CN107878746A - 一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机 - Google Patents

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刘可佳
史明明
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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Abstract

本发明公开了一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机；无人机采用三机身平行布局，使机身拥有更多的载荷空间；将倾转机构与油动变距机构结合可带来更高的气动效率和更大的载重能力。无人机在起飞、巡航、降落过程中，第一燃油动力倾转变距***与第二燃油动力倾转变距***提供垂直起降阶段的主垂直升力，第一升力电动机、第二升力电动机提供垂直起降阶段的辅助垂直升力，四个动力***组合提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩。采用燃油动力倾转变距***具有较强的推力和很高的气动效率，通过变距完全满足垂直起降和水平巡航过程中对螺旋桨所需的不同气动效果。最终带来更高的气动效率和更大的载重能力，以及更长的续航时间。

Description

一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机
技术领域
本发明涉及垂直起降固定翼无人机领域，具体地说，涉及一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机。
背景技术
随着科学技术的进步，尤其是飞控计算机技术、通信技术、电子技术的快速发展，无人飞行器的性能不断增强、种类不断增多，无人飞行器所具有的体积小、成本低、使用维护方便等优势更加明显的体现出来。所以其在国防和民用领域中的应用需求急剧增加。
垂直起降固定翼飞行器的定义为:能以零速度起飞/着陆且具备悬停能力，并可以固定翼方式水平飞行。与传统飞行器相比，垂直起降固定翼飞行器即有固定翼飞行器飞行速度快、航程远、航时长的性能优势，又能在场地和空域受限的山区、丛林和水面舰艇等小面积、复杂区域完成起降，因此，垂直起降固定翼飞行器的实用价值越来越受到业界的广泛认可。
目前，垂直起降固定翼飞行器包括倾转动力式、尾座式和复合动力式三类。尾座式垂直起降飞行器虽然不像倾转动力式垂直起降无飞行器需要附加机构，但是现有的尾座式垂直起降固定翼飞行器存在明显局限性。一般尾座式垂直起降飞行器只可垂直起降，如果***受损则会出现起降困难的极端情况。复合动力式垂直起降飞行器一般有两套动力设备，一套动力设备负责垂直起降，一套动力设备负责水平飞行。不足之处在于增加一套动力设备，增加了结构重量。其次受限于目前技术原因，负责垂直起降的动力设备大多使用电动机，在载重能力方面有着严重的不足。倾转动力式垂直起降固定翼飞行器通过倾转机构，实现旋翼或喷气发动机从水平到垂直的相互转换，水平飞行时动力沿水平方向克服阻力，垂直飞行时动力沿垂直方向克服重力。但是现有倾转垂直起降固定翼无人机也存在明显局限。
在发明专利CN 206125423 U“一种具有倾转动力装置的垂直起降固定翼无人机”中,公开的倾转动力布局存在以下不足:第一，采用四个电动机加一个燃油发动机的动力方案，其中前两个电动机可倾转。有提供水平推力的燃油发动机，又增加倾转机构让前两个电机也来提供水平推力，使整体能源利用效率下降。第二，采用电动机完成垂直起降，现有电机、电池技术根本不足以支持大载重起降；使得无人机载重能力有限。第三，可倾转的前两个电机使用定距螺旋桨，实验证明旋翼状态和固定翼平飞状态对螺旋桨桨距的需求是完全不同的，采用定距螺旋桨会造成气动效率严重下降，所以要想达到更高的气动效率，必须使用变距螺旋桨。
发明内容
为了避免现有技术存在的倾转垂直起降无人机所出现的载重偏小、整体气动效率偏低的问题，本发明提出一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机。该无人机采用三机身平行布局方式，机身拥有更多的载荷空间；将倾转机构与油动变距机构结合可带来更高的气动效率和更大的载重能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括第一翼尖小翼、主机翼、第一机身、第一燃油动力倾转变距***、主机身、空速管、第二燃油动力倾转变距***、第二机身、第二翼尖小翼、第二升力电动机、平尾、第一升力电动机、第二垂尾、第一垂尾，所述主机身与第一机身、第二机身为一体结构，第一机身与第二机身分别位于主机身的两侧并通过中间翼连接，在横向为对称平行布局，三机身拥有更多的载荷空间，空速管固定在主机身的前端部；所述主机翼的后缘安装有副翼，第一翼尖小翼、第二翼尖小翼对称安装在主机翼两侧端翼梢部位；
所述第一垂尾设置在第一机身后端部，所述第二垂尾设置在第二机身后端部，两垂尾上有方向舵用来产生无人机偏航力矩；第一垂尾和第二垂尾之间安装有平尾，平尾上有升降舵用来产生无人机俯仰力矩；
所述第一燃油动力倾转变距***与所述第二燃油动力倾转变距***分别位于第一机身前端和第二机身前端，第一升力电动机、第二升力电动机设置在第一机身后部和第二机身后部；第一燃油动力倾转变距***与第二燃油动力倾转变距***提供主垂直升力，第一升力电动机与第二升力电动机提供辅助垂直升力，实现无人机垂直短距起降运动，燃油动力倾转变距***与升力电机***组合,用来提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩。
在滑跑起飞时，倾转变距***倾转90度，第一燃油动力倾转变距***、第二燃油动力倾转变距***提供水平推力。
有益效果
本发明提出的一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，采用三机身平行布局结构，机身拥有更多的载荷空间；将倾转机构与油动变距机构结合起来，可带来更高的气动效率和更大的载重能力。无人机采用燃油动力倾转变距***虽然倾转机构复杂，但是油动变距动力有很强的推力和很高的气动效率，通过变距完全可满足垂直起降和水平巡航过程中对螺旋桨所需的不同气动效果。最终带来更高的气动效率以及更长的续航时间。
本发明油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，能够垂直起降，短距起降，或滑跑起降。具有比传统固定翼无人机更好的灵活性和比传统直升机、多旋翼飞行器更优的飞行性能。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机作进一步详细说明。
图1为本发明垂直起降固定翼长航时无人机俯视图。
图2为本发明垂直起降固定翼长航时无人机主视图。
图3为本发明垂直起降固定翼长航时无人机侧视图。
图4为本发明垂直起降固定翼长航时无人机在垂直起降状态示意图。
图5为本发明垂直起降固定翼长航时无人机轴测图。
图中:
1.第一翼尖小翼 2.主机翼 3.第一机身 4.第一燃油动力倾转变距*** 5.主机身 6.空速管 7.第二燃油动力倾转变距*** 8.第二机身 9.第二翼尖小翼 10.第二升力电动机 11.平尾 12.第一升力电动机 13.第二垂尾 14.第一垂尾
具体实施方式
本实施例是一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机。
参阅图1～图5，本实施例油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，由第一翼尖小翼1、主机翼2、第一机身3、第一燃油动力倾转变距***4、主机身5、空速管6、第二燃油动力倾转变距***7、第二机身8、第二翼尖小翼9、第二升力电动机10、平尾11、第一升力电动机12、第二垂尾13、第一垂尾14组成；其中,主机身5与第一机身3、第二机身8为一体结构，第一机身3与第二机身8分别位于主机身5的两侧通过中间翼连接，在横向为对称平行布局，三机身组合拥有更多的载荷空间，空速管6固定在主机身5的前端部。主机翼2的后缘安装有副翼，产生无人机横滚力矩。第一翼尖小翼1、第二翼尖小翼9对称安装在主机翼2两侧端翼梢部位。第一垂尾14设置在第一机身3后端部，第二垂尾13设置在第二机身8后端部，两垂尾上有方向舵用来产生无人机偏航力矩；第一垂尾14和第二垂尾13之间安装平尾11，平尾11上有升降舵用来产生无人机俯仰力矩。
本实施例中,第一燃油动力倾转变距***4与所述第二燃油动力倾转变距***7分别安装在第一机身3前端和第二机身8前端，第一升力电动机12、第二升力电动机10分别设置在第一机身3后部和第二机身8后部。第一燃油动力倾转变距***4与第二燃油动力倾转变距***7提供主垂直升力，第一升力电动机12与第二升力电动机10提供辅助垂直升力,实现无人机垂直短距起降运动。燃油动力倾转变距***与升力电机***组合,用来提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩。在滑跑起飞时，倾转变距***倾转90度，第一燃油动力倾转变距***4、第二燃油动力倾转变距***7提供水平推力。
本实施例中,主机身5、第一机身3、第二机身8、主机翼2、第一翼尖小翼1和第二翼尖小翼9，以及第一垂尾14、第二垂尾13、平尾8组成的三机身布局气动外形结构。主机身5为中空薄壁壳体结构，内部布置梁和加强框分为机载设备舱和任务载荷舱。机载设备舱在机头部分安装有机载电子设备和所需电池。机头上方带有舱盖用于机载电子设备拆装和维护。任务舱位于主机身5中后部，安装有任务设备；下方有舱盖用于任务设备拆装维护。主机身5两侧布置有燃油舱。第一机身3与第二机身8为中空薄壁壳体结构，内部布置梁和加强框；两机身前端部分别装有燃油动力倾转变距***，包括变距机构和变距螺旋桨。动力舱安装有燃油发动机和小型发电机；机身中段为动力电池舱为升力电动机提供能源。第一机身3与第二机身8后段为设备舱，用于安装电子调速器、升力电动机。
主机翼2为高升阻比翼型，内部布置翼肋和梁结构。主机翼2与第一机身3、第二机身8连接的中间翼布置有燃油舱。主机翼2两侧副翼位置布置电子舵机，来控制副翼偏转。
油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机飞行过程:
在垂直起降过程中，第一燃油动力倾转变距***4和第二燃油动力倾转变距***7提供主垂直升力，第一升力电动机12、第二升力电动机11提供垂直起降阶段的辅助垂直升力，四套动力***组合提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩，完成垂直起降过程。
在巡航平飞状态中，第一燃油动力倾转变距***4和第二燃油动力倾转变距***7倾转90度，提供平飞所需要的推动力。主机翼2产生升力，升降舵、副翼、方向舵提供所需姿态调节力矩。
在短距滑跑起降过程中，第一燃油动力倾转变距***4和第二燃油动力倾转变距***7倾转，第一燃油动力倾转变距***4和第二燃油动力倾转变距***7提供倾斜向上的拉力，并使无人机获得水平加速度，无人机滑跑，主机翼2产生升力，同时第一升力电动机12、第二升力电动机11提供辅助垂直升力。四套动力***组合提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩，综合作用下无人机完成短距滑跑起降。

Claims (2)

1.一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，其特征在于:包括第一翼尖小翼、主机翼、第一机身、第一燃油动力倾转变距***、主机身、空速管、第二燃油动力倾转变距***、第二机身、第二翼尖小翼、第二升力电动机、平尾、第一升力电动机、第二垂尾、第一垂尾，所述主机身与第一机身、第二机身为一体结构，第一机身与第二机身分别位于主机身的两侧并通过中间翼连接，在横向为对称平行布局，三机身拥有更多的载荷空间，空速管固定在主机身的前端部；所述主机翼的后缘安装有副翼，第一翼尖小翼、第二翼尖小翼对称安装在主机翼两侧端翼梢部位；
所述第一垂尾设置在第一机身后端部，所述第二垂尾设置在第二机身后端部，两垂尾上有方向舵用来产生无人机偏航力矩；第一垂尾和第二垂尾之间安装有平尾，平尾上有升降舵用来产生无人机俯仰力矩；
所述第一燃油动力倾转变距***与所述第二燃油动力倾转变距***分别位于第一机身前端和第二机身前端，第一升力电动机、第二升力电动机设置在第一机身后部和第二机身后部；第一燃油动力倾转变距***与第二燃油动力倾转变距***提供主垂直升力，第一升力电动机与第二升力电动机提供辅助垂直升力，实现无人机垂直短距起降运动，燃油动力倾转变距***与升力电机***组合,用来提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩。
2.根据权利要求1所述的油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，其特征在于:在滑跑起飞时，倾转变距***倾转90度，第一燃油动力倾转变距***、第二燃油动力倾转变距***提供水平推力。
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