对，电极对之间具有较强的电场。工作中，如图5所示，储能电池提供的低压电经过升压电路后在放电极10附近发生电晕放电，电离产生的离子向
集电极9漂移，漂移过程中离子碰撞气体分子完成动量转移，导致气流经过涵道8后的出口总动量大于进口总动量，这样离子风推进器3就会产生一个与空气流动方向相反的推力，推动飞艇前进。
28.本发明的飞艇飞行控制按照如下方式实现：
29.(1)前进：开启左、右侧离子风推进器，水平尾舵5和垂直尾舵7处于初始位置；
30.(2)左转：开启右侧离子风推进器，关闭左侧离子风推进器，垂直尾舵7向左偏转；
31.(3)右转：开启左侧离子风推进器，关闭右侧离子风推进器，垂直尾舵7向右偏转；
32.(4)上升：开启左、右侧离子风推进器，水平尾舵5向上偏转；
33.(5)下降：开启左、右侧离子风推进器，水平尾舵5向下偏转。
34.需要指出的是，飞艇的左转、右转运动也可以只依靠垂直尾舵7的偏转实现，同时开启对应侧的离子风推进器可以增大转向的控制力矩，减小转弯半径，提高机动性。
35.另外，可以理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例子，本发明还存在其他的实施方式，如离子风推进器3的布置方式可以灵活更改，如仅在底部布置一个或数个离子风推进器。离子风推进器3的内部结构也可以根据推力需求调整，放电极10可以使用铜丝、钨丝等导电金属丝制成的丝状电极，优选地采用微米级的丝状电极，也可以是能够进行尖端放电的梳齿电极；集电极9可以采用气动效果较好的翼型电极，也可以采用工艺简单、表面光滑的平板或圆柱电极。
36.本发明中，放电极10和集电极9之间的间距应根据工作电压进行设置，既保证推力满足使用要求、也要避免击穿电极引起危险。根据试验研究和理论分析，放电极10直径小于0.4mm，集电极9表面光滑无毛刺，且工作电压与间距的比值在10kv/cm以内，本发明离子风推进器均能推动飞艇正常工作。
37.本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。
38.以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

技术特征：
1.一种采用离子风动力的低空飞艇，包括艇体(1)，离子风推进器(3)、电源系统和尾翼，其特征在于：所述艇体(1)为气密性气囊，其中填充有浮升气体，为飞艇提供静升力；所述离子风推进器(3)设置在艇体(1)上，通过电晕空气产生带电粒子，利用静电力加速空气流动，从而产生推力，为飞艇提供前进所需的动力；所述电源系统设置在艇体上，包括可再生能源系统和升压电路，为离子风推进器(3)和其他部件提供电能；所述尾翼设置在艇体(1)尾部，用于控制飞艇姿态。2.根据权利要求1所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述离子风推进器(3)包括集电极(9)和放电极(10)，均由导电材料制成，二者构成电极对，多电极对利用串联与并联结合的阵列方式形成电极阵列。3.根据权利要求2所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于；所述放电极(10)为丝状电极或梳齿电极，所述集电极(9)为低阻力翼型电极、平板电极或圆柱电极。4.根据权利要求1-3任一项所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述的离子风推进器(3)设有涵道(8)，用于约束离子风气流的流动，降低流动损失。5.根据权利要求1所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述离子风推进器(3)对称地布置在飞艇两侧，或仅在飞艇底部布置一个或数个。6.根据权利要求1所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：艇体(1)呈纺锤形或流线型，艇体(1)材料选用铝膜、聚酯薄膜或聚乙烯。7.根据权利要求1所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述可再生能源系统由薄膜太阳能电池(2)和储能电池组成。8.根据权利要求7所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述薄膜太阳能电池(2)设置在艇体(1)的正上表面，能为储能电池充电。9.根据权利要求7所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述储能电池采用锂离子聚合物电池，所述升压电路将储能电池输出的电能升压，转换为千伏级的高压直流电。10.根据权利要求1所述的采用离子风动力的低空飞艇，其特征在于：所述尾翼采用四片式布局或三片式布局，左右对称布置。

技术总结
本发明公开了一种采用离子风动力的低空飞艇，由艇体、离子风推进器、电源系统和尾翼组成。艇体为气密性气囊，充满浮升气体以提供升力。离子风推进器为飞艇提供飞行所需动力，由涵道、放电极和集电极组成，其中多个电极对呈阵列构型。离子风推进器电晕空气产生带电粒子，利用静电力加速空气流动，从而产生推力推动飞艇前进。电源系统采用薄膜太阳能电池与储能电池构成的可再生能源系统，并配套升压电路，输出千伏级的直流高压电，为离子风推进器提供电能。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，用于控制飞艇的姿态。本发明的飞艇在飞行中噪音低，不产生燃烧污染物，利用薄膜太阳能电池进行光电转换，可执行静音、长航时的低空飞行任务。务。务。


技术研发人员：冷佳明 闫晓军 曾跃 刘志伟 漆明净
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/5/30