CN109703748A - 旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋翼飞行器，包括：涵道风扇，包括具有中心轴线的主涵道；至少两个第一支臂支臂和至少一个第二支臂，分别垂直于中心轴线并设在主涵道的外壁上；至少两个具有第一转轴的第一旋翼，以第一转轴垂直于第一支臂的方式设在至少两个第一支臂的自由端；以及至少一个具有第二转轴的第二旋翼，以第二转轴垂直于第二支臂且第二转轴与中心轴线呈夹角的方式设在至少一个第二支臂的自由端。本发明的目的在于提供一种能够提高载重能力和续航时间且具有较好操控稳定性的旋翼飞行器。

Description

旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及无人机领域，特别是涉及一种旋翼飞行器。

背景技术

近年来，无人机行业呈井喷式发展，尤其是在民用消费娱乐级多旋翼无人机方面，用户需求量大，产业利润极高，价值增值潜力巨大。但是，多旋翼无人机比较突出的问题是其载重和续航时间极大的受限于电池技术的发展，而且电池技术在短期时间内难以突破。而长航时大载重无人机是未来无人机发展的重要趋势。因此，开发一种基于市场前景能够实现长航时大载重的无人机是当务之急。

现有技术的无人机主要有：纯油动多旋翼、传统油电混合多旋翼、纯油动涵道风扇无人机以及传统油电混合涵道风扇无人机。

纯油动多旋翼，即采用多个发动机提供动力，直接驱动旋翼转动，旋翼桨距固定，通过调整发动机转速来改变旋翼转速从而改变升力。旋翼直接安装在发动机转轴上，无需传动机构。其缺陷是：发动机个数太多，重量代价大，发动机本身响应有延迟，功率效率低。同时，由于发动机自身的振动水平较大，直接驱动旋翼，由发动机振动传递給旋翼，引起桨叶的振动响应，该响应与桨叶的气动力作用到桨叶的响应相耦合，容易导致旋翼动力不稳定性问题，会使桨叶及发动机产生疲劳问题，减小使用寿命，严重时桨叶甚至会迅速失效。

传统油电混合多旋翼，即主升力单元采用发动机驱动，辅助升力或者姿态控制单元采用电机驱动，这种构型的无人机的稳定性好，但是有一个缺陷，气动效率比较低，这也是多旋无人机翼普遍存在的一个缺陷。

纯油动涵道风扇无人机，即一个涵道内加一个风扇的构型，发动机安装在桨毂内部或者桨毂上方，采用静叶片的方式平衡反扭矩并起一个气流导流作用，同时安装舵面用来进行姿态的控制。该类油动涵道的缺陷在于，涵道的作用对悬停状态的气动性能较好，但是在前飞时，气动中心位于涵道上方，俯仰力矩特性表现比较突出，对整机重心位置的限制比较大，用舵面控制来实现操纵，其控制难度非常大，而且舵面对涵道的整体的气流有一定的阻塞，降低了气动效率。

传统油电混合涵道风扇无人机，是在上述纯油动涵道风扇的基础上，附加了辅助操纵的电动旋翼，这对姿态稳定性控制有所提升，但是采用舵面控制的控制难度依然很大。目前，油电混合涵道风扇无人机主要有四旋翼飞行器、固定翼飞行器、直升机飞行器和单涵道飞行器。四旋翼飞行器目前主要是电动四旋翼，受限于电池，续航时间短，载重小；固定翼飞行器虽然可以实现长航时大载重，但是其起飞和降落需要较长的跑道，而且不能实现悬停；直升机飞行器的飞行控制非常复杂，控制难度大；单涵道飞行器的飞行控制主要是通过调整涵道下方动叶片的偏转实现，结构复杂、重量大，而且飞行控制复杂。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够提高载重能力和续航时间且具有较好操控稳定性的旋翼飞行器。

为实现上述目的，本发明提供了一种旋翼飞行器，包括：涵道风扇，包括具有中心轴线的主涵道；至少两个第一支臂和至少一个第二支臂，分别垂直于中心轴线并设在主涵道的外壁上；至少两个具有第一转轴的第一旋翼，以第一转轴垂直于第一支臂的方式设在至少两个第一支臂的自由端；以及至少一个具有第二转轴的第二旋翼，以第二转轴垂直于第二支臂且第二转轴与中心轴线呈夹角的方式设在至少一个第二支臂的自由端。

根据本发明的实施例，进一步包括：在至少一个第二支臂的自由端设置副涵道，第二旋翼设于副涵道内，第二转轴与副涵道的轴线位于同一直线上。

根据本发明的实施例，第一支臂设置的数量为四个，第二支臂设置的数量为两个，四个第一支臂和两个第二支臂绕中心轴线在主涵道的周向等角度地设置，两个第二支臂设在主涵道的同一径向方向上的相对两侧，第一旋翼设置的数量为四个，第二旋翼设置的数量为两个，两个第二旋翼分别设在两个第二支臂上，四个第一旋翼分别设在四个第一支臂上。

根据本发明的实施例，四个第一转轴平行于中心轴线，两个第二转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角。

根据本发明的实施例，第一支臂和第二支臂设置的数量分别为两个，两个第一支臂和两个第二支臂绕中心轴线在主涵道的周向等角度地设置，两个第一支臂设在主涵道的一个径向方向上的相对两侧，两个第二支臂设在主涵道的另一径向方向上的相对两侧，第一旋翼的数量为两个，第二旋翼的数量为两个，两个第一旋翼分别设在两个第一支臂的自由端，两个第二旋翼分别设在两个第二支臂的自由端。

根据本发明的实施例，两个第一转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角，两个第二转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角。

根据本发明的实施例，旋翼飞行器还包括驱动装置，涵道风扇包括设在主涵道内的动叶片及位于动叶片下方的静叶片，动叶片、第一旋翼及第二旋翼分别与驱动装置连接。

根据本发明的实施例，驱动装置包括发动机，主涵道上设置安装架，安装架位于动叶片上方或者静叶片下方，发动机设在安装架上，发动机与动叶片通过传动机构连接。

根据本发明的实施例，驱动装置还包括第一电机和第二电机，第一旋翼与第一电机同轴设置在第一支臂的自由端，第二旋翼与第二电机同轴设置在第二支臂的自由端。

根据本发明的实施例，第一支臂和第二支臂均通过折叠机构连接至主涵道，以使第一支臂和第二支臂具有在主涵道的径向方向上的打开位置和平行于主涵道切线方向的收纳位置。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过在主涵道上的支臂上提供与中心轴线呈夹角的第二旋翼可以更好的平衡风扇产生的反转矩，同时提供第一旋翼对无人机的飞行姿态进行控制，实现无人机的稳定飞行，同时提高了涵道风扇的工作效率和操控稳定性，实现了无人机的长航时和大载重。

附图说明

图1是根据一个实施例旋翼飞行器的俯视图。

图2是根据另一个实施例的旋翼飞行器的主视图。

图3是图2中旋翼飞行器的俯视图。

图4是图1中旋翼飞行器的立体图。

图5是图1中旋翼飞行器的立体图，其中主涵道移除。

图6是根据再一个实施例的旋翼飞行器的立体图。

图7是图6中旋翼飞行器的主视图。

图8是图6中旋翼飞行器的俯视图。

图9是图6中旋翼飞行器的侧视图。

图10是图1中旋翼飞行器的涵道风扇立体图。

图11是图1中旋翼飞行器的涵道风扇立体图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实施例进行详细描述。

参考图1，本发明提供了一种旋翼飞行器，包括涵道风扇2、至少两个第一支臂10、至少一个第二支臂、至少两个第一旋翼4、以及至少一个第二旋翼6。其中，涵道风扇2包括具有中心轴线的主涵道3。至少两个第一支臂10和至少一个第二支臂垂直于中心轴线并设在主涵道3的外壁8上。第一旋翼4具有第一转轴，且至少两个第一旋翼4以第一转轴垂直于第一支臂10的方式设在至少两个第一支臂10的自由端。第二旋翼6具有第二转轴，且至少一个第二旋翼6以第二转轴垂直于第二支臂且第二转轴与中心轴线呈夹角的方式设在至少一个第二支臂的自由端。

也就是说，第一支臂10和第二支臂围绕主涵道3的外周间隔开的向外延伸设置，并且，第一支臂10与第一旋翼4的数量对应，第二支臂和第二旋翼6数量对应。

在上述实施例中，第一旋翼4用于控制俯仰和滚转姿态，同时在必要的时候提供一定的辅助升力。应当理解，第一旋翼4能够对无人机进行变转速控制，使得飞行简单可靠。第二旋翼6用于进行航向操纵，同时也是为抵消整机反扭矩，使该复合构型无人机能保持飞行姿态。应当理解，第二旋翼6主要用于补偿涵道风扇2的反扭矩。

参考图2和图3，根据本发明的第一实施例，旋翼飞行器进一步包括在至少一个第二支臂的自由端设置副涵道12，第二旋翼6设于副涵道12内，第二转轴与副涵道12的轴线位于同一直线上。应当理解，旋翼飞行器的主涵道3沿周向设有至少两个第一旋翼4，其中主涵道3和涵道风扇2内的螺旋桨一起工作为飞行器提供绝大部分的升力，其余的升力由副涵道12及第二旋翼6进行补偿。另外，飞行器的俯仰和滚转姿态控制通过控制第一旋翼4来完成，偏航控制由第二旋翼6和副涵道12一起作用来实现。优选地，第一支臂10的数量为四个，第二支臂设置的数量为一个，其中，第二支臂与相邻的第一支臂所形成的夹角为60度，四个第一支臂10以第二支臂为对称线而对称设置。

参考图4和图5，根据本发明的第二实施例，第一支臂10设置的数量为四个，第二支臂设置的数量为两个，四个第一支臂10和两个第二支臂绕中心轴线在主涵道3的周向等角度地设置，两个第二支臂设在主涵道的同一径向方向上的相对两侧，第一旋翼4设置的数量为四个，第二旋翼6设置的数量为两个，两个第二旋翼6分别设在两个第二支臂上，四个第一旋翼4分别设在第一支臂10上。

也就是说，旋翼飞行器包括彼此间隔开地设置在外壁8上的四个第一旋翼4、以及两个第二旋翼6。其中，四个第一旋翼4对称地设置在两个第二旋翼6的第二转轴连线的两侧。也就是说，两个第二旋翼6的第二转轴连线的两侧分别设有两个第一旋翼4，且两侧的第一旋翼4相对于两个第二旋翼6之间连线彼此对称。飞行器的俯仰和滚转姿态控制主要由第一旋翼4完成，飞行器的偏航控制主要由第二旋翼6实现。

参考图4和图5，根据本发明的实施例，四个第一转轴平行于中心轴线，两个第二转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角。在一个可选实施中，第二旋翼6的第二转轴与中心轴线垂直。

根据一个可选实施例，第二旋翼6的第二转轴与涵道风扇2的中心轴线垂直，并且两个第二旋翼6的第二转轴彼此平行，两个第二旋翼6的桨叶朝向相反，即两个第二旋翼6的旋转所产生的气流方向相反，有利于抵消涵道风扇产生的反扭矩。

参考图6、图7、图8和图9，根据本发明的第三实施例，第一支臂10和第二支臂设置的数量分别为两个，两个第一支臂10和两个第二支臂绕中心轴线在主涵道3的周向等角度地设置，两个第一支臂10设在主涵道的一个径向方向上的相对两侧，两个第二支臂设在主涵道的另一径向方向上的相对两侧，第一旋翼4的数量为两个，第二旋翼6的数量为两个，两个第一旋翼4分别设在两个第一支臂10的自由端，两个第二旋翼6分别设在两个第二支臂的自由端，等角度设置第一旋翼和第二旋翼，使飞行器的姿态控制更平稳。

根据本发明的第三实施例，两个第一转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角，两个第二转轴与中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角，更有利于对涵道风扇产生的反扭矩的抵消。

参考图6，根据一个可选实施例，两个第一转轴分别为第一前转轴a和第二后转轴c，两个第二转轴分别为第二前转轴b和第二后转轴d。其中，第一前转轴a绕第一支臂顺时针倾斜β角度安装，第二后转轴c绕第一支臂沿相反方向倾斜β角度安装；第二前转轴b绕第二支臂逆时针倾斜β角度安装，第二后转轴d绕第二支臂沿相反方向倾斜β角度安装。

其中，两个第一旋翼和两个第二旋翼通过转速差来实现飞行器的姿态控制。当第一前转轴a和第二后转轴c同时增大(或减小)相同的变化量，第二前转轴b和第二后转轴d同时减小(或增大)相同的变化量，可以实现飞行器的滚转控制；当第二前转轴b和第二后转轴c同时增大(或减小)相同的变化量，第一前转轴a和和第二后转轴d同时减小(或增大)相同的变化量时，可以实现飞行器的反滚控制。第一前转轴a和第二前转轴b同时增大(或减小)相同的变化量，第二后转轴c和第二后转轴d同时减小(或增大)相同的变化量时，可以实现飞行器的俯仰控制。第一支臂10和第二支臂的长度、第一旋翼和第二旋翼的倾斜角度的确定与飞行器所需的机动性能有关。

参考图10和图11，根据本发明的实施例，旋翼飞行器还包括驱动装置，涵道风扇2包括设在主涵道2内的动叶片18及位于动叶片18下方的静叶片20，动叶片18、第一旋翼4及第二旋翼6分别与驱动装置连接。

参考图图5、图10和图11，根据本发明的实施例，驱动装置包括发动机16，主涵道3上设置安装架22，安装架22位于动叶片18上方或者静叶片20下方，发动机16设在安装架22上，发动机16与动叶片18通过传动机构连接。在一个可选实施例中，传动机构为主传动轴24，动叶片18通过桨毂26安装在主传动轴24上。静叶片20的一端与涵道壁8固定连接，并且另一端连接至静叶片安装盘28，其中，静叶片安装盘28中设置有轴承30并且轴承30连接主传动轴24。

在以上实施例中，外壁8安装在涵道风扇2的主承力结构上。外壁8的作用是由于涵道唇口处的低压区而产生附加升力，同时外壁8抑制了动叶片18的桨尖涡的形成，增加升效，减小了噪声。另外，外壁8还起安全保护作用。

进一步地，动叶片18采用油动发动机提供动力，外壁8和动叶片18构成了该无人机的主升力单元，具备大载荷、长航时的能力。静叶片20安装在静叶片安装盘28上，用于平衡动叶片18等产生的大部分反扭矩。

更进一步地，发动机16安装在涵道壁8唇口上方的发动机安装架22上，与机体主承力结构相连，用于稳定安装发动机16，同时使重心上移，让重心接近气动中心，以减小该无人机前飞时的俯仰力矩，降低操纵难度。另外发动机16的主传动轴24上连接有减速器32，减速器32通过与发动机16相配套的接头，安装在发动机16上，并通过侧向接头用连杆安装在机体主结构上，用于减小发动机16输出的转速。

飞行器还包括设置在涵道风扇2的底部的彼此间隔开的多个起落架34。每个起落架34为由涵道风扇2的底部延伸，并且远离涵道风扇2的旋转轴向外弯曲的缓冲式起落架。缓冲式起落架安装在机体主承力结构上，能使该复合构型无人机进行软着陆。

根据本发明的实施例，驱动装置还包括第一电机和第二电机，第一旋翼4与第一电机同轴设置在第一支臂10的自由端，第二旋翼6与第二电机同轴设置在第二支臂的自由端。

参考图1，根据本发明的实施例，第一支臂10和第二支臂均通过折叠机构14连接至主涵道3，以使第一支臂10和第二支臂具有在主涵道3的径向方向上的打开位置和平行于主涵道切线方向的收纳位置。根据工作状态对支臂10进行收放，在该无人机不工作时，使用折叠机构14使安装支臂10在水平面内旋转，折叠安装支臂10，减少占用空间。

应当理解的是，本发明的飞行器可以用于油气管道巡检、农林植保、电力巡线、海关边防巡检、消防救援等。

以飞行器具有四个第一旋翼和两个第二旋翼为例：

实施方式一：本发明实施例提供的无人机处于垂直飞行状态

为使本发明实施例提供的一种油电混合涵道风扇2复合构型无人机处于垂直起飞状态，具体的操作方法和步骤可如下所述：

第一步：对飞行器机进行检查，调试，并进行地面试车，无异样后，进行下一步操作；

第二步：启动发动机16，通过减速器32进行单级减速，驱动主传动轴24，从而带动桨毂26，动叶片18一起旋转。油门从小调到工作所需行程，过程中动叶片18旋转正常。动叶片18产生的扭矩，会由下方的气流作用到静叶片20上所产生的反扭矩抵消。整机平稳离地，会有微小的自旋转；

第三步：控制第二旋翼6，产生辅助的反扭矩，以抵消静叶片20所不能抵消的实时变化的那部分反扭矩，这样使得飞行器不做自旋转，处于稳定悬停状态；

第四步：若遇到6级以下风作用时，调节水平电机的转速，从而控制第一旋翼4，拉力变化，使其产生相应的俯仰力矩和滚转力矩，从而使得飞行器姿态保持平稳悬停。

实施方式二：本发明实施例提供的无人机处于前飞状态

第一步：在悬停状态的基础上，调节倾斜电机的转速，控制第二旋翼6的拉力变化，使其产生相应变化的反扭矩，亦称偏航力矩，使飞行器进行旋转，实现偏航操纵；

第二步：调节水平电机的转速，从而控制第一旋翼4的拉力变化，使其产生相应的俯仰力矩和滚转力矩，实现俯仰和滚转操纵，使无人机进行稳定前飞；

第三步：若遇到6级以下风作用时，调节水平电机的转速，从而控制第一旋翼4拉力变化，使其产生相应的俯仰力矩和滚转力矩，使整机姿态保持平稳前飞。

实施方式三：本发明实施例提供的无人机处于即将着陆状态

第一步：控制发动机16油门行程，降低动叶片18转速，使无人机垂直降落；

第二步：控制第一旋翼4和第二旋翼6，使无人机平稳降落；

第三步：当降落到接近地面，按经验0.5m高度处，关闭发动机，目的是防止流出外壁8的气流和地面相互作用，形成大的地面效应，产生非常大的矢量推力，进而可能产生巨大的倾覆力矩，导致无人机瞬间翻转，发生破坏。这时，利用第一旋翼4的姿态控制以及附加升力的作用，可使无人机较为平稳的着陆。着陆时，缓冲式起落架起到载荷作用时间长，卸载的作用，减小冲击载荷带来的破坏；

第四步：操作折叠机构14，使电动旋翼安装支臂10水平旋转，从而将第一旋翼4、第二旋翼6收起，操作实例完成。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种旋翼飞行器，其特征在于，包括：

涵道风扇(2)，包括具有中心轴线的所述主涵道(3)；

至少两个第一支臂(10)和至少一个第二支臂，分别垂直于所述中心轴线并设在所述主涵道(3)的外壁(8)上；

至少两个具有第一转轴的第一旋翼(4)，以所述第一转轴垂直于所述第一支臂(10)的方式设在所述至少两个第一支臂(10)的自由端；以及

至少一个具有第二转轴的第二旋翼(6)，以所述第二转轴垂直于所述第二支臂且所述第二转轴与所述中心轴线呈夹角的方式设在所述至少一个第二支臂的自由端。

2.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，进一步包括：在所述至少一个第二支臂的自由端设置副涵道(12)，所述第二旋翼(6)设于所述副涵道(12)内，所述第二转轴与所述副涵道(12)的轴线位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述第一支臂(10)设置的数量为四个，所述第二支臂设置的数量为两个，所述四个第一支臂(10)和所述两个第二支臂绕所述中心轴线在所述主涵道(3)的周向等角度地设置，所述两个第二支臂设在所述主涵道的同一径向方向上的相对两侧，所述第一旋翼(4)设置的数量为四个，所述第二旋翼(6)设置的数量为两个，所述两个第二旋翼(6)分别设在所述两个第二支臂上，所述四个第一旋翼(4)分别设在所述四个第一支臂(10)上。

4.根据权利要求3所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述四个第一转轴平行于所述中心轴线，所述两个第二转轴与所述中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角。

5.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述第一支臂(10)和所述第二支臂设置的数量分别为两个，所述两个第一支臂(10)和所述两个第二支臂绕所述中心轴线在所述主涵道(3)的周向等角度地设置，所述两个第一支臂(10)设在所述主涵道的一个径向方向上的相对两侧，所述两个第二支臂设在所述主涵道的另一径向方向上的相对两侧，所述第一旋翼(4)的数量为两个，所述第二旋翼(6)的数量为两个，所述两个第一旋翼(4)分别设在所述两个第一支臂(10)的自由端，所述两个第二旋翼(6)分别设在所述两个第二支臂的自由端。

6.根据权利要求5所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述两个第一转轴与所述中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角，所述两个第二转轴与所述中心轴线形成倾斜方向相反且大小相等的夹角。

7.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述旋翼飞行器还包括驱动装置，所述涵道风扇(2)包括设在所述主涵道(2)内的动叶片(18)及位于所述动叶片(18)下方的静叶片(20)，所述动叶片(18)、所述第一旋翼(4)及所述第二旋翼(6)分别与所述驱动装置连接。

8.根据权利要求7所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述驱动装置包括发动机(16)，所述主涵道(3)上设置安装架(22)，所述安装架(22)位于所述动叶片(18)上方或者所述静叶片(20)下方，所述发动机(16)设在所述安装架(22)上，所述发动机(16)与所述动叶片(18)通过传动机构连接。

9.根据权利要求8所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述驱动装置还包括第一电机和第二电机，所述第一旋翼(4)与所述第一电机同轴设置在所述第一支臂(10)的自由端，所述第二旋翼(6)与所述第二电机同轴设置在所述第二支臂的自由端。

10.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述第一支臂(10)和所述第二支臂均通过折叠机构(14)连接至所述主涵道(3)，以使所述第一支臂(10)和所述第二支臂具有在所述主涵道(3)的径向方向上的打开位置和平行于所述主涵道(3)切线方向的收纳位置。