CN115009525B - 一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法，热控系统包括记忆金属控制结构、飞行控制单元以及导热组件；导热组件与太阳能电池板以及主翼形成导热回路，使整个主翼温度保持均匀；记忆金属控制结构布置在主翼前缘和后缘，能够在热失控状态下自行改变机翼形状，增大机翼弯度，降低太阳光对太阳能电池板的有效照射面积，同时在前缘附近和后缘附近自动变形开孔，使空气流入机翼内部，增强内部强制对流，降低温度；此外飞行控制单元在热失控状态下，能够控制飞机姿态，减少太阳光对太阳能电池板的照射面积。本发明具有通用性强、散热速度快、散热角度多、可大规模装备等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能无人机技术领域，尤其涉及一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法。
背景技术
太阳能无人机利用太阳能电池将太阳光的光能转换为电能，具有无污染、长航时的特点，而目前的太阳能电池的效率仅在16％到22％之间，其中很大一部分能源会转换废热，为太阳能无人机在巡航过程中的热管理带来一定的问题，同时废热带来的温度上升会进一步影响太阳能电池的效率，太阳能电池的效率降低又会带来废热的增多，而在太阳高度角很大的时间段内，整体无人机的能源输入会进一步增加，使得该正反馈过程加剧，容易引发热失控。
热失控是指系统内的温度升高引发的变化使得温度进一步的增高，产生一种恶性循环，从而导致破坏性的结果。而在热失控过程中，常规的热管理系统已经不足以应对温度不断升高的正反馈过程。目前太阳能无人机热管理系统设计针对的往往是一般巡航情况下的热管理，缺乏针对热失控过程的处理。热失控过程往往会导致整体电子器件失灵，进而引发飞行失控，因此如何在热失控状态下紧急散热，对于太阳能无人机的抗极端情况能力来说十分重要。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法，具体的技术方案为：
所述一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，包括记忆金属控制结构、飞行控制单元以及导热组件；
所述记忆金属控制结构布置在太阳能无人机中安装有太阳能电池板的机翼前缘和后缘；能够在热失控状态下自行改变机翼形状，增大机翼弯度，降低太阳光对太阳能电池板的有效照射面积，同时在前缘附近和后缘附近自动变形开孔，使空气流入机翼内部，增强内部强制对流，降低温度；
所述导热组件与太阳能电池板以及安装有太阳能电池板的机翼形成导热回路，使安装有太阳能电池板的整个机翼温度保持均匀；
所述飞行控制单元在热失控状态下，能够控制飞机姿态，减少太阳光对太阳能电池板的照射面积。
进一步的，所述记忆金属控制结构上也布置有太阳能电池板。
进一步的，所述导热组件采用高导热碳纤维束。
进一步的，在机翼内部布置有管道梁和桁架，管道梁和桁架内含有高导热碳纤维束；所述高导热碳纤维束还通过高导热硅胶密布于机翼内侧；所述高导热碳纤维束与机翼表面太阳能电池板和整个机翼结构形成导热回路，使整个机翼温度保持均匀。
进一步的，管道梁和桁架采用碳素材料。
利用上述热控系统进行热控的方法，包括以下步骤：
步骤1：在太阳能电池板及内部电子设备中布置有温度传感器，监控太阳能电池板表面以及内部电子器件的温度变化，当温度达到设定高温度并保持设定时长后，飞机进入了热失控状态；
步骤2，在热失控情况下时，飞行控制单元通过调整无人机的控制面，改变无人机姿态，减少太阳光对于太阳能电池板的照射面积；
步骤3，同时在热失控状态下，太阳能电池板热量通过导热组件传导到机翼整个部分，使得机翼表面不出现局部热点，同时随着温度升高到某一值后，位于机翼前缘和后缘的记忆金属开始变形，使得机翼弯度增加，进一步减少太阳光对于太阳能电池板的照射面积；同时前缘和后缘的记忆金属自动变形生成孔洞，并能够根据太阳能电池板表面温度的高低调控开孔的位置、大小和数量，从而调节来流进入机翼内部，在机翼内部形成强制对流效果，进一步降低无人机温度。
有益效果
本发明提出的太阳能无人机热控系统及方法通过温度传感器和记忆金属的特性自行判断使用与否。热失控状态下，该热控系统有三种紧急情况下的散热措施，分别从飞行控制、机翼变形、内部对流三个方向全面的为太阳能无人机在热失控状态下的散热问题提供了解决方案。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是太阳能无人机结构外表面示意图；
图2是太阳能无人机侧视视角三维视图；
图3是紧急状态下改变姿态的太阳能无人机侧视视角三维视图；
图4是一般状态下不含内部结构的机翼侧视示意图；
图5是紧急状态下机翼侧视示意图；
图6是一般状态下机翼俯视示意图；
图7是紧急状态下机翼俯视示意图；
图8是一般情况下含内部管梁和桁架的的机翼侧视图；
图9是紧急情况下含内部管梁和桁架的的机翼侧视图；
图中：1、主翼；1A、记忆金属控制的机翼前缘附近机翼结构；1B、中间部分机翼结构；1C、记忆金属控制的机翼后缘附近机翼结构；2、太阳能电池板；3、尾翼；5、记忆金属控制的机翼开孔；6、含有高导热碳纤维的桁架结构；7、含有高导热碳纤维的管道梁。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1至图9所示，本实施例中提供了一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法。整个太阳能无人机包括主翼1、太阳能电池板2、尾翼3、飞行控制单元。所述太阳能电池板2紧密贴合于所述主翼1外侧，飞行控制单元能够控制飞机舵面，调整飞行姿态。
所述热控系统包括记忆金属控制结构、飞行控制单元以及导热组件。
所述导热组件采用高导热碳纤维束，具有高导热、轻量化的特征。一部分高导热碳纤维束通过高导热硅胶紧密结合在阳能电池板表面，另一部分高导热碳纤维束布置在主翼内部的管道梁及桁架内部。高导热碳纤维束与主翼表面太阳能电池板和整个主翼结构形成导热回路，使得整个主翼温度保持均匀，保证由太阳照射至太阳能电池板的热量不会集中于某一位置。所述桁架及管道梁采用高强度的碳素材料，结构内部为中空，中空程度为内径可以包含多根高导热碳纤维束用于定向导热，有强度高、轻量化、高保温特征。
所述飞行控制单元可以通过温度传感器感知太阳能电池板表面温度，在热失控状态下，可以根据周围的环境调整太阳能无人机的飞行姿态，在保证正常飞行的过程中调整太阳光的照射面积，使其达到最小。图3是紧急状态下改变姿态的太阳能无人机侧视视角三维视图，迎角提高了30°，从而降低了太阳光对太阳能电池板的照射面积。
所述记忆金属控制结构包括记忆金属控制的机翼前缘附近机翼结构、机翼后缘结构以及记忆金属控制的机翼开孔结构。所述记忆金属控制结构上也布置有太阳能电池板，且能够同记忆金属变化而改变放置角度。
在热失控情况下，记忆金属由于温度升高，形状发生变化，使得主翼的前缘附近及后缘附近的翼型弯度增加，同时配合飞控系统调整姿态，降低机翼对太阳的投影面积，从而降低太阳光对太阳能电池板的照射面积。以图4、图5为例，图4是一般状态下不含内部结构的机翼侧视示意图，图5是紧急状态下机翼侧视示意图，可以看到机翼弯度主要从前缘部分和后缘部分改变，记忆金属控制的部分为记忆金属控制的机翼前缘附近机翼结构1A和记忆金属控制的机翼后缘附近机翼结构1C向下弯曲，中间部分机翼结构1B和含高导热碳纤维的管道梁7和含高导热碳纤维的桁架结构8相连不再改变其弯度。
此外，在热失控情况下，记忆金属在前缘附近和后缘附近自动变形产生孔5，使空气流入机翼内部，增强内部强制对流，降低无人机内部温度，开孔的位置、大小和数量可以根据太阳能电池板表面温度高低进行调控。本实施例中，开孔规格如图9紧急情况下含内部管梁和桁架的的机翼侧视图中所示，其中前缘附近单个孔半径为50mm，孔间隔为165mm，后缘附近单个孔半径为45mm，孔间隔为174mm，孔在热失控状态下打开后，可以加强内部的强制对流，从内部降低太阳能电池板2带来的温度升高。
本实施例中，还提供了一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控方法，所述热控方法使用所述的飞行控制单元、记忆金属控制的机翼前缘附近机翼结构1A、记忆金属控制的机翼后缘附近机翼结构1C及记忆金属控制的机翼开孔5，所述热控方法为，太阳能电池板附近配有温度传感器与飞行控制单元相连，当温度达到设定值，且在一定时间内维持或者持续升高时，将判定太阳能无人机达到热失控状态，飞行控制单元将根据目前飞行状态及环境情况对无人机姿态做出调整，以降低太阳光的照射面积，降低太阳光带来的能量输入；在的热失控状态下，记忆金属根据温度变化发生形态变化，主翼的前缘附近及后缘附近受记忆金属的作用，改变其弯度，从而进一步降低太阳光的的照射面积；在热失控状态下，记忆金属还根据温度变化发生形态变化，在主翼的前缘附近和后缘附近自动变形开孔，通过来流进入主翼内部，加强内部的对流效果，形成强制对流，降低太阳能无人机内部的温度。
通过实施例可以看出，本发明具有智能调控的特点。热失控状态下，自动减少太阳光对太阳能电池板的照射面积；同时记忆金属由于温度升高，改变机翼形状，增大机翼弯度，进一步降低太阳光对太阳能电池板的照射面积，同时在前缘和后缘附近记忆金属自动变形开孔，使得空气流入飞机内部，增强其内部强制对流，降低主翼及其内部空间温度。该热失控状态下的太阳能无人机热控系统及方法具有通用性强、散热速度快、散热角度多、可大规模装备等优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，其特征在于：包括记忆金属控制结构、飞行控制单元以及导热组件；
所述记忆金属控制结构布置在太阳能无人机中安装有太阳能电池板的机翼前缘和后缘；能够在热失控状态下自行改变机翼形状，增大机翼弯度，降低太阳光对太阳能电池板的有效照射面积，同时在前缘附近和后缘附近自动变形开孔，使空气流入机翼内部，增强内部强制对流，降低温度；
所述导热组件与太阳能电池板以及安装有太阳能电池板的机翼形成导热回路，使安装有太阳能电池板的整个机翼温度保持均匀；
所述飞行控制单元在热失控状态下，能够控制无人机姿态，减少太阳光对太阳能电池板的照射面积。
2.根据权利要求1所述一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，其特征在于：所述记忆金属控制结构上也布置有太阳能电池板。
3.根据权利要求1所述一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，其特征在于：所述导热组件采用高导热碳纤维束。
4.根据权利要求3所述一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，其特征在于：在机翼内部布置有管道梁和桁架，管道梁和桁架内含有高导热碳纤维束；所述高导热碳纤维束还通过高导热硅胶密布于机翼内侧；所述高导热碳纤维束与机翼表面太阳能电池板和整个机翼结构形成导热回路，使整个机翼温度保持均匀。
5.根据权利要求4所述一种基于热失控状态下的太阳能无人机热控系统，其特征在于：管道梁和桁架采用碳素材料。
6.利用权利要求1~5任一所述热控系统进行热控的方法，包括以下步骤：
步骤1：在太阳能电池板及内部电子设备中布置有温度传感器，监控太阳能电池板表面以及内部电子设备的温度变化，当温度达到设定高温度并保持设定时长后，无人机进入了热失控状态；
步骤2，在热失控情况下时，飞行控制单元通过调整无人机的控制面，改变无人机姿态，减少太阳光对于太阳能电池板的照射面积；
步骤3，同时在热失控状态下，太阳能电池板热量通过导热组件传导到机翼整个部分，使得机翼表面不出现局部热点，同时随着温度升高到某一值后，位于机翼前缘和后缘的记忆金属控制结构开始变形，使得机翼弯度增加，进一步减少太阳光对于太阳能电池板的照射面积；同时前缘和后缘的记忆金属控制结构自动变形生成孔洞，并能够根据太阳能电池板表面温度的高低调控开孔的位置、大小和数量，从而调节来流进入机翼内部，在机翼内部形成强制对流效果，进一步降低无人机温度。
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