CN114476043A - 一种电动分布式旋翼无人运输机 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及无人运输机的领域，具体公开了一种电动分布式旋翼无人运输机，包括机身，机身的顶部转动连接有共轴双旋翼，共轴双旋翼包括上层螺旋桨和下层螺旋桨，上层螺旋桨和下层螺旋桨反向旋转，上层螺旋桨和下层螺旋桨的桨叶上设置有分布式推进***，分布式推进***包括转动连接于桨叶的多个小旋翼、以及驱动小旋翼转动的小电机。达到了使用便捷，对起飞场地要求较小，不依赖机场跑道，具备垂直起降的能力，且所需功率更小的效果。

Description

一种电动分布式旋翼无人运输机
技术领域
本申请涉及无人运输机的技术领域，特别是一种电动分布式旋翼无人运输 机。
背景技术
无论是古代还是现代，交通运输在地区发展中所起的重要作用都是不容忽 视的。高效、快捷的交通网络建成，能真正的实现资源流通和整合，能带动周 边地区和核心区域之间实现经济内外交流，样深刻影响经济发展。如果有可以 覆盖经济圈的便捷无人运输机，可以更快更高效的运送货物，同时可以缓解桥 梁道路的拥挤。
设计一种适合在核心城市内部飞行同时可以承担经济圈内城市之间的运输 任务的无人运输机，对经济圈高效、协同发展，有极大促进作用，同时也能缓 解经济圈内各个城市的交通拥堵。
发明内容
为了使用便捷，对起飞场地要求较小，不依赖机场跑道，具备垂直起降的 能力，且所需更小的功率。本发明提供了一种电动分布式旋翼无人运输机。
本发明采用如下的技术方案：
一种电动分布式旋翼无人运输机，包括机身，机身的顶部转动连接有共轴 双旋翼，共轴双旋翼包括上层螺旋桨和下层螺旋桨，上层螺旋桨和下层螺旋桨 反向旋转，上层螺旋桨和下层螺旋桨的桨叶上设置有分布式推进***，分布式 推进***包括转动连接于桨叶的多个小旋翼、以及驱动小旋翼转动的小电机。
通过上述技术方案，采用旋翼提供升力，实现不依赖跑道垂直起降。共轴 双旋翼设计的采用，实现无人运输机垂直起降，并在满足基本使用条件的情况 下，尽量减小这一无人运输机的尺寸，便于城市使用。分布式推进***的小电 机分布于桨叶上，为旋翼的旋转提供动力，该驱动方式所需的功率更低。
优选的，共轴双旋翼的每一个旋翼均采用四片桨叶，以求在同等尺寸下， 获得更大升力。
优选的，每个桨叶上设置有6个小电机。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述小旋翼分布在桨叶的迎风侧。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述小旋翼在桨叶的展向方向上均匀 分布。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述桨叶上不同桨距的小旋翼提供相 同的旋转扭矩，且消耗功率相差20％以内。
通过单独调节转速和桨距，使每个小旋翼提供相同的旋转扭矩，各个小旋 翼消耗功率相差20％以内，靠近螺旋桨转轴的小旋翼产生更大的拉力，同时滑 流效应更明显。
通过上述技术方案，由于桨叶的上下翼面存在压差在翼梢处会出现气流上 洗的现象，削弱了桨叶的升力。目前大部分的解决办法是增加翼梢小翼来阻止 下翼面的上洗作用。除了增加翼梢小翼外，将小旋翼安装于翼梢，利用螺旋后 气流的旋转来抵消翼梢上洗涡流。以前的思路只是将原本的两台靠近翼根布置 的发动机挪到翼梢，这样翼根处将产生较大的扭矩需要对机翼结构进行加强， 导致结构重量的增加并且只有部分被桨盘加速的气流通过翼面。而本发明引入 分布式推进***，小电机并不集中于翼梢而是沿着展向均匀分布，对翼根处的 弯矩增加较小，结构不需要做过多的补强。并且桨尖小电机带动小旋翼抵消翼 梢上洗作用的同时，大部分桨叶仍然处于其他桨叶的气流加速区。根据叶素动 量理论的计算，这种布局的无人机与传统设计的旋翼飞行器相比所用功率减小。 采用分布式电推进，减小推进噪声。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述上层螺旋桨和下层螺旋桨的桨叶 的桨尖位置设置小旋翼。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述上层螺旋桨和下层螺旋桨均设置 有用于调节自身与机体之间倾斜角度的倾角调节装置。
具体的，倾角调节装置采用传统直升机上广泛使用的自动倾斜器，这是一 种可以改变螺旋桨倾斜方向和桨叶倾角的专用装置。通过它实现对飞行状态的 操纵。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述小电机采用燃料电池供电，燃料 电池在机身上均匀分布。
纯电动推进的无人机在环境保护方面具有明显优势，因此无人运输机采用 燃料电池的纯电力推进，满足城市飞行的环保要求，所用能源清洁并且环境友 善。
由于燃料电池能提供的总能量、功率较大，并且易于为电池充能，设计中 选择对环境无污染的氢燃料电池，为无人运输机提供动力。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述机身为轴对称外形，机身前后两 侧各设置一个舱门。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述机身底部设置有至少三个支撑腿。
在上述的分布式旋翼无人运输机中，所述上层螺旋桨和下层螺旋桨有8°起 始安装角。
本发明采用分布式电推进的共轴旋翼设计，不仅在满足使用要求的情况下 减小了飞行器的尺寸，同时具备低污染、低噪声以及垂直起降的特点。采用燃 料电池作为能量来源，可以实现快速充能。
该无人运输机采用共轴双旋翼提供升力，可以实现无人运输机垂直起降。 旋翼旋转的拉力由融合入机翼的分布式小型电机提供，小型电机上的螺旋桨旋 转产生向前的拉力进一步带动主旋翼旋转。小型电机的能量由燃料电池提供， 燃料电池存储在机身***。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
(1)本发明采用多个小型电机分布于上层螺旋桨和下层螺旋桨的桨叶上， 小电机带动自身小旋翼旋转为上层螺旋桨和下层螺旋桨提供旋转的动力；小旋 翼分布在机翼前缘，共轴双旋翼的桨叶后部的翼段处于滑流区，加速的气流将 增大桨叶的气动力；
(2)本发明引入分布式推进***，发动机并不集中于桨叶的端部而是沿着 展向均匀分布，对桨叶的翼根处的弯矩增加较小，结构不需要做过多的补强。 并且桨叶尖端小电机带动螺旋桨抵消桨叶的翼梢上洗作用的同时，大部分桨叶 仍然处于其他桨叶的气流加速区。根据叶素动量理论的计算，这种布局的无人 机与传统设计的旋翼飞行器相比所用功率减小；
(3)该无人机采用电推进，具有清洁环保的优点，小直径桨叶噪音更小。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的无人运输机的整体结构示意图；
图2为分布式推进***在桨叶上的结构示意图；
图3为电机和小旋翼安装图；
图4为小旋翼的桨叶的形状参数；
图5为机体的舱门中燃料电池放置示意图；
图6为无人运输机装卸货物时舱门打开的状态示意图；
图7为不同小旋翼的滑流效应(主旋翼500RPM)；
图8为单个主旋翼转速和所需扭矩的关系；
图9为单个主旋翼转速和承载能力的关系。
附图标记说明：
1、机身；21、上层螺旋桨；22、下层螺旋桨；3、小旋翼；4、电池；5、 支撑腿。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本申请作进一步详细的描述：
其中，主旋翼为共轴双旋翼。
本申请实施例公开的无人运输机的航程应该能够覆盖经济圈的绝大多数范 围，设计单程航程300km，设计载重120kg，能够满足小批量货物运输。
参照图1-4，一种电动分布式旋翼无人运输机，包括机身1，机身1的顶部 转动连接有共轴双旋翼，共轴双旋翼包括上层螺旋桨21和下层螺旋桨22，上 层螺旋桨21和下层螺旋桨22反向旋转，上层螺旋桨21和下层螺旋桨22的桨 叶上设置有分布式推进***，分布式推进***包括转动连接于桨叶的多个小旋 翼3、以及驱动小旋翼3转动的小电机。
小旋翼3分布在桨叶的迎风侧，小旋翼3在桨叶的展向方向上均匀分布， 桨叶上不同桨距的小旋翼提供相同的旋转扭矩，且消耗功率相差20％以内。通 过单独调节转速和桨距，使每个小旋翼提供相同的旋转扭矩，各个小旋翼消耗 功率相差20％以内，靠近螺旋桨转轴的小旋翼产生更大的拉力，同时滑流效应 更明显。上层螺旋桨21和下层螺旋桨22的桨叶的桨尖位置设置小旋翼3。
具体实施案例如下： 1主旋翼设计
无人运输机的升力以及前飞的动力都来自机身上部的两个主旋翼。本次设 计采用共轴双旋翼设计，为了增加升力，减小桨盘尺寸。每个主旋翼有四个桨 叶，桨盘直径为4m，设计转速500RPM。桨叶翼型为NACA0012，有一个8° 起始安装角，如图1-2所示。
采用共轴双旋翼的设计是为了平衡主旋翼旋转过程中对机身的扭矩影响。 通过共轴双旋翼反向旋转，可以给机身两个相反方向的扭矩，互相抵消，有利 用无人机的控制。由于主旋翼旋转的动力来源是其上安装的小旋翼，因此本设 计中的共轴双旋翼结构简单。
上层螺旋桨、下层螺旋桨和机身链接处部位均设置有倾角调节装置，倾角 调节装置采用传统直升机上广泛使用的自动倾斜器，这是一种可以改变螺旋桨 倾斜方向和桨叶倾角的专用装置。通过它实现对飞行状态的操纵。
2分布式电推进***
每个主旋翼的桨叶上有6个带有小旋翼的电机，电机带动小旋翼旋转为主 旋翼提供向前运动的拉力，电机和小旋翼的安装如3所示，且对6个小旋翼进 行如图3的编号。
小旋翼的桨叶采用商业上使用比较广泛的一种旋翼外形，每一个有三个桨 叶，桨盘半径0.1125米，每个桨叶的几何外形数据如4所示。其中，弦长和径 向位置均用小旋翼的桨盘半径无量纲。即图中横坐标为当地与桨盘中心的距离 比桨盘半径，图4(左)中纵坐标为桨叶翼型的弦长比桨盘半径，图4(右)中 纵坐标为翼型扭转角。
每个主旋翼有四个桨叶，每个桨叶上有六个小电机，无人运输机总共有48 个电机。当前，与化石燃料相比，电池的能量密度很低。考虑到能量密度对无 人运输机的限制，本次选用能量密度较高的燃料电池作为飞行中的能量来源， 这样可以减小无人机自身的重量，提高有效载荷。
经过调研，采用韩国斗山(DOOSAN)公司研制的DP20氢气燃料电池提 供作为设计方案，这一款燃料电池包也是全球首款无人机专用内置型燃料电池 ***。标准版的电池包，用氢气为燃料，额定功率为2.1kw。电池包堆的重量 是3kg，电池包堆就好像是平时使用的干电池，整个电池包要稳定的工作还需 要电缆、保险丝以及一些控制电路和电气部件，因此电池包的整体重量为6.3kg。 设计安装12块电池包堆，配4份控制部件，能提供功率，燃料电池包堆放置情 况，如图5所示,***黑色轮廓为舱门外形，蓝色阴影为燃料电池简图。
3运输***介绍
机身采用轴对称外形，机身四周为了放置电池，有一定凸起。机身内部预 留装载货物的空间大小是800mm*800mm*1000mm，整个无人运输机(电池重 45kg，氢气燃料6.35kg，推进***22.5kg，机体重量55kg)自重约130kg，最 大起飞重量250kg。无人运输机机身前后两侧各设置一个舱门，两个舱门同时 打开能够更方便的推拉卸货，如图6所示。机身底部设置有4个支撑腿，4个 支撑腿均匀分布于机身的底部，支撑腿从机身的底部开始向下并向远离机身轴 线的方向延伸，无人机采用四角支撑，结构简单，具备一定的缓冲能力。
本次设计的无人运输机通过小旋翼的旋转提供拉力，使主旋翼旋转，为飞 行器提供升力和前飞的拉力。每个小旋翼的位置不同，对主旋翼的力臂不同， 同时来流速度有很大差别。距离主旋翼轴较远的小旋翼有较大力臂同样拉力的 情况下，能够为主旋翼提供更大力矩。而距离主旋翼较近的小旋翼来流速度低， 同样功率的转速下，来流加速更大，滑流效应更加明显，小旋翼的滑流效应(主 旋翼500RPM)如图7所示。
因此需要单独设定转速和桨矩，有助于提升效率。不同位置的六个旋翼的 具体工作参数如表1所示，其中小旋翼的编号如4所示，M是小旋翼为主旋翼 提供的旋转扭矩，P为设计工作情况下小旋翼消耗的功率，r为小旋翼安装处与 主旋翼轴的距离，T为小旋翼旋转产生拉力，Vin为小旋翼来流速度，Vout为 经过小旋翼加速后的气流速度。滑流效应是分布式电推进的一个优势，它的另 一个优势是主旋翼桨尖处的小旋翼转动产生的旋转气流能够抵消部分翼尖涡的 影响，改善桨叶的气动特性。
表1不同小旋翼的具体参数(M为小旋翼为主旋翼提供的旋转扭矩，P为设计 工作情况下小旋翼消耗的功率，r为小旋翼安装位置,T为小旋翼旋转产生拉力， Vin为小旋翼来流速度，Vout为经过小旋翼加速后的气流速度。)
Figure BDA0003452573420000081
载重为255kg时，根据叶素动量理论的计算，传统的轴驱动旋翼机需要功 率为23460w。不考虑设计余量的情况下，本次设计的无人运输机每个桨叶上小 旋翼工作状况如表2所示，能够载重255kg。这种工况下，单个桨叶上的6个 旋翼总共需要功率2818.9w，无人机总功率22551w。这种布局的无人机与传统 设计的旋翼飞行器相比所用功率减小了3.87％。
表2小旋翼工作状况
编号 M(N-m) P(W) r(m) T(N)
1 6.81 432.292 0.575 11.9
2 7.15 424.711 0.855 8.4
3 7.15 434.160 1.135 6.3
4 6.95 457.309 1.415 4.9
5 7.42 530.485 1.695 4.4
6 7.16 539.922 1.975 3.6
4无人运输机起飞
根据叶素动量理论的计算，转速和所需扭矩的关系如图8所示，单个主旋 翼在500RPM时，所需扭矩为168.8N*m。此时单个主旋翼上24个小旋翼能提 供超过190N*m的力矩，因此主旋翼能够达到500RPM的转速。
不考虑滑流效应的情况下，本次设计中所使用的主旋翼转速500RPM时， 单个主旋翼提供的升力能够承载约110kg重量。单个主旋翼转速和承载能力关 系如图9所示。
考虑滑流效应的情况下，主旋翼转速500RPM时，经过小旋翼的加速以后 主旋翼桨叶来流动压变为原来的1.226倍。经过计算，此时两个主旋翼总共能 承载269kg，满足250kg最大起飞重量的要求。
5无人运输机平飞
通过倾转桨盘来实现平飞，设计桨盘最大倾转7°。本次设计中机体宽度 1.4m，按照球形计算无人运输机的阻力，此时阻力系数选0.47，按照飞行速度 25m/s，计算可知阻力277N。当桨盘倾角约为5°时能满足重力和阻力的关系， 此时桨盘需要承载252kg，在设计的阈值之内，能够满足平飞要求。
6无人机能量供给
本次设计通过燃料电池功能来实现48个小旋翼旋转实现飞行，设计用12 块韩国斗山(DOOSAN)公司研制的DP20氢气燃料电池。从表1可以计算出， 在设定的飞行状况下，单个主旋翼桨叶上的6个小旋翼需要3088.4w功率，这 个无人运输机需要的功率是24.7kw。每一块燃料电池能提供2.1kw的功率，12 块燃料电池能提供25.2kw的功率，能够满足使用要求。
使用氢气的燃料电池，能量密度63g/kw*h，按照飞行4个小时计算需要氢 气6.35kg，经过压缩以后体积在120L，可以分四部分放置于机舱四周。
无人运输机具备垂直起降的能力，对起飞降落场地要求不高。同时，采用 电力驱动，有低污染、噪声小以及易控制的特点，满足城市飞行的基本要求。 其次，该无人运输机的航程能覆盖整个城市群，飞行速度较快，能够在短时间 内完成城市群内的货物运输，能够改变城市群内的物流现状，为城市群、经济 圈的快速、协同发展做出贡献。最后，该无人机结构相对简单，易于维护，使 用方便。
无人运输机能够改变城市内部以及城市群内的货物运输状况。在京津冀地 区能够有助于货物快速送达，甚至缓解一部分城市交通的拥挤状况。在珠三角、 长三角这一类水路较多的城市群，这一无人机不受地面交通状况的限制，优势 更加明显，只需较短路程就能完成货物运输。在成都这一类周围山地较多的地 区，该无人运输机能够直接翻山越岭飞行，不必在山路之间绕行，极大缩短了 运送时间，同时运送过程更加安全便捷，也不需要增加路面交通压力。
以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依 本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之 内。

Claims (10)

1.一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：包括机身(1)，机身(1)的顶部转动连接有共轴双旋翼，共轴双旋翼包括上层螺旋桨(21)和下层螺旋桨(22)，上层螺旋桨(21)和下层螺旋桨(22)反向旋转，上层螺旋桨(21)和下层螺旋桨(22)的桨叶上设置有分布式推进***，分布式推进***包括转动连接于桨叶的多个小旋翼(3)、以及驱动小旋翼(3)转动的小电机。
2.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述小旋翼(3)分布在桨叶的迎风侧。
3.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述小旋翼(3)在桨叶的展向方向上均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述桨叶上不同桨距的小旋翼提供相同的旋转扭矩，且消耗功率相差20％以内。
5.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述上层螺旋桨(21)和下层螺旋桨(22)的桨叶的桨尖位置设置小旋翼(3)。
6.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述上层螺旋桨和下层螺旋桨均设置有用于调节自身与机体之间倾斜角度的倾角调节装置。
7.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述小电机采用燃料电池(4)供电，燃料电池(4)在机身(1)上均匀分布。
8.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述机身(1)为轴对称外形，机身(1)前后两侧各设置一个舱门。
9.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述机身(1)底部设置有至少三个支撑腿(5)。
10.根据权利要求1所述的一种电动分布式旋翼无人运输机，其特征在于：所述上层螺旋桨(21)和下层螺旋桨(22)有8°起始安装角。
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