CN105730692B - 一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器 - Google Patents

一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器，分为四旋翼***、倾转机构与飞行器主体。所述四旋翼动力***为四个由螺旋桨发动机驱动的四个螺旋桨；所述倾转机构通过倾转轴安装在机身中部；具有沿周向分布的四个发动机支撑机构，每根发动机支撑机构端部安装有一个上述螺旋桨发动机；在倾转轴垂直于水平面时，在机翼前方与后方各有两个螺旋桨发动机，且分别位于机身左右两侧，相互对称；同时位于机身左侧与右侧的两个螺旋桨发动机对称。垂直起飞时，由四旋翼动力***主要提供垂直方向的升力；起飞后，通过倾转机构实现四旋翼的整体倾转并进行锁定，进入平飞模式。本发明的优点为：飞行器的安全可靠性较高，且四旋翼动力***中螺旋桨不受机翼遮挡，效率高提高了机翼的效率。

Description

一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器
技术领域
本发明属于飞机设计领域，涉及一种新型垂直起降飞行器的布局形式，具体涉及利用四个旋翼的整体倾转以实现垂直起降后转换为平飞状态的飞行器布局。
背景技术
我国具有广阔的海事监管水域，仅南海部分水域面积就有356万平方公里，最南方的曾母暗沙距大陆长达2000公里。而当前我国海事部门主要装备的是中小型舰船，受舰船条件限制仅能起降舰载直升机或小型固定翼飞机。舰载直升机速度慢、航时短，而小型固定翼飞机则功能单一、航时较短且回收困难，当出现突发情况时，现有飞机难以做出有效的应急响应。因此，迫切需要一种可在中小型舰船甲板垂直起降，长航时，且能像固定翼一样高速巡航的无人机，以增强我国海事监管能力。同时，该无人机还可用于城市、森林、戈壁等缺少滑跑起降条件的地区，以执行城市规划、治安监控、灾区观测还是战场侦察等任务。
目前已有的无人垂直起降方案主要分为以下几类：无人直升机、动力倾转式、尾座式、复合动力式以及由其衍生出的旋翼转换式。无人直升机的巡航速度和前进效率不及固定翼；动力倾转式飞行器起飞后各发动机分别向前倾转，在倾转过程中，桨盘和发动机与机身的动力学关系使控制***十分复杂，且安全程度不高；尾座式采用竖直起飞改变俯仰转入平飞的飞行方式，然而其在竖直放置时重心过高，迎风面积过大，不利于在复杂环境下使用；复合动力式使用专用的发动机进行垂直起降，再使用专用的发动机转为平飞，在各个飞行阶段均有部分发动机不发挥作用，形成死重；旋翼转换式使用无人直升机的方式起降，使用前进发动机转为平飞，平飞时旋翼锁定成为机翼，效率比复合动力式和无人直升机高，缺点是旋翼产生反扭矩作用，动力***复杂，需要专用的偏转、止动、锁死装置。相比而言，旋翼转换式飞行器更适合于高速远程飞行，如美国V-22“鱼鹰”飞机即采用了该形式方案。然而，V-22“鱼鹰”飞机倾转机构较为复杂，技术难度和成本高。此外，V-22“鱼鹰”飞机的两台发动机布置在机翼外段，结构强度要求高，重量大，旋翼还受到了机翼的遮挡，效率受到了一定的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种四旋翼整体倾转的复合式飞行器布局，由可倾转台架连接四旋翼动力***和固定翼，通过可倾转台架倾转动力***实现垂直起降到平飞的变换过程。
本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，包括机身、机翼、水平尾翼与竖直尾翼的飞行器主体，其特征在于：还具有四旋翼动力***与倾转机构；
所述四旋翼动力***为四个由螺旋桨发动机驱动的四个螺旋桨；所述倾转机构通过倾转轴安装在机身中部；具有沿周向分布的四个发动机支撑机构，每个发动机支撑机构上安装有一个上述螺旋桨发动机；在倾转轴垂直于水平面时，在机翼前方与后方各有两个螺旋桨发动机，且分别位于机身左右两侧，相互对称；同时位于机身左侧与右侧的两个螺旋桨发动机对称。
在飞行器垂直起飞时，四旋翼动力***主要提供垂直方向的升力，由飞控***对四旋翼动力***中四个螺旋桨发动机进行控制，使四旋翼动力***处于正常飞行状态此时四个螺旋桨发动机转速相同，转向中心对称。当飞行器上升至预定高度后，转入平飞模式，控制倾转轴转动至与水平面平行，此时飞行器处于稳定平飞状态。飞行器降落时，控制倾转轴转动至与水平面垂直，控制飞行器缓慢下降实现垂直降落。
本发明的优点在于：
1、本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，垂直起飞前自身的重心位置低，更能适应复杂海情，适用于岛礁、军用民用舰船。
2、本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，动力***整体倾转，倾转前后等效轴距等影响力学特征的参数几乎不变，飞行控制***大大简化。
3、本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，倾转后，四旋翼动力***中螺旋桨位于机翼附近，加速了机翼上下表面气流的流速，局部区域等效空速增加，提高了机翼的效率。
4、本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，四旋翼动力***中螺旋桨不受机翼遮挡，效率高。
5、本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，四旋翼动力***在垂直起降、悬停阶段的控制方式比以往的垂直起降飞行器更为有利，安全可靠性较高。
附图说明
图1为本发明一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器垂直起降模式时正视示意图；
图2为本发明一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器垂直起降模式时俯视示意图；
图3为本发明一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器垂直起降模式时侧视示意图；
图4为本发明一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器平飞模式时侧视示意图。
图中：
1-四旋翼动力*** 2-倾转机构 3-飞行器主体
101-螺旋桨 102-螺旋桨发动机 201-倾转轴
202-旋翼***安装架 202a-发动机支撑机构
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器，包括四旋翼动力***1、倾转机构2与飞行器主体3，如图1所示。
所述四旋翼动力***1为由四个螺旋桨101、四个螺旋桨发动机102构成，提供飞行器主体的飞行动力的动力***，如图2所示。每个螺旋桨101对应一个螺旋桨发动机102，固定安装在螺旋桨发动机102的输出轴上，通过螺旋桨发动机102驱动螺旋桨101转动，为飞行器提供飞行动力。四个螺旋桨发动机102均安装在可倾转机构2上。
所述倾转机构2包括倾转轴201与旋翼***安装架202，如图3、图4、所示。其中，倾转轴201水平设置，通过轴承设置于飞行器主体的机身中部下方，两端分别与机身1左右侧壁通过轴承相连。旋翼***安装架202为由4个发动机支撑机构构成的一体结构，实施例中采用发动机支撑机构采用L形支撑杆结构202a；4个发动机支撑机构202a周向分布且相接，相接位置安装在倾转轴501上。4个发动机支撑机构202a上分别安装四旋翼动力***1中的四个螺旋桨发动机102。由此，倾转过程中旋翼***安装架202可实现与水平面平行到垂直的转动变化，牵动倾转轴201转动，进而可实现四旋翼***1中四个螺旋桨401的动力输出方向的改变；且为了倾转机构2在旋转过程中不受机身的阻碍，因此本发明中将飞行器机身中位于倾转轴201后方的机身底部设计低于机身其他位置的底面，即飞行器机身中位于倾转轴201后方的机身底部为内凹面。
令四个螺旋桨发动机102分别为螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B、螺旋桨发动机C与螺旋桨发动机D；当控制倾转机构2垂直于水平面时，四个螺旋桨发动机202的动力输出方向均朝向正下方，如图2所示；且螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B均位于飞行器主体中机翼的前方，位于机身的左右两侧，相互对称；螺旋桨发动机C与螺旋桨发动机D分别位于机翼的后方，位于机身的左右两侧，相互对称。四个螺旋桨发动机102均位于飞行器主体3的机翼平面上方，且整个四旋翼动力***1在水平面上的投影位于飞行器主体上机翼在水平面上的投影外部，此时飞行器飞行模式为垂直起降模式；而当倾转机构2倾转至平行于水平面时，飞行器飞行模式为平飞模式，如图3所示，且此时，四旋翼动力***1中的四个螺旋桨101推进产生的气流将避开飞行器主体3上固定翼中水平与竖直尾翼，避免了气动干扰，同时，四旋翼动力***1中，位于飞行器主体3机身同侧的两个螺旋桨101分别位于机翼上下两侧，靠近机翼表面，进而加速了机翼上下表面气流的流速，局部区域等效空速增加，提高了机翼的效率。上述在倾转机构2倾转过程中，四旋翼动力***1的质心始终位于倾转轴201的铅垂方向上方，减轻倾转机构2的负担。
通过上述倾转机构2，在飞行器飞行模式(垂直起降和平飞)转换过程中几乎不承担力矩，主要起维持和改变倾转角度的作用，在飞行器平飞模式和悬停模式时倾转轴201锁死，主要起起传递力矩作用。且本发明中，在飞行器飞行过程中，无需进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，四个螺旋桨发动机102转速相同，转向中心对称。
本发明倾转四旋翼长航时复合式飞行器的飞行过程具体为：
垂直起飞时，四旋翼动力***1主要提供垂直方向的升力，由飞控***对四旋翼动力***1中四个螺旋桨发动机102进行控制，使四旋翼动力***1处于正常飞行状态；在需要进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，还可由飞控***控制四个螺旋桨发动机102分别驱动四个螺旋桨101动力的差动来实现。当飞行器上升至预定高度后，转入平飞模式，由飞控***对四个螺旋桨发动机102差动控制，使四旋翼动力***1产生低头力矩(绕倾转轴201转动的力矩)，进而使自身旋转，倾转机构2进行随动转动，直至倾转机构2转动至与飞行器机头朝向(平飞时即水平方向)平行，倾转轴201锁死，此时飞行器处于稳定平飞状态。上述过程中，飞行器处于平飞加速状态时，飞行器的飞行速度逐渐增加，机翼开始产生升力，由四旋翼动力***1中四个螺旋桨直接产生的升力占总升力的比重逐渐减小。平飞时飞行器的俯仰、滚转以及偏航操纵主要由机翼以及平垂尾完成，四旋翼动力***1可作为辅助。飞行器降落过程类似，倾转轴201锁定解除，由飞控***对四个螺旋桨发动机102进行差动控制，使四旋翼动力***1缓慢调节自身角度，并产生正仰角使推力产生阻止飞行器前进的水平方向分量，倾转轴201随动，飞行器进入水平减速状态，飞行器的水平速度减为0时倾转轴201转动至与水平面垂直，控制飞行器缓慢下降实现垂直降落。

Claims (3)

1.一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器，包括飞行器主体；飞行器主体具有机身、机翼、水平尾翼与竖直尾翼，其特征在于：还具有四旋翼动力***与倾转机构；
所述四旋翼动力***为四个由螺旋桨发动机驱动的四个螺旋桨；所述倾转机构通过倾转轴安装在机身中部；倾转机构包括倾转轴与旋翼***安装架；其中，倾转轴设置于飞行器主体的机身中部下方，两端分别与机身左右侧壁通过轴承相连；旋翼***安装架为由4个发动机支撑机构构成的一体结构，发动机支撑机构采用L形支撑杆结构；4个发动机支撑机构周向分布且相接，相接位置安装在倾转轴上；4个发动机支撑机构上分别安装四旋翼动力***中的四个螺旋桨发动机；由此，倾转过程中旋翼***安装架可实现与水平面平行到垂直的转动变化，牵动倾转轴转动，进而可实现四旋翼***中四个螺旋桨的动力输出方向的改变；且将飞行器主体的机身中位于倾转轴后方的机身底部设计低于机身其他位置的底面；
上述倾转轴垂直于水平面时，在机翼前方与后方各有两个螺旋桨发动机，且分别位于机身左右两侧，相互对称；同时位于机身左侧与右侧的两个螺旋桨发动机对称。
2.如权利要求1所述一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：四旋翼动力***的质心始终位于倾转轴的铅垂方向上方。
3.如权利要求1所述一种倾转四旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：当倾转轴垂直于水平面时，四旋翼动力***在水平面上的投影位于飞行器主体上机翼在水平面上的投影外部。
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