CN100358776C - 一种微型飞机俯仰操纵方法及控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微型飞机俯仰操纵方法。为克服现有技术中通过水平尾翼和升降舵操纵飞机所带来的不足，本发明通过改变飞机重心相对于气动中心沿机身轴线方向的位置，改变气动力与飞机重心的力臂长度，以产生附加的俯仰力矩操纵飞机。本发明通过翼/身连杆(13)，将机翼(4)、机身(8)连成平行四边形机翼/机身连接机构，控制舵机摇臂(15)的运动，改变机翼/机身连接机构的构型，使飞机重心相对位置发生变化：当重心前移时，气动中心位于重心后方，升力对重心产生附加的低头力矩，使飞机姿态下俯；反之，升力会产生附加的抬头力矩，实现飞机姿态上仰，无需水平尾翼和升降舵就可以实现微型飞机的俯仰操纵，具有机构简单、易操作、可靠性强的优点。

Description

一种微型飞机俯仰操纵方法及控制机构

(一)所属技术领域

本发明涉及微型飞机，是一种通过移动微型飞机重心前后位置实现飞机的俯仰操纵方法及控制机构。

(二)背景技术

微型飞机是近年来新兴的一个技术领域，通常定义为：各向尺寸不超过150mm，重量为10～100g。它具有机动灵活，应用范围广，执行任务时隐蔽性强的特点，因此有很高的军事和民用应用价值。

目前微型飞机操纵中最常用的是传统的舵机/舵面系统，通过控制舵面偏转位置产生俯仰力矩，改变机翼有效迎角，使升力系数产生变化，从而对飞行状态进行控制。但微型飞机由于尺寸的限制，升降舵常常安置在机翼后缘，舵面偏转时机翼的翼型也被改变，并由于微型飞机处在低雷诺数环境中，空气粘性影响大，对流场状态十分敏感，舵面偏转时常会引起翼面气流分离区增大，造成气动效率降低甚至失速。因此这种控制方法对微型飞机的飞行控制是不利的。

当采用后置的升降舵进行俯仰操纵时，还会带来另一个问题：舵面产生的力与产生的力矩通常会起相反的作用，具体来说，抬头力矩会伴随着向下的升力增量，反之亦然。举一个例子来说明，期望飞行器爬升时，通常的动作是升降舵上偏，产生抬头力矩，使飞行器迎角增大，升力系数增大，从而达到升力增大，轨迹上扬的目的。但是，升降舵上偏会产生向下的附加气动力，这实际上是与期望相反的。对于常规飞机来说，由于升降舵距离重心距离远、力臂长，这个负的升力增量影响很小。但对于微型飞行器来说，这个影响是很可观的，可能会达到总升力的10％～30％，因此需要研究新型操纵方法克服其不利影响。

(三)发明内容

为克服现有技术中在舵面偏转时会带来翼面气流分离区增大，造成气动效率降低甚至失速，以及舵面产生的力和力矩方向相反的问题，本发明提出一种通过改变重心位置实现对微型飞机操纵的方法。

一般来说，飞机的气动中心位于机翼的某一特定位置，当机翼形状一定时，这个位置基本上是不变的；微型飞机大部分的重量集中在机身上，因此重心位置主要取决于机身位置。由此可以得到一种方案，就是通过改变微型飞机机翼和机身的相对位置，来改变气动中心和重心的相对位置。

根据上述原理，本发明采用的技术方案是：通过改变飞机重心相对于气动中心沿机身轴线方向的相对位置，使气动力相对于重心的力臂长度发生改变，从而产生附加的俯仰力矩来操纵飞机。当飞机重心前移时，气动中心位于重心后方，升力将对重心产生附加的低头力矩，使微型飞机姿态下俯；反之，将重心后移，升力会产生附加的抬头力矩，使实现微型飞机姿态上仰，无需水平尾翼和升降舵就可以实现微型飞机的俯仰操纵。

为实现飞机重心的移动，本发明还提出一种控制机构，该机构包括将左机翼和右机翼连接而成的机翼、机身、位于机翼和机身上的耳片、翼/身连杆和控制舵机，其中：

机翼位于机身上方，与机身之间依靠翼/身连杆相连接；在左右机翼连接处机翼下表面固装有一对耳片，该耳片分别位于距机翼前缘的1/4弦长处和3/4弦长处，耳片上有连接孔，在机身上方轴线处亦固装有一对耳片，该机身耳片在机身上方的位置以及两个耳片之间的间距与机翼耳片的间距相一致。通过位于耳片上和连杆两端的连接轴孔，将两根等长度的翼/身连杆两端分别与机翼和机身活动连接，并且安装位置相互平行，使两根连杆与机翼、机身一起构成一个平行四边形的机翼/机身连接机构，使得机翼可以沿机身轴线前后移动。

机翼和机身的相对位置依靠舵机来控制。在机身上的两个连接耳片之间，固定安装有一舵机，该舵机的摇臂通过一根作动杆与翼/身连杆相连接，通过遥控装置控制摇臂的摆动，进而通过作动杆带动翼/身连杆运动，改变连杆-机翼-机身构成的平行四边形机构的构型，从而控制机翼相对于机身的前后位置，达到操纵目的。

本发明通过一个由连杆-机翼-机身构成的平行四边形机构控制机翼相对于机身的前后位置，改变气动中心和重心的相对位置，从而产生附加的俯仰力矩来操纵飞机，克服了现有技术中在舵面偏转时会带来翼面气流分离区增大，造成气动效率降低甚至失速，以及舵面产生的力和力矩方向相反的问题。本发明不需要水平尾翼和升降舵既可实现微型飞机的俯仰操纵，具有机构简单、易操作、可靠性强的优点。

(四)附图说明

附图1是飞机受力情况及部件相对关系；

附图2是重心前移产生低头力矩的示意；

附图3是重心后移产生抬头力矩的示意；

附图4是具体实施例示意图；

附图5是机翼与机身安装关系的分解图。图中：

1.升力       2.气动中心   3.阻力         4.机翼    5.机翼/机身连接机构

6.拉力       7.重心       8.机身         9.重力    10.低头力矩

11.抬头力矩  12.机翼耳片  13.翼/身连杆  14.作动杆  15.舵机摇臂

16.控制舵机  17.机身耳片  18.短轴

(五)具体实施例：

本实施例是一架机翼、机身相对独立的微型飞机。包括由左机翼和右机翼连在一起构成的机翼4、机身8、机翼耳片12、机身耳片17、翼/身连杆13和控制舵机16。

飞机气动中心主要取决于机翼特性，重心位置主要取决于机身结构和装载。实施中，当机翼、机身形状和装载等因素确定后，可以确定气动中心和重心的位置。

机翼4位于机身8的上方，在左右机翼连接处的机翼下表面固装有一对耳片12，该耳片分别位于距机翼前缘的1/4处和3/4弦长处，耳片上有连接用的轴孔；机身上方轴线位置亦固装有一对耳片17，该机身耳片17沿机身轴线间的间距与机翼耳片12间的间距相一致；翼-身连杆13为两根等长度的轻质杆，两端亦有连接轴孔。

在机身上的两个连接耳片17之间，固定安装有一舵机16，该舵机的摇臂15通过一根作动杆14与翼/身连杆13相连接；作动杆14为一两端有弯头的刚性细圆杆，在靠近机身端有用于连接作动杆14的连接孔，该连接孔的具体位置以作动杆安装后与机身平行为宜。

装配时，将两个连杆13分别连接机翼4和机身8：连杆13顶端放入机翼耳片12和机身耳片l7之间，使它们的轴孔共线。用短轴18穿过机翼耳片12和机身耳片17与连杆13的轴孔，使连杆13与机翼耳片12和机身耳片17之间只能相对转动，而不能产生位移。由于两个连杆13的长度相等，安装时位置相互平行，因此，两根连杆13与机翼4、机身8一起构成一个平行四边形机构，使机翼4可以相对机身8前后移动。机翼和机身的相对位置依靠舵机16来控制。舵机16的摇臂15通过一根作动杆14与翼/身连杆13相连接，可以驱动和定位翼/身连杆13。作动杆14两端的弯头分别插入舵机摇臂15和翼/身连杆13上的连接孔中，并与机身相平行，使作动杆14可以在舵机摇臂15和翼/身连杆13上的连接孔中转动但不会脱出，以传递拉力或推力。

使用时，当舵机16根据所接收到的控制信号，驱动摇臂15转动一定的角度，进而推动或拉动翼/身连杆13转动相应的角度，改变连杆-机翼-机身构成的平行四边形机构的构型，从而控制机翼4相对于机身8的前后位置，达到操纵目的。

Claims (5)

1.一种微型飞机俯仰操纵方法，其特征在于通过操纵机构改变飞机重心(9)相对于气动中心(2)沿机身轴线的相对位置，使气动力相对于重心(9)的力臂长度发生改变，从而产生附加的俯仰力矩来操纵飞机。

2.一种实现权利要求1所述微型飞机俯仰操纵方法的机构，其特征在于该机构包括由左机翼和右机翼连在一起构成的机翼(4)、机身(8)、一对机翼耳片(12)、一对机身耳片(17)、翼/身连杆(13)及控制舵机(16)，其中：机翼(4)位于机身(8)上方，与机身之间通过翼/身连杆(13)相连接；机翼耳片(12)固定在左右机翼连接处的机翼(4)的下表面，分别位于距机翼前缘的1/4处和3/4弦长处；机身耳片(17)固定在机身上方轴线上，其间距与机翼耳片(12)的间距相一致；控制舵机(16)固定安装在两个机身耳片(17)之间。

3.如权利要求2所述微型飞机俯仰操纵机构，其特征在于连接时通过位于耳片上和连杆两端的连接轴孔，将两根等长度的翼/身连杆(13)两端分别与机翼(4)和机身(8)活动连接，并且安装位置相互平行，使两根连杆与机翼、机身一起构成一个平行四边形机构。

4.如权利要求2所述微型飞机俯仰操纵机构，其特征在于舵机摇臂(15)通过作动杆(14)与翼/身连杆(13)相连接。

5.如权利要求4所述微型飞机俯仰操纵机构，其特征在于翼/身连杆(13)上有用于连接作动杆(14)的连接孔。

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