CN103963972A - 一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机***的布局设计技术领域，具体来讲是一种利用翼尖连接/拖带技术与飞翼式斜翼机结合的无人机***。本无人机***由若干个相同的飞翼无人机通过翼尖对接的方式并联而成；所述的飞翼无人机的机翼与发动机之间在水平方向绕连接轴可转动。所述的翼尖对接的方式为：每个飞翼无人机的左翼尖与右翼尖设置有对应的翼尖对接与拖带机构，两个对接的飞翼无人机之间只能进行绕对接轴滚转的相对运动。本发明将可有效地提高升阻比，使每个无人机均获得更大的航程与航时，并且，能够兼顾中低速区、亚音速区和超音速区的飞行能力。在必要的时候，可以根据任务要求或者大气条件等实际情况在空中解散对接的编队或者重组编队。

Description

一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***

技术领域

本发明涉及一种无人机***的布局设计技术领域，具体来讲是一种利用翼尖连接/拖带技术与飞翼式斜翼机结合的无人机***。

背景技术

过去，人们开发出翼尖对接/拖带技术，并使用C-47/Q-14进行飞行试验；同时人们也正在开发如图1所视的飞翼式斜翼布局飞机。

20时机40年代至50年代，人们开发出翼尖对接/拖带技术，并使用C-47/Q-14进行飞行试验。翼尖对接/拖带技术的概念由德国科学家理查德·沃格特博士提出。给飞机两翼尖附加两块存放额外燃油的“自由飘浮”扩展段来增加飞机航程。其设计思想核心在于，使得扩展段能够相对于连接点做有限的运动，使扩展段自身的重量可以由其产生的气动升力支撑，这样整个***可以免受结构重量方面的不利影响。翼尖自由飘浮扩展段提高了基本机翼布局的展弦比，降低诱导阻力，增加航程。美国空军曾于20世纪40年代至50年代进行过该项技术的研究,并使用C-47/Q-14进行飞行试验，成功对接231次，后采用B-29拖挂F-84进行试验。

一般飞机的翼尖对接过程如下：由于一般飞机的翼尖存在从机翼下表面绕至上表面的翼尖环流，因此机翼对接不能以并排飞行逐步靠拢的方式进行。根据经验，一般应采取一架飞机翼尖相对在前而另一架在后，一方或者双方伸出一定长度的对接杆，对接杆的总长应能使两架飞机的翼尖环流不互相干扰。在前的飞机逐渐减速，使对接杆能锁住在后的飞机的对接机构，然后收回对接杆，使两架飞翼无人机的机翼贴合在一起并锁紧。

翼尖对接/拖带技术的研究历史在樟楠“并辔三“人”行——美国早期翼尖对接/拖带技术”，《兵器知识》2007年07期中可见，该文献在此通过引用并入本文。

上述翼尖对接/拖带技术只曾应用于有人驾驶飞机，在20世纪50年代后，由于空中加油技术的成熟与广泛应用而被放弃。一方面是由于该技术对于有人驾驶飞机来说，操作难度大于空中加油，另一方面是由于其应用范围具有较大的局限性，只能用于平直翼的飞机，对于后来出现的后掠翼、三角翼等跨音速和超音速飞机，没有实用意义，同时，当时的翼尖对接/拖带技术亦只局限于一架大型的轰炸机或者运输机两侧翼尖各拖带一架护航战斗机的场合，对于50年代后的空中作战、运输已经不具有太大的实用价值。

中国专利CN201210167457.2公开了一种只能在地面进行翼尖对接的常规布局飞机，其特点是起飞前在地面多架常规布局飞机进行翼尖的对接，一同起飞，利用其大展弦比的特点，获得高巡航性能，在任务需要时可以在空中解锁，分为多个单独的飞机执行任务。控制解锁后，飞机不能再进行对接。

美国国家航空航天局（NASA）在研究和实验的基础上层制造了小型斜翼验证机AD-1，近年由诺斯罗普·格鲁曼公司进行初始设计的“弹簧小折刀”(Switchblade)飞翼式斜翼验证机。斜翼机在原理上它与变后掠翼飞机相似。飞机在起飞、着陆和低速飞行时，机翼位置如图中的虚线所示，相当于平直机翼，这时机翼展长最大，诱导阻力小，升力系数大，起飞着陆和低速飞行性能好。飞机以高亚音速和超音速飞行时，机翼可绕枢轴转动某一角度（图中实线位置）。这时，一侧机翼前掠，另一侧机翼后掠，都可以推迟激波的产生,从而减小阻力,提高巡航时的升阻比，降低油耗。斜翼机与变后掠翼飞机的区别是当左半翼处于后掠位置时，右半翼则前掠。机翼在斜翼位置时，整个飞机横截面面积沿机身轴的分布较后掠翼飞机均匀，近于流线体，在降低波阻方面比后掠翼更为有利。斜翼机左右半翼连成一体，简化了机翼与机身的连接结构，但在斜置位置上左右半翼不对称，会由滚转操纵引起俯仰和偏航运动。斜置机翼飞机的研究历史在M.Hirschberg，D.Hart和T.Beutner的“A Summary of aHalf-Century of Oblique Wing Research”45th AIAA AerospaceSciences Meeting andExhibit,AIAA Paper2007-150,Jan.2007中可见，该文献在此通过引用并入本文。

中国专利CN101795939A公开了一种优化飞翼式斜翼机的方案，该方案主要针对单个飞翼式斜翼机进行外形设计，使得斜翼机获得更大的装载空间、更好的飞行性能以及相对满意的操纵方式。

既具备远程飞行、超长航时，又能在执行任务时进行超音速飞行，一直是无人机的重要发展目标。执行侦查与打击一体的任务是无人机的一个重要的发展方向，而其中侦查任务，需要飞机具有长航时，大航程的特性，为此，低烈度对抗环境中，侦查型的无人机一般采用大展弦比平直翼的飞翼布局或常规布局具，是飞机在中低速时有较低的诱导阻力，较高的升阻比。而进入高烈度对抗环境执行突防与打击任务时，无人机更希望具有超音速的飞行能力，而大展弦比平直翼飞翼布局则完全不适用于超音速飞行，因此人们考虑采用飞翼式斜翼机作为能够兼顾长航时侦查与超音速打击的一种布局方式，但由于飞翼式斜翼机的布局局限，使得该种飞机在姿态控制与航迹控制上具有较大的困难。因此如何在现有的条件下更有效地既能提高航时与航程，又能使飞机获得超音速的任务能力，是当今无人机设计的一个重要任务。

无人机均采用电传飞行控制***，能平稳、安全地控制飞机执行飞行任务，对一般飞机的姿态与航迹有很高的控制能力，无人机之间的空中加油技术日益完善，亦说明了无人机已经具有精确控制相对位置与运动的能力。

发明内容

本发明将多架外形相同的飞翼无人机利用机翼尖对接与拖带方法，编组成一个机翼并联的大型飞翼无人机***，有效地提高升阻比，使每个无人机均获得更大的航程与航时，并且，能够兼顾中低速区、亚音速区和超音速区的飞行能力。在必要的时候，可以根据任务要求或者大气条件等实际情况在空中解散对接的编队或者重组编队。

一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***，本无人机***由若干个相同的飞翼无人机通过翼尖对接的方式并联而成；

所述的飞翼无人机的机翼与发动机之间在水平方向绕连接轴可转动；

所述的翼尖对接的方式为：每个飞翼无人机的左翼尖与右翼尖设置有对应的翼尖对接与拖带机构，两个对接的飞翼无人机之间只能进行绕对接轴滚转的相对运动。

本发明的优点在于可以解决或缓解以下几个高性能无人机设计时的问题：

1、设计多个相同的飞翼无人机进行翼尖对接后飞行，使并联飞翼无人机***具有更大的展弦比，从而获得大航程、长航时能力，而分解后的单个飞翼无人机则具有超音速飞行能力，该***可兼顾大航程、长航时及超音速飞行能力。

2、相比固定式的大展弦比飞机，并联飞翼无人机***在受到强烈气流干扰时，可以解散为多个单独的飞翼无人机，避免无人机展弦比过大时容易产生气动弹性发散而解体；

3、组合成并联飞翼无人机***后，可以通过调整其中各个飞翼无人机的动力实现整体的航向改变，解决单个飞翼无人机飞机由于其布局特点改变航向困难，同时亦解决了单体的飞翼斜翼机载斜翼模式时操纵舵面会引起多个轴向的运动，无法解除耦合的问题；

附图说明

图1是实施例中可斜置机翼并联飞翼无人机***示意图。

图2是实施例中的一个飞翼无人机示意图。

图3是实施例中翼尖对接过程示意图。

图4是实施例中翼尖对接完成示意图。

具体实施方式

一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***，本无人机***由若干个相同的飞翼无人机通过翼尖对接的方式并联而成；

所述的飞翼无人机的机翼与发动机之间在水平方向绕连接轴可转动；

所述的翼尖对接的方式为：每个飞翼无人机的左翼尖与右翼尖设置有对应的翼尖对接与拖带机构，两个对接的飞翼无人机之间只能进行绕对接轴滚转的相对运动。

实施例1：参见图1，是一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***的示意图，该并联飞翼无人机***1，从右到左的2、3、4分别代表外形相同的3架相同的飞翼无人机，方框5所指定的区域代表飞翼无人机2与飞翼无人机3之间的对接机构，下文中将根据图3与图4进行介绍。虚线机翼6、7、8是并联飞翼无人机***1处于斜翼状态时的示意，此时单独的飞翼无人机6、7、8均处于发动机与机翼之间有倾斜角的状态。

在本发明中，相同的飞翼无人机数量可以等于且不限于3架。每架飞翼无人机采模块化设计，即：每架无人机具有相同的飞机平台，飞机外形、舱室大小及形状、吊挂的方式等均相同，同时应具备一般无人机所应该具有的飞行控制及管理***、数据链路和任务载荷能力等。每架飞机可以通过加装功能不同的任务舱室或者加挂不同的任务载荷，实现不同的功能。

A．飞翼无人机的一种设计方案：

参见图2,是本实施方式中飞翼无人机2的外形，该图为仰视图，即从飞机的下方向上观察。机翼11下方安装了发动机12，机翼11与发动机12之间，能绕旋转轴13进行旋转，如虚线机翼14。机翼11左右两边外侧后缘各有三片升降副翼15，用于完成飞翼式斜翼机的姿态操纵。

当多架无人机进行翼尖对接拖带飞行时，参见图4,每架无人机的右侧对接机构9将与其右侧的一架无人机的左侧对接机构10进行对接，整个编队从右往左依次一架一架对接，最终形成并联飞翼无人机***1。

形成并联飞翼无人机***1后，相邻的飞翼无人机之间只能绕对接轴进行滚转方向的小幅度相对运动（参见图3与图4），飞翼无人机之间相互的俯仰运动与偏航运动将保持一致。

B．翼尖对接与拖带方法

图3是图1中方框5所示位置的具体示意图，表示了本发明可采用的一种空中进行翼尖对接结构。图3以图1中的2号飞翼无人机的左侧对接机构10与3号飞翼无人机的右侧对接机构9的对接为例说明飞翼无人机之间的对接方式。图3所表示的的设计，是一种翼尖对接的方法，本发明可以采用该种对接方法，亦不限于该种方法。

在图3所示的对接方法中，飞行于左侧的飞翼无人机3的飞行位置相对靠前，而飞行于右侧的飞翼无人机2的位置相对靠后，两机处于同一高度。

飞翼无人机3的右翼尖的对接机构9中，在翼尖的翼肋41侧面安装了滚轴丝杠的驱动器23,驱动器23可以驱动丝杠22通过安装在翼尖的翼肋42的螺母24以及翼尖的翼肋43的螺母25沿翼展方向伸出或者收回，起到稳定丝杠22的运动方向的作用，丝杠22的右端装有对接杆21。

在翼尖的翼肋43后部外侧面安装有锁定环驱动电机26、主动斜齿轮27、被动斜齿轮28以及使锁定环29，驱动电机26与主动斜齿轮27固连，转动轴与机翼弦长方向平行，被动斜齿轮28与锁定换29固连，转动轴垂直于机翼平面。主动斜齿轮27与被动斜齿轮28咬合，实现把锁定换驱动电机26的转动转化为锁定环29的转动。

当对接杆21***对接通道30并回收到位时，锁定环驱动电机26驱动主动斜齿轮27转动，带动被动斜齿轮28逆时针转动，使锁定环29从机翼后缘逆时针运动，直到锁定环29扣住对接杆21，锁定环驱动电机26进行刹车锁紧，使锁定环29锁死。

飞翼无人机2的左翼尖的对接机构10为与对接杆21配合的锥形对接通道30，对接通道30与机翼之间有加强结构。

实行对接工作时，丝杠22伸出到最大位置，根据经验，一般伸出长度应在1.5米制2米之间，此时与丝杠末端相连的对接21杆应对准飞翼无人机3的左侧对接机构10的对接通道30，然后飞翼无人机3进行减速，使对接杆21伸入飞翼无人机2的对接通道30中，直到对接杆21贯通整个对接通道30，并在对接通道30后端伸出。此时驱动器23反方向转动，使丝杠22收回，通过对接杆21使飞翼无人机2与飞翼无人机3靠拢。当两个飞翼无人机靠近到最接近的距离是，如图4所示，安装在翼肋43后部外侧面的锁定环驱动电机26驱动主动斜齿轮27转动，带动被动斜齿轮28逆时针转动，从而使锁定环29从机翼后缘逆时针运动，直到锁定环29扣住对接杆21，锁定环驱动电机26进行刹车锁紧，使锁定环29锁死，从而两个飞翼无人机不会发生前后错位脱开。此时对接完成，飞翼无人机2与飞翼无人机3之间可以进行绕对接杆21的轴线31的小幅滚转运动，而俯仰轴和航向轴均相互锁死，不发生相对运动。

其中丝杠22与驱动器23之间的运动方式采用常见的滚轴丝杠，以及锁定环驱动电机26通过主动斜齿轮27与被动斜齿轮28使锁定环29运动的设计，均为常见的驱动方式，在此不对其原理进行说明。

飞翼无人机之间要进行解脱时，只要令锁定环驱动电机26解除刹车，使锁定环29处于自由释放状态，同时驱动器23转动使丝杠22伸出，左侧的飞翼无人机加速，右侧的飞翼无人机减速，则可以脱开翼尖对接，可分别飞行。

C．飞翼无人机的三轴操纵与稳定

如前所述，组成并联飞翼无人机***1之后，每个飞翼无人机之间不能进行相对的俯仰与偏航运动，只能进行较小幅度的滚转运动，因此进行组合之前的每架飞翼无人机应利用近距数据链进行组网，实现大气参数、姿态参数与指令的互相传输，在形成并联飞翼无人机***1后，确认以编队中央的一架飞翼无人机的运动数据为核心，结合本机的飞行参数，计算本机的操纵面运动，以保持编队中每架飞翼无人机的平稳飞行。

由于对接机构9、10可以承受一定俯仰方向的扭力，两架飞翼无人机之间的俯仰力矩差在合适的范围内，可以通过对接机构互相抵消，以保证并联飞翼无人机***1的各个飞翼无人机的俯仰姿态一致。对接之后飞翼无人机利用升降副翼15的差动，对滚转轴进行操纵与调整，而当所有飞翼无人机俯仰运动，均与并联飞翼无人机***1的俯仰运动一直，其运动是靠各个飞翼无人机的升降副翼15进行同向操纵，使整个并联飞翼无人机***1具有较一致的俯仰力矩，实现整体的俯仰运动。

而偏航方向，由于飞翼无人机对接完成之后，右侧飞翼无人机的左翼尖与左侧飞翼无人机的右翼尖可以完全贴合锁紧，因此相邻两架飞翼无人机的航向力矩不一致时，亦通过相互贴合锁紧的翼尖结构相互传力而抵消。

D．组合无人机的协调运动方法

无人机编队完成对接，形成并联飞翼无人机***1后，主要有爬升/下降和左右转弯两种运动方式。对于并联飞翼无人机***1来说，无论进行那种运动，只能做缓慢的机动，而不能进行激烈的操纵。

进行爬升/下降的运动时，操纵方案为，利用近距数据链通讯，使每架飞翼无人机的的升降副翼15进行协调操纵，存在俯仰力矩差值时，可以通过对接机构传递力矩，使各个飞翼无人机之间的俯仰力矩基本一致，升降速度基本一致，从而实现稳定爬升或下降。

在进行转弯运动时，与飞翼无人机单独的转弯操纵完全不一样，并联飞翼无人机***1的转弯应为水平转弯，即并联飞翼无人机***1整体不进行滚转运动的转弯，不利用传统的副翼操纵方式，而是利用转弯方向外侧的飞翼无人机加速飞行，内侧飞翼无人机保持飞行速度不变的方式进行转弯运动。具体的转弯操纵不妨以左转弯为例进行说明。

当并联飞翼无人机***1需要左转弯时，最右侧的2号飞翼无人机加大动力进行加速，从右向左动力依次减小，最左侧的4号飞翼无人机保持原有动力不变。此时，外侧的飞翼无人机由于飞行速度提高，机翼11上的升力将增大，会存在自然爬升的趋势，因此每架飞翼无人机的应对升降副翼组15进行复合操纵，使每架飞翼无人机的速度改变而高度不变，具体操作方法与前面所述的改变高度的方式类似。完成转弯后，每架飞翼无人机的动力输出重新修正为近似值，使组合无人机1重新进入直线飞行的状态。

当需要并联飞翼无人机***1进行亚音速飞行时，所有飞翼无人机应同时进行发动机转向，并使并联飞翼无人机***1形成一个加长后掠翼的形式。此时飞机的爬升、下降与转弯均与平直飞翼的状态类似。

E．组合与解散

并联飞翼无人机***1的连接可以在地面或者空中进行。如果机场条件具备，可以在地面由若干架飞翼无人机事先对接完毕，形成并联飞翼无人机***1后起飞；亦可以在地面条件较差时，多架飞翼无人机分别起飞，在本场上空编队，并完成对接形成并联飞翼无人机***1之后再开始执行任务。

一般而言，整个无人机编队应尽量保证巡航/巡逻阶段处于并联飞翼无人机***1的状态，而当执行任务需要时，需要集散组合，开始执行任务。解散时，应从最左侧的一个对接开始依次解开锁定机构，伸出对接杆，左侧的飞翼无人机加速自动脱离编队，依次逐渐脱离编队，执行任务。需要重新组合时，则自右向左逐个进行对接，组成并联飞翼无人机***1，进行巡航或返航。

当对接完成后的飞机受到较大扰动时，翼尖对接处存在较大应力时，机翼对接的丝杠22迅速伸出，锁定环29解开，外侧的飞机自动加速脱离编队。最严重的情况下，翼尖的对接结构受到损坏，每个飞机仍可以靠自身的动力返航。

在实际应用中，飞机的大小总受到起降场地的限制，因此，为了更高的巡航升阻比而采用大展弦比飞机布局时，飞机的大小会受到机场跑道宽度的限制，对于本设计或者其他类似的设计而言，在地面对飞机予以连接并同时起飞，并不现实，而且在地面上飞机的运动自由度受限地面与跑道方向的限制，地面进行连接一同起飞，其风险性将高于在空中进行对接。

本发明还具有其他潜在优点。如进行战术突防时，先以组合无人机的方式接近对方防区，在被锁定为目标后，解散编队，实施多路突防，提高战术任务的完成率和飞机的完好率。另外，采用本发明，可以推进无人机的模块化设计，提高无人机平台的通用性与部件的互换性，降低生产与使用成本。

根据前述公开内容，在所附权利要求的范围内，本发明的飞机的多种其他变例，对于本领域技术人员将是可以想到的。由于在不背离本发明的范围的情况下在前述结构中可以进行各种改变，因而包含在上述说明中的或显示在附图中的所有内容，应被理解为是示例性的，而不是限制性的。

Claims (2)

1.一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***，其特征是，本无人机***由若干个相同的飞翼无人机通过翼尖对接的方式并联而成；

所述的飞翼无人机的机翼与发动机之间在水平方向绕连接轴可转动；

所述的翼尖对接的方式为：每个飞翼无人机的左翼尖与右翼尖设置有对应的翼尖对接与拖带机构，两个对接的飞翼无人机之间只能进行绕对接轴滚转的相对运动。

2.如权利要求1所述的一种翼尖对接的可斜置机翼并联飞翼无人机***，其特征是，所述的每个飞翼无人机的右翼尖的对接机构中，在翼尖上安装了滚轴丝杠的驱动器,驱动器可以驱动丝杠通过翼尖上的螺母沿翼展方向伸出或者收回，丝杠22的右端装有对接杆；飞翼无人机的左翼尖的对接机构为与对接杆配合的锥形对接通道

在翼尖上还安装有锁定环驱动电机、主动斜齿轮、被动斜齿轮以及使锁定环，驱动电机与主动斜齿轮固连，转动轴与机翼弦长方向平行，被动斜齿轮与锁定换固定连接连，转动轴垂直于机翼平面，主动斜齿轮与被动斜齿轮咬合；

当对接杆***对接通道并回收到位时，锁定环驱动电机驱动主动斜齿轮转动，带动被动斜齿轮逆时针转动，使锁定环从机翼后缘逆时针运动，直到锁定环扣住对接杆，锁定环驱动电机进行刹车锁紧，使锁定环锁死。