CN110775263B - 尾座式海空跨域无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器技术领域内的一种尾座式海空跨域无人飞行器，包括机壳、推进装置、转向机构、控制器、动力源以及承力座；动力源为推进装置、转向机构以及控制器提供能量，控制器对推进装置和转向机构进行控制；机壳包括机身、主翼以及尾翼；推进装置包括空气对转桨和螺旋桨，螺旋桨连接于机身的尾部，两个空气对转桨对称安装于两个主翼的中部，空气对转桨位于背离螺旋桨的一侧；转向机构包括舵机、舵叶，两组转向机构对称安装于两片主翼上，舵叶位于背离空气对转桨的主翼的一侧，舵机为舵叶提供转向动力；承力座安装于尾翼和主翼上，承力座用于静止时使尾座式海空跨域无人飞行器呈竖立状态。本发明可实现飞行器的垂直起降。

Description

尾座式海空跨域无人飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种尾座式海空跨域无人飞行器及其海空飞行模式。

背景技术

目前，无人自主航行器已经在海洋科考、海底资源勘探与开发、军事等领域占据了一席之地。由于其运动范围广、等优点，未来将会占据越来越重要的地位。但由于无人自主航行期在水下的运动速度有限，当需要从某一海域快速运动到另一海域的时候，往往会花费较长的时间。尤其是在军事方面，战场瞬息万变，需要一种既能快速机动又能潜伏在水中的航行器，因此有必要设计一种能跨海空两域的无人自主航行器。这样就能满足如下目的：当需要快速机动时，飞行器飞出水面在空中快速移动；而不需要快速机动时，飞行器就潜伏在水底，完成监测任务，并可以伺机对敌方发起进攻。

经现有技术检索发现，中国发明专利公开号WO2016062223A1，具体的公开了一种垂直起降飞行器飞行器，包括机身（1）、主翼、可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转的主推力装置（2）、使主推力装置倾转的倾转装置、用于控制飞行姿态的姿态控制装置；机翼包括左半翼及右半翼，主推力装置使用热机作为动力装置；其特征在于：姿态控制装置由至少两个调姿装置（4）、电源模块（5）、调速器模块（9）、飞行控制***（6）组成；调姿装置由电机（4a）、与电机功率连接的螺旋桨或涵道风扇（4b）组成；至少有一个调姿装置设置在左半翼，并且还至少有一个调姿装置设置在右半翼。该发明的飞行器结构依然较为复杂，控制精度低，且不适用于海空两种环境。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种尾座式海空跨域无人飞行器及其海空飞行模式。

根据本发明提供的一种尾座式海空跨域无人飞行器，包括机壳、推进装置、转向机构、控制器、动力源以及承力座；

所述动力源为所述推进装置、所述转向机构以及所述控制器提供能量，所述控制器对所述推进装置和所述转向机构进行控制；

所述机壳包括机身、主翼以及尾翼；

所述推进装置包括空气对转桨和螺旋桨，所述螺旋桨连接于所述机身的尾部，两个所述空气对转桨对称安装于两个所述主翼的中部，所述空气对转桨位于背离所述螺旋桨的一侧；

所述转向机构包括舵机和舵叶，两组所述转向机构对称安装于两片所述主翼上，所述舵叶位于背离所述空气对转桨一侧的所述主翼上，所述舵机为所述舵叶提供动力；

所述承力座安装于所述尾翼和所述主翼上，尾座式海空跨域无人飞行器静止时，所述承力座用于使其呈竖立状态。

一些实施方式中，所述承力座为柱体结构，三个所述承力座分别固定于所述尾翼和两片所述主翼上，三个所述承力座的自由端位于同一水平面且延伸至所述螺旋桨的轴线方向的端面之外。

一些实施方式中，所述承力座通过碳纤维开模一体成型方式分别连接于所述尾翼和所述主翼上。

一些实施方式中，所述主翼设有与所述舵叶相适配的凹槽，所述舵叶转动连接于所述凹槽内。

一些实施方式中，所述舵叶的表面积占所述主翼的表面积的百分比为23%-33%。

一些实施方式中，所述主翼与所述机身通过碳纤维开模一体成型，并在连接处采用圆弧光滑过渡方式处理。

一些实施方式中，所述主翼与所述机身的夹角为30°-60°。

本发明还提供了一种尾座式海空跨域无人飞行器的海空飞行模式，采用所述的尾座式海空跨域无人飞行器，包括直线航行模式和海空切换飞行模式，所述直线航行模式和所述海空切换飞行模式是通过调整所述舵叶相对于所述主翼的仰俯夹角大小实现。

一些实施方式中，所述直线航行模式为所述尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行，其实施方法为：将一对所述舵叶同时朝所述主翼下方转动相同的角度α，所述角度α使得所述舵叶产生的操纵力矩与所述主翼产生的稳定力矩的作用方向相反，当所述舵叶产生的操纵力矩与所述主翼产生的稳定力矩大小相等时停止转动，使得飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行。

一些实施方式中，所述海空切换飞行模式包括海入空飞行模式和空入海飞行模式：

所述海入空飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从水中倾斜飞入空中，其实施方法为：将一对所述舵叶同时朝所述主翼上方转动相同的角度β，所述角度β使得所述舵叶产生的操纵力矩与所述主翼产生的稳定力矩的作用方向一致，均为使飞行器抬头，进而使得飞行器的纵倾角会迅速增大，当角度β到达一定值时，将一对所述舵叶同时反向朝所述主翼下方转动相同的角度β0，所述角度β0使得舵叶产生的使飞行器低头的操纵力矩抵消部分所述主翼产生的使飞行器抬头的稳定力矩，使得飞行器以一定速度从水中以倾斜方式飞入空中；

所述空入海飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从空中飞入水中，其过程为：将一对所述舵叶同时朝所述主翼下方转动相同的角度γ，所述角度γ使得所述舵叶产生的使飞行器低头的操纵力矩大于所述主翼产生的使飞行器抬头的稳定力矩，在两个力矩的相互作用下，飞行器的纵倾角会逐渐减小，所述舵叶产生的使飞行器低头的操纵力矩逐渐减小，当所述主翼产生的使飞行器抬头的稳定力矩与所述舵叶产生的使飞行器低头的操纵力矩相等时停止转动所述舵叶，飞行器将以一定速度从空中以倾斜方式飞入水中。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设计了一种基于升力原理垂直起降的尾座式海空跨域无人自主飞行器，该飞行器尾部具有承力座可以支撑该飞行器，较好的实现了飞行器垂直起降的功能。

2、本发明的飞行器采用翼身融合方式，在机翼和机身连接处采用圆弧光滑过渡，从而可以达到减小飞行器阻力，提高其运动速度的作用。

3、本发明的飞行器通过对舵叶的形状以及在主翼表面的占比范围的设计，在不影响飞行器的升阻力性能的情况下获得了最佳的舵效。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明尾座式海空跨域无人飞行器的结构透视图；

图2为本发明尾座式海空跨域无人飞行器的海空飞行模式示意图；

图3为本发明尾座式海空跨域无人飞行器的整体外观示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供了一种尾座式海空跨域无人飞行器，包括机壳1、推进装置2、转向机构3、控制器4、动力源5以及承力座6；

所述动力源5为所述推进装置2、所述转向机构3以及所述控制器4提供能量，所述动力源5为锂铅电池，采用可重复充电的高性能锂铅电池给飞行器供电；

所述机壳1包括机身11、主翼12以及尾翼13，两片所述主翼12对称连接于所述机身11两侧，所述尾翼13垂直安装于所述机身11的尾部；

所述推进装置2包括空气对转桨21和螺旋桨22，所述螺旋桨22连接于所述机身11的尾部，所述螺旋桨22与所述机身11两者的中轴线重合，两个所述空气对转桨21对称安装于两个所述主翼12的中部，所述空气对转桨21位于背离所述螺旋桨22的一侧；

所述控制器4安装于所述机身11内，所述控制器4通过电调7对所述推进装置2和所述转向机构3进行控制；

所述转向机构3包括舵机31、舵叶32，两组所述转向机构3对称安装于两片所述主翼12上，所述舵机31位于所述主翼12内，背离所述空气对转桨22的所述主翼12的一侧安装有所述舵叶32，所述舵叶32中设有舵角33，所述舵角33通过螺丝螺母固定在舵叶32上，并通过拉杆与所述舵机31相连。当舵机转动时，拉杆会通过舵角33带动舵叶32转动，从而使得舵叶32与主翼12之间形成夹角：海空环境变换时，则给一对舵叶打相同的角度，实现海空的转换；转向时采用插分舵的方式，给一对舵叶分别打不同角度，从而实现飞行器转向；

所述承力座6安装于所述尾翼13和所述主翼12上，尾座式海空跨域无人飞行器静止时，所述承力座6用于使尾座式海空跨域无人飞行器呈竖立状态。

本飞行器采用一对空气对转桨以及一个水下螺旋桨，提供飞行器在水中和空中航行时前进的动力，通过在主翼上连接可相对转动并与之形成夹角的舵叶，在转向时采用插分舵的方式，给一对舵分别打不同角度，即可实现飞行器转向；在海空飞行环境变换时，则给一对舵叶打相同的角度，实现海空的转换。与现有无人自主飞行器相比，该飞行器尾部还具有承力座，用于支撑该飞行器，实现垂直起降的功能。

所述承力座6为柱体结构，所述承力座6为圆柱形或锥形柱体，三个所述承力座6分别固定于所述尾翼13和两片所述主翼12上，三个所述承力座6的自由端位于同一水平面且延伸至所述螺旋桨22轴线方向的端面之外。承力座6的作用是支撑飞行器，使其可保持竖直状态，便于实现垂直起降，因此，设计时直接将承力座设计为3根独立的单一柱体结构即可，简单宜行且可靠度高。

所述承力座6通过碳纤维开模一体成型方式分别连接于所述尾翼13和所述主翼12。通过碳纤维开模一体成型的方式可大幅提高承力座6与尾翼13、主翼12连接的牢固度，确保飞行器处于竖立状态时稳定性最佳。

所述主翼12设有与所述舵叶32相适配的凹槽，所述舵叶32转动连接于所述凹槽内。舵叶32安装在主翼12开设的凹槽后会充当主翼的一部分，其实现方式可为在机翼表面设有凹槽，在舵叶32两端面设有两根伸出的短杆，舵叶32转动的同时两根短杆同时在凹槽内转动，即通过转动，使得舵叶32以主翼12中心平面为基准面，上下均可形成夹角。

所述舵叶的表面积占所述主翼的表面积的百分比为23%-33%。舵叶32的形状和大小会影响舵效，其舵叶32的形状与主翼12的形状相适配，优选为直角梯形结构，其结构中，两侧边与机身11的轴线相平行，底边与主翼12的底边相齐平，与底边相对的另一边的延长线垂直于机身11的轴线，通过水动力软件计算以及实验结果发现，选择该直角梯形结构的舵叶，其舵叶面积占主翼12表面积的比例在23%-33%时舵效较佳，特别的，为27%为最佳，并且不会影响飞行器的升阻力性能。

所述主翼12与所述机身11采用圆弧光滑过渡方式，通过碳纤维开模一体成型。采用翼身融合方式，在机翼和机身连接处采用圆弧光滑过渡，从而可以达到减小飞行器阻力，提高其运动速度的作用。

所述主翼12与所述机身11的圆弧对应的夹角为30°-60°。在设计阶段，先分别设计好主翼以及机身，然后通过半径为30mm的圆，采用圆弧光滑过渡的方法将两者连接起来，圆弧对应的角度范围大致在30°到60°之间，随位置变化而变化，可大幅降低飞行器阻力。

实施例2

如图1-2所示，本实施例提供了一种尾座式海空跨域无人飞行器的海空飞行模式，采用实施例1中所述的尾座式海空跨域无人飞行器，包括直线航行模式和海空切换飞行模式，所述直线航行模式和所述海空切换飞行模式是通过调整舵叶32相对于所述主翼12的仰俯夹角大小实现。

所述直线航行模式为所述尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行，其实施方法为：将一对所述舵叶32同时朝所述主翼12下方转动相同的角度α，所述角度α使得所述舵叶32产生的操纵力矩与所述主翼12产生的稳定力矩的作用方向相反，当所述舵叶32产生的操纵力矩与所述主翼12产生的稳定力矩大小相等时停止转动，使得飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行；

所述海空切换飞行模式包括海入空飞行模式和空入海飞行模式，其中：

所述海入空飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从水中倾斜飞入空中，其实施方法为：将一对所述舵叶32同时朝所述主翼12上方转动相同的角度β，所述角度β使得所述舵叶32产生的操纵力矩与所述主翼12产生的稳定力矩的作用方向一致，均为使飞行器抬头，进而使得飞行器的纵倾角会迅速增大，当角度β到达一定值时，将一对所述舵叶32同时反向朝所述主翼12下方转动相同的角度β0，所述角度β0使得舵叶32产生的使飞行器低头的操纵力矩抵消部分所述主翼12产生的使飞行器抬头的稳定力矩，使得飞行器以一定速度从水中以倾斜方式飞入空中，其倾斜角为角度β0；

所述空入海飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从空中飞入水中，其过程为：将一对所述舵叶32同时朝所述主翼12下方转动相同的角度γ，所述角度γ使得所述舵叶32产生的使飞行器低头的操纵力矩大于所述主翼12产生的使飞行器抬头的稳定力矩，在两个力矩的相互作用下，飞行器的纵倾角会逐渐减小，所述舵叶32产生的使飞行器低头的操纵力矩会逐渐减小，当所述主翼12产生的使飞行器抬头的稳定力矩与所述舵叶32产生的使飞行器低头的操纵力矩相等时停止转动所述舵叶32，飞行器将以一定速度从空中以倾斜方式飞入水中。

本实施例是一种基于升力原理垂直起降的尾座式海空跨域无人飞行器的飞行方法，如附图2所示，当需要执行任务时，该飞行器可以在舰船上垂直起飞，起飞后经过调整姿态，可以以不同运动方式实现空中飞行。如需要执行水下侦察或出于隐蔽目的需要入水时，可以通过调整舵角以倾斜或者垂直的方式进入水中，入水后可以以不同运动方式实现水下运动。当需要再次出水时，调整舵角使该飞行器以倾斜或者垂直的方式出水。在完成空中任务准备回收时，可以通过调整舵角使其以垂直降落的方式回到陆地或者舰船上。其中：

动力源部分，采用可以重复充电的高性能锂铅电池给飞行器的各装置供电；

控制器部分，用于控制推进装置以及转向机构；

机身机翼部分，主要是为该飞行器在空中运动时提供升力，并且可以增大其在水下航行时的载重量；

承力座部分，支撑该飞行器，便于其实现垂直起降；

推进装置部分，该飞行器采用一对空气对转桨以及一个水下螺旋桨，能提供飞行器在水中和空中航行时前进的动力；

转向机构部分，在海空环境变换时，则给一对舵叶打相同的角度，实现由海入空或由空入海的飞行模式的转换，在转向时采用插分舵的方式，给一对舵叶分别打不同角度，从而实现飞行器转向。

实施例1中对尾座式海空跨域无人飞行器所具有的结构以及相关的设备器件进行了详细的阐述，本实施例2中均具备，在此不再赘述。

综上所述，本发明设计了一种基于升力原理垂直起降的尾座式海空跨域无人自主飞行器。该飞行器采用翼身融合方式，在机翼和机身连接处采用圆弧光滑过渡，从而可以达到减小飞行器阻力，提高其运动速度的作用。与现有无人自主飞行器相比，该飞行器尾部具有尾座，可以支撑该飞行器，以便于其实现垂直起降的功能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以相互组合。

Claims (6)

1.一种尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，包括机壳（1）、推进装置（2）、转向机构（3）、控制器（4）、动力源（5）以及承力座（6）；

所述动力源（5）为所述推进装置（2）、所述转向机构（3）以及所述控制器（4）提供能量，所述控制器（4）对所述推进装置（2）和所述转向机构（3）进行控制；

所述机壳（1）包括机身（11）、主翼（12）以及尾翼（13）；

所述推进装置（2）包括空气对转桨（21）和螺旋桨（22），所述螺旋桨（22）连接于所述机身（11）的尾部，两个所述空气对转桨（21）对称安装于两个所述主翼（12）的中部，所述空气对转桨（21）位于背离所述螺旋桨（22）的一侧；

所述转向机构（3）包括舵机（31）和舵叶（32），两组所述转向机构（3）对称安装于两片所述主翼（12）上，所述舵叶（32）位于背离所述空气对转桨（21）一侧的所述主翼（12）上，所述舵机（31）为所述舵叶（32）提供动力；

所述承力座（6）安装于所述尾翼（13）和所述主翼（12）上，尾座式海空跨域无人飞行器静止时，所述承力座（6）用于使其呈竖立状态；

所述承力座（6）为柱体结构，三个所述承力座（6）分别固定于所述尾翼（13）和两片所述主翼（12）上，三个所述承力座（6）的自由端位于同一水平面且延伸至所述螺旋桨（22）的轴线方向的端面之外；

所述的尾座式海空跨域无人飞行器，包括直线航行模式和海空切换飞行模式，所述直线航行模式和所述海空切换飞行模式是通过调整所述舵叶（32）相对于所述主翼（12）的仰俯夹角大小实现；

所述直线航行模式为所述尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行，其实施方法为：将一对所述舵叶（32）同时朝所述主翼（12）下方转动相同的角度α，所述角度α使得所述舵叶（32）产生的操纵力矩与所述主翼（12）产生的稳定力矩的作用方向相反，当所述舵叶（32）产生的操纵力矩与所述主翼（12）产生的稳定力矩大小相等时停止转动，使得飞行器以一定速度在水中或空中保持直线航行；

所述海空切换飞行模式包括海入空飞行模式和空入海飞行模式：

所述海入空飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从水中倾斜飞入空中，其实施方法为：将一对所述舵叶（32）同时朝所述主翼（12）上方转动相同的角度β，所述角度β使得所述舵叶（32）产生的操纵力矩与所述主翼（12）产生的稳定力矩的作用方向一致，均为使飞行器抬头，进而使得飞行器的纵倾角会迅速增大，当角度β到达一定值时，将一对所述舵叶（32）同时反向朝所述主翼（12）下方转动相同的角度β0，所述角度β0使得舵叶（32）产生的使飞行器低头的操纵力矩抵消部分所述主翼（12）产生的使飞行器抬头的稳定力矩，使得飞行器以一定速度从水中以倾斜方式飞入空中；

所述空入海飞行模式即为尾座式海空跨域无人飞行器以一定速度从空中飞入水中，其过程为：将一对所述舵叶（32）同时朝所述主翼（12）下方转动相同的角度γ，所述角度γ使得所述舵叶（32）产生的使飞行器低头的操纵力矩大于所述主翼（12）产生的使飞行器抬头的稳定力矩，在两个力矩的相互作用下，飞行器的纵倾角会逐渐减小，所述舵叶（32）产生的使飞行器低头的操纵力矩逐渐减小，当所述主翼（12）产生的使飞行器抬头的稳定力矩与所述舵叶（32）产生的使飞行器低头的操纵力矩相等时停止转动所述舵叶（32），飞行器将以一定速度从空中以倾斜方式飞入水中。

2.根据权利要求1所述的尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，所述承力座（6）通过碳纤维开模一体成型方式分别连接于所述尾翼（13）和所述主翼（12）上。

3.根据权利要求1所述的尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，所述主翼（12）设有与所述舵叶（32）相适配的凹槽，所述舵叶（32）转动连接于所述凹槽内。

4.根据权利要求3所述的尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，所述舵叶（32）的表面积占所述主翼（12）的表面积的百分比为23%-33%。

5.根据权利要求1所述的尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，所述主翼（12）与所述机身（11）通过碳纤维开模一体成型，并在连接处采用圆弧光滑过渡方式处理。

6.根据权利要求5所述的尾座式海空跨域无人飞行器，其特征在于，所述主翼（12）与所述机身（11）的夹角为30°-60°。

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