CN106240798B - 一种翼梁/储能电池一体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种翼梁/储能电池一体化结构，属于飞行器设计领域。本发明采用方形截面翼梁，储能电池通过肋条与定位插销固定在翼梁内，使翼梁集中受载；翼梁内有PMI泡沫层，既充当夹层结构承受剪切应力，又作为保温材料为储能电池保温；翼梁两端有散热风扇，可利用肋条之间的空隙形成对流为储能电池散热。本发明在保证储能电池工作温度的前提下，可大大改善翼梁受力特性，同时简化结构，减轻重量，使太阳能飞机具有更高的飞行效率。
Description
技术领域
本发明属于飞行器设计领域，具体设计一种可以改善翼梁受力特性、控制储能电池工作温度、减轻飞机结构质量的翼梁/储能电池一体化新型结构。
背景技术
太阳能飞机为减小阻力，通常采用大展弦比机翼，结构刚度差，工作状态下机翼变形严重。长航时太阳能飞机需要储能电池在日间储存多余能量，用于夜间飞行，多数太阳能飞机采用锂离子电池作为储能电池，其工作温度区间通常为0-40℃。太阳能飞机在低空飞行时，环境温度较高，储能电池工作产生热量，温度会超过60℃，需要对其散热；夜间在平流层飞行时，环境温度低，储能电池温度低于-50℃，需要对其保温。常规太阳能飞机或将储能电池布置在机翼前缘的动力短舱或机身内，电池外部覆盖PMI泡沫用于保温，泡沫外部需用包裹一层硬质外壳对电池进行保护。这种储能电池布置形式不仅不利于翼梁集中受力，还会带来多余的结构重量，而太阳能飞机的航时、航程很大程度上取决于能耗与重量，因此这种布置形式不利于太阳能飞机性能的提升。
发明内容
为克服上述现有太阳能飞机储能电池布置方式的不足，本发明提供了一种由翼梁和储能电池组成的一体化结构形式，将储能电池布置于翼梁内，一方面利用储能电池重量为翼梁减载，另一方面利用翼梁结构对储能电池进行保温和散热。
本发明一种翼梁/储能电池一体化结构，在翼梁内沿翼梁轴向设置储能电池，储能电池周向与翼梁内壁间留有缝隙。同时在翼梁两端安装隔热窗，且翼梁两端还分别安装有吸风扇与排风扇。
由此通过在翼梁内安装温度传感器实时感知翼梁内部温度信息，并反馈给控制电路，由控制电路与设定的温度阈值进行比较，实现对吸风扇与排风扇的开关控制；进而实现储能电池的保温和散热控制。
本发明的优点在于：
1、本发明翼梁/储能电池一体化结构，储能电池分布于机翼主梁内，使得飞行过程中储能电池重量与机翼产生的相应升力在翼梁处实现自平衡，改善了机翼受力特性，可大大减小翼梁重量；
2、本发明翼梁/储能电池一体化结构，翼梁内的PMI泡沫夹层，在充当翼梁结构的同时，还作为隔热材料，用于夜间飞行时储能电池的保温，避免了传统保温形式带来的额外重量；
3、本发明翼梁/储能电池一体化结构，翼梁两端的散热风扇，可在日间储能电池温度较高时，通过空气对流将热量散出，结构简单，控制方便；
4、本发明翼梁/储能电池一体化结构，翼梁内壁的肋条可使储能电池完全嵌入翼梁内，限制储能电池周向位移，同时在储能电池侧壁保留对流通道，确保散热效果；
5、本发明翼梁/储能电池一体化结构，翼梁上的定位插销用于限制储能电池沿机翼展向的位移，方便根据需求改变电池在翼梁内的展向位置，且利于储能电池的拆装与维护；
6、本发明翼梁/储能电池一体化结构，由于储能电池未布置于动力短舱或机身内，短舱与机身的外形与结构设计限制减少，通过设计可以有效减小阻力，减轻重量，对太阳能飞机昼夜不间断巡航的可行性具有重大意义。
附图说明
图1为本发明翼梁/储能电池一体化结构整体结构示意图；
图2为本发明翼梁/储能电池一体化结构中翼梁结构及储能电池安装方式示意图；
图3为本发明翼梁/储能电池一体化结构中散热风扇及隔热窗安装位置示意图；
图4为本发明翼梁/储能电池一体化结构中隔热窗开启方式示意图；
图5为本发明翼梁/储能电池一体化结构控制方式框图。
图中：
1-翼梁 2-储能电池 3-肋条
4-定位插销 5-隔热窗 6-散热风扇
7-温度传感器 8-控制电路 101-碳纤维外壳
102-PMI泡沫夹层 103-凯夫拉内壁
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说名。
本发明一种翼梁/储能电池一体化结构，将机翼的翼梁1设计为筒状结构，内部安装储能电池2，如图1所示。
如图2所示，所述机翼梁1设计具有三层，由外至内分别为碳纤维外壳101、PMI泡沫夹层102、凯夫拉内壁103。碳纤维外壳101强度和刚度好，主要承受拉、压力和剪切力；PMI泡沫夹层102质量轻，主要承受弯矩和扭矩，抗失稳能力强；凯夫拉内壁103强度高，韧性好，用于承受拉力和剪切力，防止泡沫夹层断裂。上述碳纤维外壳101和凯夫拉内壁103厚度很薄，约为0.2～0.3mm，PMI泡沫夹层102相对较厚,约为8～10mm，可有效改善翼梁受力，减轻太阳能飞机结构重量。
翼梁1内部沿翼梁1轴向设置有储能电池2，储能电池2的数量根据太阳能飞机夜间巡航所需能量及储能电池能量密度确定，且相邻储能电池2的间距由翼梁1受载情况及机翼气动弹性特性确定。储能电池2通过在翼梁1内壁周向上均设的“工”字型肋条3支撑，实现储能电池的周向定位；且通过位于储能电池2前后两端处，穿过翼梁1相对侧面的定位插销4，实现储能电池2的轴向定位。通过肋条3支撑储能电池2，使储能电池2周向与翼梁1内壁周向间形成间隙，作为对流通道。
如图3所示，翼梁1两端端面上固定安装有隔热窗5，隔热窗5采用百叶窗结构，通过气压作用可自动打开与关闭，如图4所示；且当隔热窗5关闭后可实现翼梁1内部密封。翼梁1两端端部还安装有散热风扇6，使散热风扇6紧贴隔热窗5内侧固定。上述翼梁1两端的散热风扇6中，一个通过散热风扇6为吸风扇，可将外部空隙吸入翼梁1内部；另一个散热风扇6为排风扇，可将翼梁1内部空气排出翼梁1。
本发明一种翼梁/储能电池一体化结构，由控制模块进行控制，实现翼梁1内部进/排气的自动控制。所述控制模块包括温度传感器7与控制电路8，如图3所示。其中，温度传感器7安装于翼梁1内壁面上，用来实时感知翼梁1内部温度信息，并反馈给控制电路8。控制电路8安装于翼梁1外部，可安装于机翼内壁。如图5所示，控制电路8用来实时获取温度传感器测量的温度值，并将温度值与控制电路8内设定的温度阈值(40°)进行比较，当温度值大于设定温度阈值时(太阳能飞机日间在低空飞行时)，控制电路8发出控制信号，控制翼梁1两端的散热风扇6开启，使一个散热风扇6向翼梁1内吹风，另一个散热风扇6从梁内吸风，使隔热窗5在气压作用下自动打开，进而在翼梁1内形成空气对流，气流经过对流通道，带走储能电池2的一部分热量，从而达到散热降温目的。当环境温度低于设定的温度阈值时(太阳能飞机夜间在平流层飞行时)，控制电路8发出控制信号，控制翼梁1两端的散热风扇6关闭，此时隔热窗5也处于关闭状态，可避免翼梁1内外空气发生对流，而由于翼梁1截面细长，两端热传导造成的温度损失可以忽略不计。储能电池工作时会产生一定热量，通过翼梁1的PMI泡沫夹层102保温作用，这些热量大部分不会散出，从而达到保温目的。
上述温度传感器7可沿翼梁1轴向等间隔设置多个，同时感知翼梁1内轴向多个位置的温度值。由此通过控制电路8接收各个温度传感器7测量的温度值，并将各温度值与温度阈值进行对比，若某一个温度传感器测量的温度值小于温度阈值时，便开启保温功能，反之散热功能开启，从而更加精准地控制温度，达到保护电池的目的。
Claims (6)
1.一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：在翼梁内，沿翼梁轴向设置储能电池，储能电池周向与翼梁内壁间留有缝隙；同时在翼梁两端安装隔热窗，且翼梁两端还分别安装有吸风扇与排风扇；
还包括控制模块，控制模块具有温度传感器与控制电路；温度传感器用来实时感知翼梁内部温度信息，并反馈给控制电路；控制电路用来实时获取温度传感器测量的温度值，并将温度值与控制电路内设定的温度阈值进行比较，当温度值大于设定温度阈值时，控制电路发出控制信号，控制吸风扇与排风扇开启；环境温度低于设定的温度阈值时，控制电路发出控制信号，控制吸风扇与排风扇关闭；
温度传感器沿翼梁轴向等间隔设置，通过控制电路接收各个温度传感器测量的温度值，并将各温度值与温度阈值进行对比，若其中一个温度传感器测量的温度值小于温度阈值时，便控制吸风扇与排风扇关闭，反之控制吸风扇与排风扇开启。
2.如权利要求1所述一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：翼梁设计为三层结构，由外至内分别为碳纤维外壳、PMI泡沫夹层、凯夫拉内壁。
3.如权利要求2所述一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：碳纤维外壳与凯夫拉内壁厚度为0.2～0.3mm；PMI泡沫夹层厚度为8～10mm。
4.如权利要求1所述一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：储能电池通过在翼梁内壁周向上均设的肋条支撑。
5.如权利要求1所述一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：储能电池通过位于储能电池前后两端处，贯穿翼梁相对侧面的定位插销实现轴向定位。
6.如权利要求1所述一种翼梁/储能电池一体化结构，其特征在于：隔热窗采用百叶窗结构，通过气压作用可自动打开与关闭。
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