CN103129737A - 可倾转定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可倾转定翼无人机，包括机身，机身两侧设有至少一对机翼，所述机身的尾部还设有尾翼，还包括有可使机翼倾斜的机翼倾斜机构，每片机翼上均固装有动力装置，每个动力装置上连接有一螺旋桨，机翼与动力装置固装在一起，同时动作，所述螺旋桨的旋转面与所述机翼的水平面始终垂直。采用本发明技术方案的可倾转定翼无人机，既可垂直起降、又能达到固定翼飞机的巡航速度、动力利用效率高、结构合理。作为本发明一个优选的技术方案是所述机翼上均安装有受机翼倾斜机构控制的副翼，所述动力装置均固装在所述机翼的中部，使得机翼具有足够的刚度和强度，避免机翼因固装有动力装置而出现变形，另外，也使得机翼在倾转和固定时定位准确。

Description

可倾转定翼无人机

技术领域

    本发明属于航空飞行器设计技术领域，尤其是涉及一种高效、多用途、既可垂直起降、又能达到固定翼飞机的巡航速度的可倾转定翼无人机。

背景技术

无人机一般分为固定翼与旋转翼两种类型，常规的固定翼无人机虽然具有速度快、航程远的优点，但是起飞着陆有场地要求，同时无法进行空中定点悬浮；而旋翼无人机可垂直起降，对起飞场地没有要求，并可在空中悬停来执行任务。

如何克服旋翼飞行器与固定翼飞行器各自的缺点而保留两者的优点，寻求既能快速飞行又能垂直起降的飞行器，是人们一直思考的问题。在该需求推动下，倾转旋翼机和倾转定翼机的概念被提了出来，二者既有相同点又有不同点。相同点是二者均综合了定翼飞机和旋翼直升机的优点，可以垂直起降并能高速巡航飞行；不同点是倾转旋翼机是通过倾转旋翼的方式来改变飞行状态的，而倾转定翼机则是通过倾转定翼的方式改变飞行状态。倾转旋翼机和倾转定翼机通过各自特有的飞行模式兼备了旋翼直升机和固定翼飞机的优点，同时填补了直升机和固定翼飞机飞行速度包线之间的空白，在军事和民用两方面均能发挥重要作用。

由于可倾转翼飞机兼具旋翼无人机的垂直起降性能和固定翼飞机的高速度、大航程性能，能耗较低、载重量较大，在众多垂直起降飞机方案中脱颖而出，较早的进入到实用阶段，欧美等国开发了如V-22“鱼鹰”、XV-3、XV-15、BA-609、EagleEye“鹰眼”等系列的倾转翼飞机机型。

其中，美国军机V-22“鱼鹰”是目前真正投入使用的倾转旋翼机，也是倾转旋翼机型中的典型代表，V-22的机身、机翼和普通固定翼飞机基本相似，不同的是位于机翼两端的螺旋桨发动机可以上下转动，可实现垂直起降和固定翼巡航的功能。但是，V-22有些技术还没有完全过关，其使用期间事故频繁发生。其不足主要体现在以下几个方面：首先， V-22垂直起降时，由于螺旋桨（旋翼）位于机翼的翼尖上方，螺旋桨旋翼产生的下冲气流，有相当一部分会打在机翼的上表面，阻挡了滑流向下运动的气流，减小有效升力，同时产生的乱气流影响了飞行器的稳定性，使得控制难度加大；其次，发动机位于机翼的两端，为了保证发动机在倾转和固定时定位准确，机翼必须要有足够的刚度和强度来控制变形，因此，它的主翼翼尖必须设计得比较宽厚，这样即增加了机翼的重量又增加了起降时的挡风面积，导致了增加整机重量、减小了升力的结果。

此外，在中国专利文献CN201712787U中，公开了一种电动倾转旋翼无人机，其采用的技术方案是，该电动倾转旋翼无人机包括中央开有旋翼涵道的机身、旋翼旋转轴、定位碳板架、动力电机、上旋翼、下旋翼、舵机伺服器、舵机摇杆、飞机姿态控制舵、旋翼翻转伺服器、推进螺桨，，中央开有旋翼涵道的机身的涵道上连有旋翼旋转轴，旋翼旋转轴的中心内设有定位碳板架，定位碳板架的上、下端分别安装有动力电机，两个动力电机通过齿轮分别对应连接上旋翼和下旋翼，上旋翼和下旋翼的旋转轴同轴固定在定位碳板架的中心，定位碳板架的左、右侧分别连接两个舵机伺服器，舵机伺服器通过舵机摇杆连接飞机姿态控制舵，一飞机姿态控制舵的侧边连有旋翼翻转伺服器，中央开有旋翼涵道的机身尾部设有推进螺桨。

上述专利文献CN201712787U中公开的电动倾转旋翼无人机采用电动“推桨+倾转共轴旋翼”的动力方案，其安全性能具有不可靠性，且升力欠佳导致起飞速度慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高效、多用途、既可垂直起降、又能达到固定翼飞机的巡航速度、安全性能好、结构合理的可倾转定翼无人机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，该可倾转定翼无人机包括机身，所述机身两侧设有至少一对机翼，所述机身的尾部还设有尾翼，还包括有可使机翼倾斜的机翼倾斜机构，每片机翼上均固装有动力装置，每个动力装置上连接有一螺旋桨，机翼与动力装置固装在一起，同时动作，所述螺旋桨的旋转面与所述机翼的水平面始终垂直。

采用上述技术方案结构的可倾转定翼无人机，动力利用效率高，提升力大，该可倾转定翼无人机具有位于机身两侧的机翼，每片机翼上都固装有动力装置，每个动力装置上连接有一螺旋桨，机翼与动力装置固装在一起，同时动作，采用这样的结构设置，由于机翼与动力装置固装在一起，同时动作，又每个动力装置上连接有一螺旋桨，实际上是实现了三者联动，其产生的有益效果是，利用单一的机翼倾斜机构就能快速方便的调整机翼、动力装置和螺旋桨的位置，使之在垂直起降模式和巡航模式之间快速切换调整；此外，螺旋桨的旋转面与所述机翼的水平面始终垂直，这样，螺旋桨旋翼产生的下冲气流，最大限度的减小了打在机翼上面，其产生的有益效果是，使得机翼减少了阻挡向下运动的气流的量，提高了可倾转旋翼无人机的提升力，同时避免了混乱气流影响无人机的稳定性能，控制难度大大降低。

作为本发明的进一步改进，所述机翼倾斜机构设置在所述机身和所述机翼的连接处，机翼倾斜机构设有用来控制机翼倾斜度的舵机，将机翼倾斜机构设置在所述机身和所述机翼的连接处，一个舵机控制机身左右两个机翼（一对），使得两片机翼的倾斜度一致，采用这样的结构调整，使得各部件结构紧凑、合理，机翼倾斜机构设置在所述机身和所述机翼的连接处，使得机翼倾斜相应快速。

作为本发明的进一步改进，所述机身两侧设有两对机翼，由于每个机翼上都安装有动力装置，这样，4个动力装置中，在无人机处于巡航模式下时，如果有一个动力装置不能正常工作，关闭与其相对的另一个动力装置，无人机依然能够继续飞行，提高了无人机的安全性。

作为本发明的进一步改进，所述机翼上均安装有受机翼倾斜机构控制的副翼。

在机翼上均安装有受机翼倾斜机构控制的副翼，即每一片机翼上都安装有副翼，其产生的有益效果是，通过机翼倾斜机构可以控制副翼倾斜一定角度，从而控制无人机的姿态角，这样的结构，使得机翼在倾转和固定时定位准确。

位于机身两侧的机翼，无论是一对还是两对，还是若干多对，一对机翼，共两片，是作为一个整体横穿机身，其产生的有益技术效果是，两侧机翼可以整体进行调整倾斜，机翼是可活动的安装在机身上，机翼倾斜结构设置在机身里面，每对机翼对应设置有一个机翼倾斜机构，该机翼倾斜机构有3个舵机，1个是控制两片机翼倾斜的，还有2个是控制副翼倾斜的。

作为本发明的进一步改进，所述的动力装置均固装在所述机翼的中部，使得机翼具有足够的刚度和强度，避免机翼因固装有动力装置而出现变形，另外，

作为本发明的进一步改进，所述动力装置设有电机。

作为本发明的进一步改进，所述的尾翼包括两个水平尾翼和一个垂直尾翼。

采用本发明技术方案的可倾转定翼无人机，其显著优点为：

（1）可倾转定翼无人机采用推力换向形式，旋翼即可提供升力，又可提供水平前飞动力，动力利用效率高；

（2）机翼上还设计了副翼，使无人机在各种飞行模式下通过副翼，控制无人机的姿态角；

（3）转入水平飞行时推力向前倾转，由于翼面空气流速越低，气动效率越高，因此由机翼承担部分或全部升力，所以相同情况下，采用机翼获取升力的无人机比纯直升机具有更高的飞行效率，并由此得到更远的航程；

（4）由于采用四旋翼机构，当巡航过程中如有一个电机发生故障，无人机能继续飞行。

此外，发明人经过创造性劳动发现，机翼还可以采用双梁式结构，在机翼中部设置两个加强翼肋，动力装置电机安装于加强翼肋上，进一步固定电机与机翼的位置，同时保证了机翼不会由于电机的加重而断裂；机翼可以是上单翼，避免飞机机翼着陆时翼尖有触地的危险，上单翼布局可将机身吊在机翼下面，在一定程度上可保护机翼，防止触地；机翼可以是直机翼，其低速气动性能良好，诱导阻力小，升阻比大，直机翼的平面形状一般有矩形和梯形两种，矩形翼翼根先失速，具有内在的失速安全特性，且整个机翼的载荷分布也较为理想，而梯形翼具有柔和的翼尖失速特性，当根梢比选择的合适时，近似椭圆翼，整个机翼的载荷分布也较为适中，从制作和装配的角度考虑，矩形直机翼较梯形直机翼，其制作所需要的翼肋形状统一，制作和装配精度要求比较低，便于制作，工艺要求容易保证。

附图说明

下面结合附图和本发明的实施方式进一步详细说明：

    图1是现有技术电动倾转旋翼无人机中央开有旋翼涵道的机身结构示意图；

图2是现有技术电动倾转旋翼无人机的结构示意图；

图3是本发明的可倾转定翼无人机总体结构示意图；

    图4本发明直升机模式飞行时副翼气流影响示意图；

图5本发明的旋翼模式的结构示意图；

图6本发明的巡航模式的结构示意图；

其中：1-机身，2-机翼，3-副翼，4-动力装置，5-螺旋桨，6-机翼倾斜机构，7-水平尾翼，8-垂直尾翼，9-尾翼。

具体实施方式

为加深对本发明技术方案的理解，先对现有背景技术中提到的中国专利文献CN201712787U中公开的电动倾转旋翼无人机进行详细的描述。

下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

    如图1、2所示，现有的电动倾转旋翼无人机是这样实现的，中央开有旋翼涵道的机身101的涵道上连有旋翼旋转轴102，旋翼旋转轴102的中心内设有定位碳板架103，定位碳板架103的上、下端分别安装有动力电机104，两个动力电机104通过齿轮分别对应连接上旋翼105和下旋翼106，上旋翼105和下旋翼106的旋转轴同轴固定在定位碳板架103的中心，定位碳板架103的左、右侧分别连接两个舵机伺服器107,舵机伺服器107通过舵机摇杆108连接飞机姿态控制舵109，一飞机姿态控制舵109的侧边连有旋翼翻转伺服器110，中央开有旋翼涵道的机身101尾部设有推进螺桨111。

    采用上述技术方案的电动倾转旋翼无人机，其缺点正如背景技术部分所述：安全性能具有不可靠性，且升力欠佳导致起飞速度慢。

本实施例中，如图3所示，该可倾转定翼无人机包括机身1，机身1两侧设有两对对机翼2，即四片机翼2，机身1的尾部还设有尾翼9，还包括有可使机翼2倾斜的机翼倾斜机构6，每片机翼2上均固装有动力装置4，每个动力装置4上连接有一螺旋桨5，机翼2与动力装置4固装在一起，同时动作，所述螺旋桨5的旋转面与所述机翼2的水平面始终垂直，机翼倾斜机构6设置在所述机身1和机翼2的连接处，机翼倾斜机构6设有用来控制机翼2倾斜度的舵机，所述机翼2上均安装有受机翼倾斜机构6控制的副翼3，所述的动力装置4均固装在所述机翼2的中部，动力装置4设有电机，尾翼9包括两个水平尾翼7和一个垂直尾翼8，机翼2是上单翼，机翼2中部设置两个加强翼肋，电机安装于加强翼肋上。

电机和机翼2是固定在一起的，通过机翼倾斜机构6的舵机来控制机翼的倾斜，起飞时，启用垂直起降模式，电机和机翼2都处于垂直状态，起飞完成后，切换成巡航模式，电机和机翼2达到90度（这里所指的90度是旋转达到90度，使得电机和机翼2与水平面平行）进入巡航模式飞行，迅速执行飞行任务。

如图4所示，机翼2的中部设有螺旋桨5和副翼3，当无人机处于垂直起降和巡航模式时，控制副翼3与机翼2的相对角度来控制飞行器的偏航角；变异飞行模式时，通过调整副翼3的倾角来控制无人机的姿态角，以保证无人机的飞行稳定性；巡航模式中也是利用副翼3来控制无人机的三个姿态角。

如图5所示，起飞时，电机和机翼2处于垂直状态，螺旋桨5的旋转面平行于水平面，由螺旋桨5提供升力，当升力增大到一定程度时，无人机被垂直拉起，这种飞行模式下，两个转动自由度（俯仰，翻滚）是控制四个电机的转速来控制，此时尾翼9不起作用。

结合图6，当无人机处于巡航模式时，机翼2相对于机身1开始向前方倾斜，直至达到90度，这时升力由机翼2开始提供，无人机开始进行高速巡航飞行。巡航飞行时，机翼2与机身1相对位置锁死，机翼倾斜机构6停止工作，无人机姿态由副翼3控制，控制方式与一般的固定翼无人机相同。

降落时，机翼2与机身1解锁，机翼倾斜机构6开始工作，机翼2相对机身1往后倾转，使螺旋桨5的拉力转变为垂直向上，无人机的升力由螺旋桨5的升力替代，无人机开始减速，逐步变异为直升机模式，最终垂直着陆。

    上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，例如储物通道可以是在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种可倾转定翼无人机，包括机身（1），所述机身（1）两侧设有至少一对机翼（2），所述机身（1）的尾部还设有尾翼（9），其特征在于，还包括有可使机翼（2）倾斜的机翼倾斜机构（6），每片机翼（2）上均固装有动力装置（4），每个动力装置（4）上连接有一螺旋桨（5），机翼（2）与动力装置（4）固装在一起，同时动作，所述螺旋桨（5）的旋转面与所述机翼（2）的水平面始终垂直。

2.根据权利要求1所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述机翼倾斜机构（6）设置在所述机身（1）和所述机翼（2）的连接处，机翼倾斜机构（6）设有用来控制机翼（2）倾斜度的舵机。

3.根据权利要求1或2所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述机身两侧设有两对机翼（2）。

4.根据权利要求3所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述机翼（2）上均安装有受机翼倾斜机构（6）控制的副翼（3）。

5.根据权利要求4所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述的动力装置（4）均固装在所述机翼（2）的中部。

6.根据权利要求5所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述动力装置（4）设有电机。

7.根据权利要求6所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述的尾翼（9）包括两个水平尾翼（7）和一个垂直尾翼（8）。

8.根据权利要求1、2、4~8任一项所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述机翼（2）是上单翼。

9.根据权利要求1、2、4~8任一项所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述机翼（2）是直机翼。

10.根据权利要求9所述的可倾转定翼无人机，其特征在于，所述直机翼的平面形状是矩形或梯形。

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