CN107933909A - 一种高速高效倾转机翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速高效倾转机翼无人飞行器，该飞行器布局具有更高的气动效率和控制可靠性，在保证垂直起降的前提下，能够实现高速高效飞行。飞行器包括：倾转旋翼、倾转翼面、尾涵道、固定尾翼、机身结构和起落架。倾转旋翼和倾转翼面可通过作动机构沿转轴旋转，倾转旋翼可变距。尾涵道为变推力矢量涵道。飞行器从起飞到平飞需经历垂直飞行状态、过渡飞行状态和平直飞行状态。倾转旋翼兼顾垂飞状态和平飞状态的旋翼效率，可驱动飞行器高速飞行；飞行器倾转翼面位于倾转旋翼下洗流区域，舵面效率较高；变推力矢量尾涵道为飞行器垂飞俯仰和偏航提供控制力，提高了飞行器垂飞的控制稳定性。

Description

一种高速高效倾转机翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及一种倾转机翼垂直起降飞行器，属于航空产品技术领域。

背景技术

倾转机翼无人飞行器兼具直升机的垂直起降能力和螺旋桨固定翼飞机的高速飞行性能，属于垂直起降飞行器。倾转机翼无人飞行器动力作用力方向可倾转，具有广泛的应用前景，主要应用包括物流、巡线、森林防火、环境监测等。虽然倾转机翼无人飞行器能够满足一些特殊场景的应用需求，但实际应用中还存在垂飞旋翼效率低、平飞速度慢、垂飞航向控制性能差等问题。例如：1.现有倾转机翼无人飞行器垂飞与平飞采用同一套动力***，且多为定距螺旋桨，而实际上，多旋翼与固定翼飞行器旋翼无论从形态尺寸上还是机械机构上都存在显著差异，这是由不同飞行状态下螺旋桨的气动条件不同所决定的，因此现有倾转旋翼无人飞行器动力***很难同时高效兼容垂飞和平飞状态，且平飞速度较低；2.现有倾转旋翼无人飞行器方案多采用多旋翼方式垂直起降，通过旋翼转速或桨距控制实现飞行器航向控制，但在实际应用中机身机翼结构迎风面积大，旋翼反扭矩航向控制的控制力明显不足，这导致该类飞行器垂飞时的抗风性较差。

发明内容

本发明提供了一种高速高效倾转机翼无人飞行器方案，该飞行器布局具有更高的气动效率和控制可靠性，在保证垂直起降的前提下，能够实现高速高效飞行。

一种倾转机翼无人飞行器包括：倾转旋翼、倾转翼面、尾涵道、固定尾翼、机身结构和起落架，且至少包括2个倾转旋翼和倾转翼面和1个尾涵道。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼与倾转翼面可绕平行于翼展方向的旋转轴共同倾转。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼可兼顾飞行器垂飞与平飞旋翼效率。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼垂飞时为飞行器提供垂飞升力，前飞时为飞行器提供前飞拉力，垂飞与前飞采用同一套旋翼动力***。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，倾转翼面的机翼平面始终与倾转旋翼下洗流平行，减小翼面对旋翼下洗流的遮挡面积。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，倾转翼面上具有控制舵面，倾转旋翼下洗流直接作用在控制舵面上。

根据上述技术方案之一所述的倾转机翼无人飞行器，其特征在于，尾涵道为变推力矢量涵道，能够为飞行器提供俯仰和航向控制力。

在一个更为具体的技术方案中，为了达到上述目的的本发明采用一种倾转机翼无人飞行器，包括倾转旋翼、倾转翼面、尾涵道、固定尾翼、机身结构和起落架。从起飞到平飞需经历垂直飞行状态(垂飞状态)、垂直转平飞的过渡飞行状态(过渡状态)和转平飞后的平直飞行状态(平飞状态)。采用的控制方法如下：在垂飞状态时，倾转旋翼和尾涵道为飞行器提供升力，通过改变左右旋翼桨距和尾涵道转速，实现飞行器俯仰和滚转控制，通过倾转翼面和尾涵道舵面偏转，实现飞行器航向控制。在过渡状态时，倾转翼面与倾转旋翼共同倾转，此时倾转旋翼升力在前飞方向上的分量会驱动飞行器前飞，在垂直于前飞方向上的分量与倾转翼面上产生的升力共同作用，为飞行器提供姿态控制力。在平飞状态时，倾转旋翼和倾转翼面完全倾转至与飞行方向平行，此时倾转翼面提供主要升力，倾转旋翼拉力驱动飞行器前飞，通过改变各倾转翼面和尾翼上的舵面偏角实现对飞行器的姿态控制。

本发明带来的有益效果：

(1)本发明飞行器倾转旋翼采用了变距螺旋桨，兼顾垂飞状态和平飞状态的旋翼效率，可实现高速飞行，同时提高了飞行器续航时间。

(2)飞行器倾转翼面位于倾转旋翼下洗流区域，舵面效率较高。

(3)尾涵道为变推力矢量涵道，可实现飞行器垂飞时俯仰和偏航控制，提高了飞行器垂飞时的控制稳定性。

附图说明

图1是本发明倾转机翼飞行器垂飞状态示意图；

图2是本发明倾转机翼飞行器平飞状态示意图；

图3是本发明倾转机翼飞行器平飞状态俯视图；

图4是本发明一实施例垂飞状态俯视图；

图5是本发明一实施例尾涵道与舵面相对位置示意图；

图1中：1.倾转旋翼；2.倾转翼面；21.倾转翼面控制舵面；3.尾涵道；4.固定尾翼；4.1尾翼控制舵面；5.机身结构；6.起落架。

图3中：1.倾转旋翼；2.倾转翼面；21.倾转翼面控制舵面；3.尾涵道；4.固定尾翼；4.1尾翼控制舵面；5.机身结构；6.起落架。

图4中：1.倾转旋翼；3.尾涵道；4.固定尾翼；5.机身结构。

图5中：31.尾涵道风扇；32.控制舵面。

具体实施方式

图1～3所示为本发明的一种高速高效倾转机翼无人飞行器的基本结构布局及运行方式。飞行器包括：倾转旋翼(1)、倾转翼面(2)、尾涵道(3)、固定尾翼(4)、机身结构(5)和起落架(6)，其特征在于，尾涵道位于倾转旋翼(1)倾转轴与尾翼(4)之间位置。

飞行器应能够进行三种飞行状态的飞行，包括：垂飞状态、过渡状态和平飞状态。图1示出了本实施例垂飞状态时各倾转部件(1)(2)与机身结构(5)的相对位置；图2为实施例平飞状态示意图；图3示出了本实施例平飞状态时各倾转部件(1)(2)与机身结构(5)的相对位置；实施例过渡状态各倾转部件旋转位置介于垂飞状态和平飞状态之间。本实施例中2个倾转旋翼和1个尾涵道的布局不应限制本发明内容，飞行器也可包含4个6个或多个分布式倾转旋翼(1)以及2个或多个尾涵道(3)，图4就提供了一种含4个倾转旋翼(1)和2个尾涵道的飞行器布局，倾转旋翼和尾涵道的数量与布置应根据本发明所述内容视具体总体设计方案而定。

如图1，所述实施例的倾转旋翼(1)固定在倾转翼面(2)上，与倾转翼面(2)一起倾转，其中倾转旋翼(1)的旋转平面与倾转翼面(2)平面垂直，倾转旋翼(1)的应为可变距旋翼，以兼顾垂飞状态和前飞状态的旋翼效率，多个倾转旋翼(1)可采用电机或燃油发动机驱动。优选的，倾转旋翼(1)采用电机驱动，变距采用电驱动，且在飞行过程中能够根据来流速度自动改变旋翼总距。

如图1，所述实施例的倾转翼面(2)，在平飞状态时，可作为飞行器机翼提供前飞升力。倾转翼面(2)应包括控制舵面。在垂飞状态时，控制舵面差动偏转为飞行器提供航向控制力，在平飞状态时，控制舵面差动偏转为飞行器提供横向控制力。优选的，倾转翼面(2)倾转采用电机驱动，倾转翼面(2)翼平面与倾转旋翼(1)下洗流有一定安装角，使翼面在旋翼下洗流的作用下具有增升效果，控制舵面布置在倾转旋翼(1)下洗流直接作用区域，提高舵面控制效率。

如图5，所述实施例的飞行器尾涵道(3)包括尾涵道风扇(31)和控制舵面(32)，涵道风扇(31)驱动可采用燃油发动机或电机；涵道风扇(31)升力可变，应通过改变风扇桨距或风扇转速的方式实现；控制舵面(32)位于涵道风扇(31)下洗流作用区域，可绕平行于机身轴线的转轴偏转，产生矢量推力效果。优选的，涵道风扇(31)采用有定距风扇+固定导流叶片的方案，通过改变转速实现推力变化，简化机械结构并通过固定导流片抵消部分由风扇旋转产生的反扭矩；控制舵面(32)采用对称翼型，舵面面积根据实际飞行器航向稳定性进行设计。本实施例尾涵道(3)方案不应限制本发明内容，包括电机驱动和定距风扇的方案也属于本发明内容。

所述实施例的固定尾翼(4)不倾转，为飞行器平飞时的纵向和横航向安定面。固定尾翼(4)上有尾舵，尾舵偏转为飞行器平飞提供俯仰与航向控制力，固定尾翼(4)位于尾涵道(3)之后，提高飞行器平飞稳定性。如图3，实施例飞行器包括一个V型固定尾翼(4)。此实施例不应限制本发明内容，具体固定翼面(4)的数量和形式要根据具体飞行器的气动特性和结构形式进行设计。

所述机身结构(5)用以连接飞行器的倾转旋翼(1)、倾转翼面(2)、尾涵道(3)和固定尾翼(4)，并能容纳飞行载荷。本实施例飞行器机身结构(5)如图3所示，外形应为流线型，以减小气动阻力。

所述起落架(6)用以支撑飞行器结构，保证飞行器正常起飞和降落。如图2，实施例飞行器的起落架(6)包括前起落架(61)和后起落架(62)，前起落架(61)和后起落架(62)均直接固定在机身结构(5)下方。

本实施例飞行器在垂飞状态时，如图1和图4。俯仰控制通过改变倾转旋翼(1)和尾涵道(3)升力差实现，滚转控制通过改变左右倾转旋翼(1)升力差实现，航向控制通过左右倾转翼面(2)的控制舵面差动以及尾涵道(3)矢量推力方向实现。垂飞状态的姿态控制方法要基于多旋翼控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容。

本实施例飞行器在过渡状态时，倾转翼面(2)与倾转旋翼(1)共同倾转，此时倾转旋翼(1)拉力在前飞方向上的分量会驱动飞行器前飞，在竖直方向上的分量与倾转翼面(2)气动力的合力，为飞行器提供姿态控制力。俯仰控制通过改变倾转旋翼(1)和尾涵道(3)升力差实现，滚转控制通过改变左右倾转旋翼(1)升力差实现，航向控制通过左右倾转翼面(2)的控制舵面差动以及尾涵道(3)矢量推力方向实现。过渡状态的姿态控制方法要基于多旋翼控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容。

本实施例飞行器在平飞状态时，倾转旋翼(1)和倾转翼面(2)完全倾转至与飞行方向平行，此时倾转旋翼(1)的拉力驱动飞行器前飞，倾转旋翼自动改变桨距以高效适应平飞高速来流。俯仰和航向控制通过后固定尾翼(4)控制舵面偏转实现，滚转控制通过改变左右倾转翼面(2)的控制舵面差动实现。平飞状态的姿态控制方法要基于固定翼飞行器控制方法针对具体布局形式进行设计，此实施例的控制方法不应限制本发明内容。

本发明的核心在于倾转旋翼为变距旋翼，能高效适应旋翼垂飞和平飞时的不同工况；控制舵面位于旋翼下洗流区域，控制效率较高；尾涵道为变推力矢量涵道，飞行器控制可靠性较高。本发明不局限于上述具体实施方式，如果对本发明的各种改动和变形不脱离本发明范围，仍属于本发明的权利要求和同等技术范围之内。

Claims (6)

1.一种高速高效倾转机翼无人飞行器，其特征在于，机体结构包括：倾转旋翼(1)、倾转翼面(2)、尾涵道(3)、固定尾翼(4)、机身结构(5)和起落架(6)。

2.根据权利要求1所述的一种高速高效倾转机翼无人飞行器，其特征在于，飞行器同时包含具有倾转功能的旋翼和翼面和能够提供垂直起降升力和航向控制力尾涵道。

3.根据权利要求1所述的一种高速高效倾转机翼无人飞行器，其特征在于，机体至少包含2个倾转旋翼(1)和2个倾转翼面(2)，倾转翼面(1)和倾转旋翼(2)一起倾转，且均可饶平行于翼展方向的转轴旋转。

4.根据权利要求1所述的倾转旋翼，其特征在于，旋翼为可边距旋翼，能兼顾垂直起降和高速平飞时的旋翼效率。

5.根据权利要求1所述的倾转翼面，其特征在于，能沿平行于翼展方向的倾转轴旋转，减小旋翼下洗流遮挡面积，提高旋翼效率同时为飞行器提供姿态控制力。

6.根据权利要求1所述的尾涵道，其特征在于，至少包括一个尾涵道(3)，尾涵道(3)为可变推力矢量涵道，其能为飞行器提供俯仰和航向控制力。