CN212890923U - 垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，属于航天航空技术领域，该飞行器包括机身和设置在机身两侧的机翼；机翼上设有朝向机身头部旋翼，使旋翼转动后产生的动力朝向机身头部方向；且旋翼倾斜于机身长轴线，使得旋翼产生的动力在垂直机身长轴线方向具有分力；通过调控不同旋翼间的转速差控制不同旋翼在垂直机身长轴线方向分力的大小，使得飞行器在该分力作用下发生翻转，从而调整飞行器的飞行姿态；无需添加额外机构，即可实现飞行器的垂直起降。

Description

垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及航天航空技术领域，尤其涉及一种垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器。

背景技术

固定翼飞行器具有飞行时间长和航程远的特点，但是起飞和降落一般需要进行长距离滑行的跑道，利用向前推进过程中机翼上下两侧的气压差提供飞行器向上飞行的力，因此对使用环境有较大的限制，依赖机场和跑道；在军用和民用上均有诸多不便。

随之出现了垂直起降固定翼飞行器能够解决以上问题；现有的垂直起降固定翼飞行器主要包括三种形式，第一种为倾转旋翼类型，典型代表是美国的V-22“ 鱼鹰”倾转旋翼机；在起降和巡航飞行时通过特殊机构改变旋翼的方向，实现垂直起降；第二种为尾座式，通过飞行器舵面偏转来实现飞行器实现水平飞行和垂直起降的状态转换；第三种广泛应用于现在的无人机设计中，这种类型的无人机分别具有水平和垂直方向的两套螺旋桨和动力***；在起飞和降落时，垂直升力螺旋桨旋转，产生向上的升力，而水平方向飞行时，只有水平方向的螺旋桨旋转，产生水平方向的拉力，依靠机翼产生升力。

以上三种方式中，尾座式垂直起降飞行器在起飞和降落阶段由于速度低，舵面的效能有限，因此控制困难。第一种和第三种方式都需要额外的机构，增加了飞行器重量，降低了可靠性，缩短了飞行器的航程。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种垂直起降的倾斜旋翼飞行器，飞行器上设有多个设置在固定翼上的旋翼组件；且垂直起飞时，旋翼的旋转平面与水平面之间夹角为5-25度；这样旋翼产生的动力不与水平面垂直，而在水平方向产生一定分力，在飞行器起飞过程中控制各个旋翼的转速相同，该水平方向的分力恰好被平衡；当飞行器完成垂直上升后，控制其中一侧旋翼的转动增大，利用该旋翼产生的力在水平方向的分力使飞行器发生翻转，调整飞行器的飞行姿态，使旋翼产生的升力变为向前飞行的动力；无需添加额外机构，控制不同旋翼之间的转速即可调整飞行器的飞行姿态；实现飞行器的垂直起降；通过旋翼的旋转平面与水平面之间夹角控制旋翼速度差一定时，产生的使飞行器翻转的扭力的大小。

为实现上述目的，本实用新型提供一种垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，包括机身和设置在机身两侧的机翼；机翼上设有朝向机身头部旋翼，使旋翼转动后产生的动力朝向机身头部方向；且旋翼倾斜于机身长轴线，使得旋翼产生的动力在垂直机身长轴线方向具有分力；通过调控不同旋翼间的转速差控制不同旋翼在垂直机身长轴线方向分力的大小，使得飞行器在该分力作用下发生翻转，从而调整飞行器的飞行姿态。

具体的，机翼上下两端至少各设有一个旋翼；当时机翼上、下端各设有一个旋翼时，飞行器上旋翼总数量为4，各设两个旋翼时，飞行器上旋翼总数量为8。

优选的方案，两侧机翼上的旋翼关于机身长轴对称设置。

具体的方案，机翼上设有突出于机翼上表面和下表面的安装座4；旋翼设置在安装座4上，且朝向机身头部方向。

更具体的方案，安装座4前端设有倾斜于机身长轴线的安装孔，安装孔内设有电机，旋翼与电机连接后跟随电机转动。由于安装孔倾斜于机身长轴线，故电机是安装孔适配卡和后电机也倾斜于机身长轴线方向；旋翼与电机的转轴连接后即相对机身长轴倾斜设置，且跟随电机转轴转动。

更具体的方案，安装座4包括与机翼连接的连接部41，连接部41另一端设有支撑部42；支撑部42长度方向与机身长轴方向相同；安装孔设置在支撑部42朝向机身头部的一侧；支撑部42朝向机身尾部的一侧长于机尾；在飞行器垂直起降过程中依靠支撑部42朝向机身尾部的一侧与地面接触，起到支撑整个飞行器的作用。

更有选的方案，旋翼倾斜于机身长轴线，旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角为5-25度；理论上旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角越大旋翼旋转时产生的使飞行器放生翻转的分力就越大，但是该分力仅在调整飞行器姿态过程中起到作用，在飞行器垂直起降和水平飞行时，该部分的各旋翼该部分分力相互平衡，不起到任何作用；如果该分力过大则平行于机身长轴方向的动力就越小，为了提高旋翼的驱动效率；旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角为5-25度最优，既能使得飞行器快速完成翻转动作，又能保证旋翼以高效率提供的动力。

更优选的方案，旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角为15度。

具体的方案，机翼为固定翼结构；在飞行器水平飞行过程中，固定翼上下侧空气流速产生的气压差提供向上的力与飞行器的重力平衡。

具体的方案，旋翼向靠近机身方向倾斜于机身长轴线。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，机翼上设有朝向机身头部旋翼，使旋翼转动后产生的动力朝向机身头部方向；且旋翼倾斜于机身长轴线，使得旋翼产生的动力在垂直机身长轴线方向具有分力；通过调控不同旋翼间的转速差控制不同旋翼在垂直机身长轴线方向分力的大小，使得飞行器在该分力作用下发生翻转，从而调整飞行器的飞行姿态；无需添加额外机构，即可实现飞行器的垂直起降。

附图说明

图1为本实用新型的飞行器垂直上升过程示意图；

图2为本实用新型的飞行器平飞与侧飞转换过程示意图；

图3为本实用新型的飞行器机身头部旋转过程示意图；

图4为本实用新型的飞行器水平飞行示意图。

主要元件符号说明如下：

1、机身；2、机翼；3、旋翼；4、安装座；11、机身头部；31、电机；41、连接部；42、支撑部；a、机身长轴线；F、旋翼产生的动力；F1、F在与机身长轴平行方向的分力；F2、F在与机身长轴垂直方向的分力。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

飞行器垂直起飞过程大致分为三个阶段，第一个阶段是利用旋翼3旋转提供的升力控制飞行器垂直上升，第二个阶段是飞行器上升一定高度后，调整旋翼3的动力方向，使得旋翼3原向上方向的升力转换为推动飞行器向前运动的推力；第三阶段为飞行器在旋翼3提供的动力下飞行、巡航。

整个过程的难点就在于第二阶段，调整旋翼3的动力方向；类似美国的V-22“ 鱼鹰”倾转旋翼，是通过一个转动结构来控制旋翼3在10S内完成转动，使得旋翼3旋转产生动力由垂直方向变为水方向；而尾座式，是通过飞行器舵面偏转来使得飞行器整体发生翻转从而改变旋翼3的动力方向；第三种是通过两套***来实现旋翼3动力方向的转换，即上升时启用垂直旋翼3，水平旋翼3不工作；上升一定高度后启用水平旋翼3，垂直旋翼3不工作。

垂直起降飞行器的续航能力差一直为业内人士所诟病，上述三种方式中第一种和第三中方式均在一定程度上对飞行器的续航能力产生影响；特别是第三种，虽然在目前应用最广，但是两套***对飞行器的续航能力是个极大的考验。

基于此，本实用新型提供了一种垂直起降的固定翼倾斜旋翼3飞行器，参阅图1，其包括机身1和设置在机身1两侧的机翼2；机翼2上设有朝向机身头部11旋翼3，使旋翼3转动后产生的动力朝向机身头部11方向；且旋翼3倾斜于机身长轴线a，使得旋翼3产生的动力在垂直机身长轴线a方向具有分力；通过调控不同旋翼3间的转速差控制不同旋翼3在垂直机身长轴线a方向分力的大小，使得飞行器在该分力作用下发生翻转，从而调整飞行器的飞行姿态。

在本实施例中，机翼2上下两端各设有一个旋翼3；即飞行器上旋翼3总数量为4，且两侧机翼2上的旋翼3对称设置，同一机翼2上下两端的旋翼3关于机翼2对称设置。

更具体可以将旋翼3的倾斜方向设置为向靠近机身1方向倾斜于机身长轴线a。

垂直起飞过程：

第一阶段：参阅图1，飞行器利用支撑部42立在地面，机身头部11朝上；四个旋翼3同时转动；产生朝向机身头部11的力，由于旋翼3倾斜于机身长轴线a，故此时旋翼3产生的动力并不完全与机身1的轴线平行，也就是说并不是垂直地面向上的，而是与机身长轴线a方向由一定夹角；该力可以分解为一个垂直地面向上的升力和升力垂直的水平分力；由于四个旋翼3完全对称故，只需控制四个旋翼3的转速完全相同即可使得四个旋翼3的水平分力大小和对飞行器的力矩恰好抵消；最终飞行器只受到升力，并在垂直地面的升力的作用下，垂直上升。

第二阶段：参阅图2和图3，飞行器飞行一定高度后，此时机身1的头部仍为朝上；控制两机翼2的下端旋翼3转速增大，此时下端旋翼3的动力变大，水平分力也变大，在水平分力产生的扭矩作用下，无人机的头部发生倾斜，由垂直朝上转变为水平朝前；即让飞行器“抬头”或者“低头”

同时还可以控制一个机翼2上端和另一个机翼2下端的旋翼3增速，使旋翼3的动力与机身1轴线垂直方向的分力产生使得飞行器绕机身长轴线a旋转的扭矩；让飞行器由平飞变为侧飞或者侧飞改成平飞。

其他各种复杂的飞行器翻转过程均为上述两种基本翻转过程的组合；可以通过控制不同旋翼3达到各自不同的转速实现。

第三阶段：参阅图4，无人机发生翻转使得头部超前后，旋翼3产生的动力方向也就发生改变；同理当四个旋翼3的转速相同时，四个旋翼3的合力是与机身长轴线a平行的，提供驱动飞行器前进的动力；在前进过程中机翼2两侧由于空气流速差产生向上的升力 ；四个旋翼3在与机身长轴线a垂直方向上的分力、及该分力产生的力矩恰好完全抵消。

本实用新型通过将旋翼3倾斜设置时，旋翼3与机身1轴线垂直方向上的分力来控制飞行器发生翻转，从而调控旋翼3旋转时产生的动力的方向；实现垂直升降；相比于现有技术不仅起降过程效率高，而且无需依赖旋翼3以外的其他装置；不影响飞行器的续航能力。

优选的，旋翼3倾斜于机身长轴线a，旋翼3转动时旋转平面的法向量与机身1长轴之间的夹角为5-25度；因为旋翼3产生的动力在垂直机身1长轴方向的分力在飞行器垂直上升和水平前进过程中均不起到作用，直接被平衡抵消；故该分力不宜过大；该分力越大则在与机身长轴线a平行方向上的分力就会越小，而在与机身长轴线a平行方向上的分力是驱动飞行器前进的力；夹角为5-25度时，既能使得飞行器快速完成翻转动作，又能保证旋翼3以高效率提供的动力。

考虑到实际电机31采用的是无刷直流电机31，电机31功率为10-500W，飞行器重量为1.5kg，总旋翼3数量为4；上述夹角为15度时最佳。

在另一实施例中，旋翼的倾斜方向还可以额设置为向远离机身方向倾斜于机身长轴线，但倾斜方向不限于此，本申请中的倾斜的含义为不平行或者不垂直。

本实用新型的优势在于：

1、本实用新型通过将旋翼倾斜设置时，旋翼与机身轴线垂直方向上的分力来控制飞行器发生翻转，从而调控旋翼旋转时产生的动力的方向；实现垂直升降；相比于现有技术不仅起降过程效率高，而且无需依赖旋翼以外的其他装置；不影响飞行器的续航能力。

2、旋翼产生的动力在垂直机身长轴方向的分力在飞行器垂直上升和水平前进过程中均不起到作用，直接被平衡抵消；故该分力不宜过大；夹角为5-25度时，既能使得飞行器快速完成翻转动作，又能保证旋翼以高效率提供的动力。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，包括机身和设置在机身两侧的机翼；机翼上设有朝向机身头部旋翼，使旋翼转动后产生的动力朝向机身头部方向；且旋翼倾斜于机身长轴线，使得旋翼产生的动力在垂直机身长轴线方向具有分力；通过调控不同旋翼间的转速差调整飞行器的飞行姿态。

2.根据权利要求1所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，机翼上下两端至少各设有一个旋翼。

3.根据权利要求2所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，机翼上设有突出于机翼上表面和下表面的安装座；旋翼设置在安装座上，且朝向机身头部方向。

4.根据权利要求3所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，安装座前端设有倾斜于机身长轴线的安装孔，安装孔内设有电机，旋翼与电机连接后跟随电机转动。

5.根据权利要求4所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，安装座包括与机翼连接的连接部，连接部另一端设有支撑部；支撑部长度方向与机身长轴方向相同；安装孔设置在支撑部朝向机身头部的一侧；支撑部朝向机身尾部的一侧长于机尾。

6.根据权利要求2所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，两侧机翼上的旋翼关于机身长轴对称设置。

7.根据权利要求6所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，机翼上下两端的旋翼关于机翼对称设置。

8.根据权利要求1所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，旋翼倾斜于机身长轴线，旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角为5-25度。

9.根据权利要求8所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，旋翼转动时旋转平面的法向量与机身长轴之间的夹角为15度。

10.根据权利要求1所述的垂直起降的固定翼倾斜旋翼飞行器，其特征在于，机翼为固定翼结构。

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