CN106240814A - 一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，由机身、机翼、电机、螺旋桨、起落装置组成，机身轴线与体轴系OX轴重合，在体轴系XOY平面内的投影呈X型分布；机身上的每片机翼分为几段，每段具有不同的后掠角和上反角，并采用正弯翼型和反弯翼型达到优越的气动和操纵性能；四片机翼上距离体轴系OX轴相同的位置处安装一组螺旋桨电机动力***；四组动力装置在垂直起降过程中以X型四旋翼模式起飞，并通过电机拉力的不同或与操纵面的配合完成转换操作进入巡航状态，整个过程中通过电机的拉力改变完成所需操纵。飞行器动力装置简单，控制方式可靠，并能有效地利用螺旋桨滑流，适合作为尾坐式垂直起降无人机的飞行平台。

Description

一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器
技术领域
本发明涉及一种垂直起降飞行器，具体地说，涉及一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器。
背景技术
巡航速度飞行包线是如今固定翼飞行器特别重视和追逐的设计目标，因此具有垂直起降能力和定点悬停能力，并具有快速巡航能力的飞行器是当今时代的目标，尤其是在军用飞行器和小型无人机中更为明显，例如美国倾转旋翼的鱼鹰V-22，F35以及小型飞行器中大疆的巡航速度稍差的精灵系列旋翼等。它们都依靠着独特的垂直起降能力以及悬停能力摆脱了起降场地的限制，吸引了大众的关注。尾坐式垂直起降飞行器是垂直起降飞行器中的独特的一族，它可以通过尾坐式站立起飞，通过动力操纵以及舵面偏转实现起飞、巡航到降落的过程，以及巡航悬停状态转换，丰富的诠释了其垂直起降能力以及高速巡航的能力。
在现有的飞行器中，飞行器多以操纵面实现飞行器的操纵，并以飞翼布局气动效率较高。对于尾坐式垂直起降的飞行器，例如，发明专利CN103979104A，在垂直起降的过程中地面效应严重并且飞行器的飞行速度较高，舵面基本无效，仅可依靠螺旋桨滑流下的微弱舵效，因此以可动操纵面作为操纵方式对于垂直起降过程效果很差。此外，舵面偏转实现操纵的同时也增加了飞行器的配平阻力，较低了飞行效率。
但对于小型飞行器所处的低雷诺数流体机制，例如，专利CN102133926B，一般需要采用反弯翼型来配平飞行器，以减小巡航阻力，然而这种反弯翼型的采用却对飞翼布局的气动效率大打折扣。此外为了保证飞行器的横航向稳定性，需要增加垂直尾翼，增加了飞行中的重量和阻力。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，该飞行器具有四组动力***，分别安装在X型机翼的对应位置，在动力***提供动力的同时，通过动力差异的匹配完成飞行任务所需要的滚转，俯仰和偏航操纵，完全不需要有操纵面的参与，操纵简单可靠，提高了飞行过程中飞机的气动效率和操纵性；作为备用操纵***，可增加操纵面提高飞行器的生存力；同时通过上下部分机翼分别采取不同的翼型以及内外段机翼分别采取不同的上反角及后掠角，X型机翼匹配采取两种翼型的方法简单，改善了飞行器的气动特性与操纵特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括机身、机翼、电机、螺旋桨、起落装置，所述机身为沿体轴系X轴的流线型细长舱体，其内部设有电子调速器、自动驾驶仪、数据链机载终端、任务载荷以及动力电池；所述机翼分为四部分，关于体轴系XOZ平面左右对称，在体轴系XOY平面内投影为X型，上部分根部机翼上反，下部分根部机翼下反，分别安装在机身上，上下部分根部机翼夹角为10～90度；所述电机设置在每部分机翼的前缘，与体轴系OX轴距离相同，所述螺旋桨设置在电机的枢轴上，机翼、电机、螺旋桨均为四个，电机连接电子调速器，电子调速器的信号线与自动驾驶仪相连，自动驾驶仪与数据链机载终端双向连接，由电池供电；其特征在于每部分机翼为沿展向的分段式机翼，段数为大于1的整数，对应部分的机翼关于体轴系XOZ平面左右对称，每部分机翼的每段有不同的后掠角和上反角；在体轴系OX方向上的上下两部分同时采用正弯翼型或者反弯翼型，或上下两部分分别采用正弯翼型和反弯翼型；所述电机与所述螺旋桨组成的动力***为四组，每部分机翼的对应位置安装一组动力***，四组动力***成X型分布，电机螺与旋桨动力***提供动力，同时为提供飞行器所需要的操纵，通过拉力差异完成全部飞行过程中的操纵。
XOY平面上部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，或XOY平面下部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小，拉力减小，完成低头俯仰操纵；XOY平面上部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，或XOY平面下部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，完成抬头俯仰操纵；通过XOZ左侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，或XOZ平面右侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，完成向右偏航操纵；通过XOZ左侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，或XOZ平面右侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，完成向左偏航操纵；通过对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加或减小转速，扭矩增加或减小，或对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小或增加转速，扭矩减小或增加，完成与增加转速的螺旋桨转向相反方向的滚转操纵。
每部分机翼上分别布置可动操纵面，作为电机动力***的备份操纵***，可动操纵面关于体轴系XOZ平面左右对称各两个，通过XOZ平面两侧可动操纵面分别向体轴系Z轴的不同方向偏转产生绕OX轴的滚转力矩；通过XOZ平面两侧可动操纵面同时向体轴系Z轴的相同方向偏转产生绕OY轴的俯仰力矩；通过XOZ平面某一侧的两片可动操纵面向体轴系Z轴的不同方向偏转、XOZ平面另一侧的两片可动操纵面不偏转产生绕OZ轴的偏航力矩。
有益效果
本发明提出的一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器,与现有技术相比其特点在于:
本发明采用四组动力***，可组成似四旋翼的动力***排布，使得飞行器的垂直起降和悬停稳定高效；四组动力***匹配X型飞翼布局的机翼，提高了飞行器的巡航速度，增加了飞行的任务半径；四组动力***不仅提供动力，而且也是飞行器的操纵***，使得动力利用更充分，可靠高效，改善了常规飞行器在配平时舵面偏转所带来的气动效率降低的问题，对于垂直起降过程中地面效应所带来的舵面基本无效问题起到决定性的改良效果。
本发明X型的机翼布局形式，在有效地展长下增加了飞行器的机翼面积，并且采用四组动力***，滑流中的机翼面积更多，有效地提高了飞行器的气动效率。
本发明的四片机翼的每片机翼均为沿展向的分段式机翼，根据设计目标分段，段数为大于1的整数，并且每段具有不同的后掠角和上反角，以形成类似鸥式布局的机翼形式，改善了机翼表面的展向流动，提高了飞行器的气动特性和横航向的稳定性与操纵性，省去了垂直尾翼带来的重量和气动效率代价。
本发明的上下部分机翼可以分别采用正弯翼型和反弯翼型，解决了飞翼布局飞行器为了兼顾稳定性而牺牲气动效率的问题，X型机翼匹配采取两种翼型的方法简单，有效的解决了单翼飞行器难以解决的气动问题，而不需要复杂的机翼扭转设计，此外，不同翼型的应用可以使得飞行器设计时的俯仰力矩特性设计简单有效可控。
本发明技术动力装置简单，动力***提供操纵可靠高效，采用不同翼型的类似X型的分段式机翼气动效率良好，适合作为多任务的无人机***的飞行器平台。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器作进一步详细说明。
图1为本发明动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器示意图。
图2为本发明垂直起降飞行器提供动力时的螺旋桨转向示意图。
图3a为螺旋桨提供操纵时的俯仰操纵示意图。
图3b为螺旋桨提供操纵时的偏航操纵示意图。
图3c为螺旋桨提供操纵时的滚转操纵示意图。
图4a为与XOZ平面平行的A-A剖面的展向站位示意图。
图4b为上下机翼部分分别采用正弯翼型和反弯翼型时A-A剖面的示意图。
图5a为操纵面作为备份操纵***时的操纵面完成俯仰操纵示意图。
图5b为操纵面作为备份操纵***时的操纵面完成滚转操纵示意图。
图5c为操纵面作为备份操纵***时的操纵面完成偏航操纵的示意图。
图6为本发明内外段机翼采用不同的上反角的示意图。
图中
1.机翼 2.机身 3.电机 4.螺旋桨 5.起落装置
具体实施方式
本实施例是一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，飞行器具有四组动力***，分别安装在X型机翼的对应位置，在动力***提供动力的同时，通过动力差异的匹配完成飞行任务所需要的滚转、俯仰和偏航操纵，完全不需要有操纵面的参与，提高了飞行过程中飞机的气动效率和操纵性；作为备用操纵***，能增加操纵面提高飞行器的生存力；同时通过上下部分机翼分别采取不同的翼型以及内外段机翼分别采取不同的上反角及后掠角，X型机翼匹配采取两种翼型的方法简单，而不需要复杂的机翼扭转设计，改善了飞行器的气动特性与操纵特性。
参阅图1～图6，本实施例动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，包括机身2、机翼1、电机3、螺旋桨4、起落装置5，机身2为沿体轴系X轴的流线型细长舱体，其内部设有电子调速器、自动驾驶仪、数据链机载终端、任务载荷以及动力电池。机翼1分为四部分，关于体轴系XOZ平面左右对称，在体轴系XOY平面内投影为X型，分为上下两部分，上部分根部机翼上反，下部分根部机翼下反，分别安装在机身2上。电机3设置于每部分机翼2的前缘，与体轴系OX轴距离相同；螺旋桨4设置在电机3的枢轴上，机翼1、电机3、螺旋桨4均为四个。电机3连接电子调速器，电子调速器的信号线与自动驾驶仪相连，自动驾驶仪与数据链机载终端双向数据连接；电机3、电子调速器、自动驾驶仪、数据链机载终端和数字图像传感器均有电池供电。
本实施例中，机翼的每部分机翼均为分段式机翼，对应部分的机翼关于体轴系XOZ平面左右对称，每部分机翼的每段具有不同的后掠角和上反角，后掠角可选取在0～30度，根部机翼上反角选取在0～45度之间，除根部机翼外的其它段机翼的上反角可选取在-45～45度之间，形成似鸥式机翼的布局形式。机翼内外段不同的上反角θ1和θ2根据设计目标确定，根部机翼上反角为20度，外段上反角为1度。在体轴系OX方向上的上下两部分同时采用正弯翼型或者反弯翼型，或上下两部分分别采用正弯翼型和反弯翼型，并且后者会带来更好的气动特性和俯仰操纵效果。下部分机翼采用正弯翼型SD7062，上部分机翼采用反弯翼型S5010；机翼上不布置任何操纵面。
电机3和螺旋桨4组成的动力***共四组，每部分机翼的对应位置安装一组动力***，四组动力***组成X型分布，电机螺旋桨动力***不仅提供动力，同时提供飞行器所需要的操纵，通过拉力差异完成全部飞行过程中的操纵；此外由于滑流区内机翼面积增大，改善了飞行器的气动特性。
动力***提供动力的方式为对角的动力***螺旋桨转向相同，相邻的动力***螺旋桨转向相反。
结合示意图，对含操纵面作为备份操纵***时的操纵面操纵控制方式进行说明。图3中箭头向上表示螺旋桨转速增加或拉力增大，箭头向下表示螺旋桨转速降低或拉力减小，飞行器在动力***操纵时的螺旋桨变化如下:
XOY平面上部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，或XOY平面下部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，完成绕OX轴低头俯仰操纵；
通过XOZ左侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，或XOZ平面右侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，完成绕OZ轴的向左偏航操纵，反之，完成绕OZ轴向右偏航操纵；
通过对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加或减小转速，扭矩增加或减小，或对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小或增加转速，扭矩减小或增加，完成与增加转速的螺旋桨转向相反方向的滚转操纵；
结合示意图，对动力***作为操纵***时的操纵控制方式进行说明。图5中每部分机翼上各布置可动操纵面，作为电机动力***的备份操纵***，提高飞行器的可靠性和生存力。
通过XOZ平面两侧可动操纵面同时向体轴系Z轴的相同方向偏转产生绕OY轴的俯仰力矩；
可动操纵面关于体轴系XOZ平面左右对称各两个，通过XOZ平面两侧可动操纵面分别向体轴系Z轴的不同方向偏转产生绕OX轴的滚转力矩；
通过XOZ平面一侧的两片可动操纵面向体轴系Z轴的不同方向偏转、XOZ平面另一侧的两片可动操纵面不偏转产生绕OZ轴的偏航力矩。
飞行器的典型任务如下:垂直起飞，到达预定任务高度后，在自动驾驶仪的操纵下，通过调整四组动力***的拉力差异，实现俯仰操纵，从悬停飞行转入巡航飞行状态。任务结束后，再由巡航转入悬停状态，缓慢下降高度完成垂直降落。通过四组动力***同时提供动力和姿态操纵，在X型机翼布局上采取内外段不同后掠角和上反角、上下部分不同的翼型，达到了提高飞行器的飞行气动效率和稳定性、操纵性，简单可靠，结构紧凑，节省重量。

Claims (3)

1.一种动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，包括机身、机翼、电机、螺旋桨、起落装置，所述机身为沿体轴系X轴的流线型细长舱体，其内部设有电子调速器、自动驾驶仪、数据链机载终端、任务载荷以及动力电池；所述机翼分为四部分，关于体轴系XOZ平面左右对称，在体轴系XOY平面内投影为X型，上部分根部机翼上反，下部分根部机翼下反，分别安装在机身上，上下部分根部机翼夹角为10～90度；所述电机设置在每部分机翼的前缘，与体轴系OX轴距离相同，所述螺旋桨设置在电机的枢轴上，机翼、电机、螺旋桨均为四个，电机连接电子调速器，电子调速器的信号线与自动驾驶仪相连，自动驾驶仪与数据链机载终端双向连接，由电池供电；其特征在于:每部分机翼为沿展向的分段式机翼，段数为大于1的整数，对应部分的机翼关于体轴系XOZ平面左右对称，每部分机翼的每段有不同的后掠角和上反角；在体轴系OX方向上的上下两部分同时采用正弯翼型或者反弯翼型，或上下两部分分别采用正弯翼型和反弯翼型；所述电机与所述螺旋桨组成的动力***为四组，每部分机翼的对应位置安装一组动力***，四组动力***成X型分布，电机螺与旋桨动力***提供动力，同时为提供飞行器所需要的操纵，通过拉力差异完成全部飞行过程中的操纵。
2.根据权利要求1所述的动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，其特征在于:XOY平面上部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，或XOY平面下部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小，拉力减小，完成低头俯仰操纵；XOY平面上部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，或XOY平面下部分机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，完成抬头俯仰操纵；通过XOZ左侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，或XOZ平面右侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，完成向右偏航操纵；通过XOZ左侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小转速，拉力减小，或XOZ平面右侧机翼上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加转速，拉力增加，完成向左偏航操纵；通过对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时增加或减小转速，扭矩增加或减小，或对角线上的两组电机和螺旋桨动力***同时减小或增加转速，扭矩减小或增加，完成与增加转速的螺旋桨转向相反方向的滚转操纵。
3.根据权利要求1所述的动力操纵的尾坐式混合布局垂直起降飞行器，其特征在于:每部分机翼上分别布置可动操纵面，作为电机动力***的备份操纵***，可动操纵面关于体轴系XOZ平面左右对称各两个，通过XOZ平面两侧可动操纵面分别向体轴系Z轴的不同方向偏转产生绕OX轴的滚转力矩；通过XOZ平面两侧可动操纵面同时向体轴系Z轴的相同方向偏转产生绕OY轴的俯仰力矩；通过XOZ平面某一侧的两片可动操纵面向体轴系Z轴的不同方向偏转、XOZ平面另一侧的两片可动操纵面不偏转产生绕OZ轴的偏航力矩。
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