CN107226207A - 一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面 - Google Patents
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Abstract
本发明及一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，包括复合舵面本体，所述复合舵面本体分为上舵面及下舵面，所述复合舵面本体安装在机翼末端，所述机翼一侧设有发动机短舱，所述发动机短舱尾端设有螺旋桨；所述机翼包括前翼及后翼，所述机翼翼根安装有机翼倾转机构；所述发动机短舱与机翼固定连接，且发动机短舱与机翼在倾转机构驱动下可以绕倾转轴倾转。本发明的优点是，垂直起降飞行器在悬停时通过调节安装在机翼上的复合舵面的开角量来实现，平飞时复合舵面发挥普通多面功能，控制***简单易行，结构简单，响应迅速。
Description
技术领域
本发明及一种飞行器复合舵面，具体涉及一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面。
背景技术
倾转旋翼机的发展始于上世纪40年代，由美国贝尔公司率先进行研制，倾转旋翼机研制的成功是飞行器历史上的一次飞跃，但是它的安全性自面世以来就饱受质疑。为了提高倾转旋翼机的纵向稳定性，同时增加载重量，倾转四旋翼飞行器的计划被提了出来。倾转四旋翼飞行器的设想最早由贝尔公司研究人员于1979年提出。它采用两对机翼，每对机翼两侧各装有一只螺旋桨，这不仅增加了垂直起降时的载重能力，同时也使水平飞行时的推力大大增加，2012 年2月，韩国航空宇宙研究院与大韩航空公司签署协议，决定共同研制“TR-6X”倾转旋翼飞行器。这是除美国外，全球首次决定将倾转旋翼飞行器纳入官方实际使用的提案。对于倾转四旋翼机，除了贝尔公司外，目前大多研究机构处于基础研究或样机设计阶段，其中比较有代表性的是日本千叶大学设计的倾转四旋翼飞行器，该飞行器采用了机翼与短舱一同倾转的方案。这种方案可以显著减轻垂直起降过程中机翼对旋翼气流的反弹，同时也可以在一定程度上增大垂直起降过程的载重量。目前倾转旋翼飞行器在空中悬停时需要调节桨距或周期性变距、控制旋翼转速等来改变升力大小，控制***及结构复杂，响应迟缓。
现有已公布未授权专利文件CN 105150558 A公布了一种部件整体成型方法及飞行器的舵面及飞行器，其主要解决的问题是现有技术中机械连接得复合材料零件加工时产生的零件性能降低，工装较大，成本较高等问题，与本发明解决的问题不同。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种控制***简单易行，结构简单，响应迅速的用于垂直起降飞行器上的复合舵面。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，包括复合舵面本体，所述复合舵面本体分为上舵面及下舵面，所述复合舵面本体安装在机翼末端，所述机翼一侧设有发动机短舱，所述发动机短舱尾端设有螺旋桨；
进一步的，所述机翼包括前翼及后翼，所述机翼翼根安装有机翼倾转机构；所述发动机短舱与机翼固定连接，且发动机短舱与机翼在倾转机构驱动下可以绕倾转轴倾转；
进一步的，所述前翼绕点c沿弧AB旋转，后翼绕点d沿弧CD旋转，所述前翼及后翼上均设有螺旋桨；
进一步的，所述上舵面及下舵面沿机翼的偏转角度为δp，所述上舵面及下舵面之间的开合角度为δk，所述上舵面与垂直方向的夹角为θ1，所述下舵面与垂直方向的夹角为θ2。
进一步的，飞行器垂直起降及悬停时，发动机短舱和机翼倾转至与飞行器纵轴垂直，发动机启动，驱动螺旋桨转动，前翼提供升力Tf；飞行器由垂直起降转为平飞时，倾转机构驱动发动机短舱和机翼饶倾转轴旋转至与飞行器纵轴平行，后翼提供升力Tr，给飞行器提供前进动力。
进一步的，所述θ1及θ2与偏转角度为δp及开合角度为δk的关系如下：
θ1＝δp+δk
θ2＝δp-δk。
作为本发明的一种优选技术方案，所述前翼及后翼为平直翼。
本发明所述的垂直起降飞行器，将固定翼飞行器和旋翼机相结合，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。飞行器主要由前翼、后翼、机身、动力装置和起落架五个部分组成。
该飞行器的主要特点为：
(1)飞行器兼具旋翼机和固定翼飞行器的优点。既能够实现垂直起降和悬停，又可变形为可较长时间飞行的固定翼飞行器，可以根据需要在这二者之间进行转换。
(2)前翼和后翼的舵面采用复合舵面，每一个复合舵面从中间分开，分为上下两部分，所述的复合舵面的上下舵面可以联动同向偏转，实现普通舵面的功能，亦可以独立开合动作，和其他机翼上的舵面组合作用，来控制飞机飞行姿态。
(3)飞行器处于悬停状态时，发动机短舱垂直于飞行器纵轴，通过控制复合舵面的开合角度来改变气流流向和流速，从而改变飞行器的升力，使飞行器悬停。
(4)巡航飞行时，机翼倾转机构驱动四个机翼和发动机短舱旋转至发动机短舱平行于飞机纵轴，成为普通固定翼构型，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。
悬停构型下的姿态控制策略：对于俯仰/横滚控制，螺旋桨转速不变，通过改变四个复合舵面的开合角度，产生俯仰/横滚力矩，从而改变姿态；对于偏航控制，通过改变四个复合舵面的偏转角度，产生扭转力矩，驱动飞行器偏航。
飞行器悬停过程中的高度控制，改变复合舵面开合角，此时流经机翼翼面和复合舵面的气流流向和流速发生改变，根据伯努利方程可知，气流作用在机翼翼面和舵面上的压强和作用力发生变化，四个机翼上的复合舵面协同动作，从而改变飞行器的升力。
飞行器过渡飞行时，发动机短舱先平行于飞行器纵轴，机翼和发动机短舱倾转机构驱动机翼和短舱转动，同时加大复合舵面开合角，增加飞行阻力，快速降速。通过改变复合舵面偏转角度(过渡前段)或开合角度(过渡后段)，控制姿态。
飞行器垂直起降过程阶段需要急速爬升/下降时，驱动复合舵面开合动作不能满足飞行器急速爬升/下降要求时，此时通过调整螺旋桨转速配合复合舵面开合实现飞行器急速爬升/下降。
本发明的有益效果在于：
机翼翼根安装的机翼倾转机构，使得发动机短舱与机翼在倾转机构驱动下可以绕倾转轴倾转，提供向上的升力，克飞行器自身重力和空气阻力做升降运动；飞行器爬升到某一特定高度时，机翼倾转机构驱动机翼和发动机短舱倾转至短舱平行于飞行器纵轴，机翼和短舱旋翼为飞行器提供前进的动力；对于偏航控制，通过改变四个复合舵面的偏转角度，产生扭转力矩，驱动飞行器偏航。垂直起降飞行器在悬停时通过调节安装在机翼上的复合舵面的开角量来实现，平飞时复合舵面发挥普通多面功能，控制***简单易行，结构简单，响应迅速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的复合舵面局部结构示意图；
图2为本发明的垂直起降飞行器结构示意图；
图3为本发明的垂直起降飞行器垂直起降示意图。
具体实施方式
如图1-3所示的一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，包括复合舵面本体 10，所述复合舵面本体10分为上舵面1及下舵面2，所述复合舵面本体10安装在机翼4末端，所述机翼4一侧设有发动机短舱9，所述发动机短舱9尾端设有螺旋桨3；
进一步的，所述机翼4包括前翼5，6及后翼7，8，所述机翼4翼根安装有机翼倾转机构；所述发动机短舱9与机翼4固定连接，且发动机短舱9与机翼4 在倾转机构驱动下可以绕倾转轴倾转；
进一步的，所述前翼5，6绕点c沿弧AB旋转，后翼7，8绕点d沿弧CD 旋转，所述前翼5，6及后翼7，8上均设有螺旋桨3；
进一步的，所述上舵面1及下舵面2沿机翼4的偏转角度为δp，所述上舵面1及下舵面2之间的开合角度为δk，所述上舵面1与垂直方向的夹角为θ1，所述下舵面2与垂直方向的夹角为θ2。
进一步的，飞行器垂直起降及悬停时，发动机短舱9和机翼4倾转至与飞行器纵轴垂直，发动机启动，驱动螺旋桨3转动，前翼5，6提供升力Tf；飞行器由垂直起降转为平飞时，倾转机构驱动发动机短舱9和机翼4饶倾转轴旋转至与飞行器纵轴平行，后翼7，8提供升力Tr，给飞行器提供前进动力。
进一步的，所述θ1及θ2与偏转角度为δp及开合角度为δk的关系如下：
θ1＝δp+δk
θ2＝δp-δk。
作为本发明的一种优选技术方案，所述前翼5，6及后翼7，8为平直翼。
本发明所述的垂直起降飞行器，将固定翼飞行器和旋翼机相结合，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。飞行器主要由前翼5，6、后翼7，8、机身、动力装置和起落架五个部分组成。
该飞行器的主要特点为：
(1)飞行器兼具旋翼机和固定翼飞行器的优点。既能够实现垂直起降和悬停，又可变形为可较长时间飞行的固定翼飞行器，可以根据需要在这二者之间进行转换。
(2)前翼5，6和后翼7，8的舵面采用复合舵面，每一个复合舵面从中间分开，分为上下两部分，所述的复合舵面的上下舵面可以联动同向偏转，实现普通舵面的功能，亦可以独立开合动作，和其他机翼上的舵面组合作用，来控制飞机飞行姿态。
(3)飞行器处于悬停状态时，发动机短舱9垂直于飞行器纵轴，通过控制复合舵面的开合角度来改变气流流向和流速，从而改变飞行器的升力，使飞行器悬停。
(4)巡航飞行时，机翼倾转机构驱动四个机翼和发动机短舱旋转至发动机短舱平行于飞机纵轴，成为普通固定翼构型，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。
悬停构型下的姿态控制策略：对于俯仰/横滚控制，螺旋桨转速不变，通过改变四个复合舵面的开合角度，产生俯仰/横滚力矩，从而改变姿态；对于偏航控制，通过改变四个复合舵面的偏转角度，产生扭转力矩，驱动飞行器偏航。
飞行器悬停过程中的高度控制，改变复合舵面开合角，此时流经机翼翼面和复合舵面的气流流向和流速发生改变，根据伯努利方程：
可知，气流作用在机翼4翼面和舵面上的压强和作用力发生变化，四个机翼上的复合舵面协同动作，从而改变飞行器的升力。
飞行器过渡飞行时，发动机短舱9先平行于飞行器纵轴，机翼4和发动机短舱9倾转机构驱动机翼4和发动机短舱9转动，同时加大复合舵面开合角，增加飞行阻力，快速降速。通过改变复合舵面偏转角度(过渡前段)或开合角度(过渡后段)，控制姿态。
飞行器垂直起降过程阶段需要急速爬升/下降时，驱动复合舵面开合动作不能满足飞行器急速爬升/下降要求时，此时通过调整螺旋桨3转速配合复合舵面开合实现飞行器急速爬升/下降。
实施例：
飞行器布局如图2所示：飞行器前翼5,6、后翼7,8为平直翼的设计。机翼 4翼根安装有机翼可倾转机构，如图3所示，前翼绕点c沿弧AB旋转，后翼绕点d沿弧CD旋转。起飞前，发动机短舱9垂直于飞行器纵轴，启动发动机，发动机驱动螺旋桨3转动，前翼5、6提供升力Tf，后翼7、8提供升力Tr，升力 Tf和Tr克服飞机自身重力和空气阻力做升降运动。飞行器爬升到某一特定高度时，机翼倾转机构驱动机翼4和发动机短舱9倾转至短舱平行于飞行器纵轴，所述机翼4和短舱旋翼9为飞行器提供前进的动力。
悬停构型下的姿态控制策略：对于俯/仰、横滚控制，四个机翼上的螺旋桨 3转速不变，通过改变四个复合舵面的开合角度来实现。后翼上的上下舵面1、 2开合角δk减小/增加，产生俯/仰力矩。左侧舵面1、2的开合角度δk增大，右侧复合舵面的开合角度δk减小，产生翻滚力矩，从而改变姿态；对于偏航控制，通过改变四个复合舵面的偏转角度δp，产生扭转力矩，驱动飞行器偏航。
飞行器悬停过程中的高度控制，改变舵面1、2开合角δk，气流流经机翼4 翼面和舵面1、2时，流经舵面1、2上的气流的流速和方向发生改变，根据伯努利方程可知，气流作用在复合舵面1、2上的力发生改变，前后机翼5、6、7、 8上的舵面1、2协同动作，改变所述飞行器的升力。
飞行器过渡飞行时，发动机短舱9先平行于飞行器纵轴，前后机翼5、6、7、 8的倾转机构驱动前后机翼5、6、7、8和发动机短舱9转动，同时增大复合舵面开合角δk，增加飞行阻力，快速降速。通过改变复合舵面偏转角度δp(过渡前段)或开合角度δk(过渡后段)，控制姿态。
飞行器垂直起降过程中需要飞行器急速爬升/下降时，仅仅调整每一个机翼上的舵面1、2的开合角δk，不能满足飞行器急速爬升/下降要求，此时调整螺旋桨3转速配合复合舵面1、2开合实现飞行器急速爬升/下降。
垂直起降飞行器在悬停时通过调节安装在机翼上的复合舵面的开角量来实现，平飞时复合舵面发挥普通多面功能，控制***简单易行，结构简单，响应迅速。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，包括复合舵面本体(10)，其特征在于，所述复合舵面本体(10)分为上舵面(1)及下舵面(2)，所述复合舵面本体(10)安装在机翼(4)末端，所述机翼(4)一侧设有发动机短舱(9)，所述发动机短舱(9)尾端设有螺旋桨(3)；
所述机翼(4)包括前翼(5，6)及后翼(7，8)，所述机翼(4)翼根安装有机翼倾转机构；所述发动机短舱(9)与机翼(4)固定连接，且发动机短舱(9)与机翼(4)在倾转机构驱动下可以绕倾转轴倾转；
所述前翼(5，6)绕点c沿弧AB旋转，后翼(7，8)绕点d沿弧CD旋转，所述前翼(5，6)及后翼(7，8)上均设有螺旋桨(3)；
所述上舵面(1)及下舵面(2)沿机翼(4)的偏转角度为δp，所述上舵面(1)及下舵面(2)之间的开合角度为δk，所述上舵面(1)与垂直方向的夹角为θ1，所述下舵面(2)与垂直方向的夹角为θ2。
2.根据权利要求1所述的一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，其特征在于，飞行器垂直起降及悬停时，发动机短舱(9)和机翼(4)倾转至与飞行器纵轴垂直，发动机启动，驱动螺旋桨(3)转动，前翼(5，6)提供升力Tf；飞行器由垂直起降转为平飞时，倾转机构驱动发动机短舱(9)和机翼(4)饶倾转轴旋转至与飞行器纵轴平行，后翼(7，8)提供升力Tr，给飞行器提供前进动力。
3.根据权利要求1所述的一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，其特征在于，所述前翼(5，6)及后翼(7，8)为平直翼。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种用于垂直起降飞行器上的复合舵面，其特征在于，所述θ1及θ2与偏转角度为δp及开合角度为δk的关系如下：
θ1＝δp+δk
θ2＝δp-δk。
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