CN102120489A - 倾转涵道无人机 - Google Patents

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章勇
王云
耿立威
戴良忠
王漳军
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南昌航空大学
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一种倾转涵道无人机,机身中央的内腔中布置有中央涵道,中央涵道通过倾转轴与机身相连,与倾转轴连接的机身部位布置有涵道倾转机构,机身两侧对称布置有机翼,机头和机翼翼尖部位分别布置有姿态操控涵道,机身侧后方布置有外倾双垂尾,外倾双垂尾后侧布置有方向舵,机身下方布置有前三点轮式起落架,中央涵道、涵道倾转机构、姿态操控涵道和方向舵分别连接飞行控制系统。本发明的技术效果是:1、采用无尾、大三角翼身融合布局,具有优良的气动性能;2、独特的可倾转中央涵道设计;3、独特的三涵道姿态控制设计;4、采用涵道旋翼设计,即全部桨叶都内置在涵道中,有效提高了复杂环境下飞行的安全性。

Description

倾转涵道无人机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无人机,尤其涉及一种倾转涵道无人机。 背景技术
[0002] 众所周知,近年来无人机因其鲜明的技术特点在军事和民用领域都获得了广泛应 用和飞速发展,尤其在军事侦察、反恐、公安、消防、森林巡查、核泄漏探测以及救灾等领域 具有广泛的的需求,它代表着未来航空器的一个重要发展方向。从二十世纪五十年代到现 在先后涌现出了许多独特的小型无人机。特别是近二十年来,各种新概念的无人机更是层 出不穷。
[0003] 在各种无人机方案中,涵道无人机具有垂直起降和悬停的飞行特性,在体积、隐蔽 性和飞行性能上都具有鲜明的特点,已成为当今微小型无人机研究开发领域的热点。
[0004] 涵道无人机是指以涵道旋翼作为飞行动力的主要来源,并将涵道旋翼本身作为无 人机主体,具有垂直起降和悬停飞行能力的无人飞行器。同传统的无人机相比,涵道无人机 具有以下几个特点:
1)机动性能独具特色,适合于在城市和山地等复杂环境下执行任务。与固定翼无人机 相比,涵道无人机可以在狭小区域内垂直起降,并可以在固定目标上空悬停监视,甚至可以 降落到高层建筑物上对地面状况进行长久的观察。
[0005] 2)结构紧凑,推进效率高。同无人直升机相比,在同等功耗条件下,涵道旋翼较 同直径的孤立螺旋桨,会产生更大的拉力;而且涵道无人机结构更加紧凑,前飞时飞行阻力 小,飞行姿态更接近于固定翼飞机,因此,飞行速度较同级无人直升机高且易于操控。
[0006] 3)采用涵道旋翼结构,安全性高。同无人直升机相比,涵道无人机的旋翼布置在涵 道内,这就避免了因桨叶暴露在机身外面,高速旋转的桨叶碰到其他物体而产生的飞行事 故,也消除了高速旋转的桨叶对操作人员的致命威胁。
[0007] 4)噪音低,隐蔽性好。由于旋翼位于涵道内,其气动噪声的传播受到了涵道壁的阻 挡,这在一定程度上降低了无人机噪音的强度和传播距离;同样由于发动机被涵道环扩,涵 道对发动机热辐射的阻挡也可以降低整机的热辐射特性,从而使得涵道无人机具有更好的 隐蔽性。
[0008] 此外,涵道无人机还能够根据需要设计成不同尺寸,以应用不同的场合,满足不同 的需求。
[0009] 但美中不足的是,通常的涵道无人机飞行速度较慢且控制较为复杂,如果能在其 基础上融入倾转涵道技术和涵道姿态控制技术,使其既能够像无人直升机一样垂直起降和 悬停,又能够像固定翼无人机一样快速前飞,兼具无人直升机和固定翼无人机的优点,并且 飞行控制简单可靠,则其应用前景将更为广阔。
发明内容
[0010] 本发明的目的在于提供了一种倾转涵道无人机,在现有涵道无人机技术的基础上融入倾转涵道技术和三涵道姿态控制技术,以解决现有涵道无人机飞行速度较慢、控制较 为复杂等问题,该无人机还克服了传统无人直升机飞行控制耦合严重、旋翼桨叶外露导致 安全性差以及噪音大、成本高等一系列问题,以促进我国舰载无人机的发展和无人机在城 市、山区和森林等复杂环境的应用。
[0011] 本发明是这样来实现的,它包括机身、机翼、中央涵道、涵道倾转机构、姿态操控 涵道、外倾双垂尾、方向舵、前三点轮式起落架和飞行控制系统,其特征是机身中央的内腔 中布置有中央涵道,中央涵道通过倾转轴与机身相连,与倾转轴连接的机身部位布置有涵 道倾转机构,机身两侧对称布置有机翼,机头和机翼翼尖部位分别布置有姿态操控涵道,机 身侧后方布置有外倾双垂尾,外倾双垂尾后侧布置有方向舵,机身下方布置有前三点轮式 起落架,中央涵道、涵道倾转机构、姿态操控涵道和方向舵分别连接飞行控制系统。
[0012] 所述的中央涵道包括主动力传动机构支撑架、主动力传动机构、主旋翼及其变距 机构,中央涵道内连有主动力传动机构支撑架,主动力传动机构支撑架的中央固定连有主 动力传动机构,主动力传动机构的上、下端分别同轴连有主旋翼及其变距机构,主动力传动 机构连接主电源或主油箱和控制器。
[0013] 所述的姿态操控涵道包括副动力传动机构支撑架、副动力传动机构、副旋翼及其 变距机构,姿态操控涵道内连有副动力传动机构支撑架,副动力传动机构支撑架的中央固 定连有副动力传动机构,副动力传动机构上端连有副旋翼及其变距机构,副动力传动机构 分别连接独立电源和控制器。
[0014] 所述的中央涵道以其轴线与机身轴线垂直的位置为初始位置,中央涵道在初始位 置的倾转角为-90°〜90°。
[0015] 所述的姿态操控涵道有三个,分别布置在机头和两个机翼的翼尖位置,每个姿态 操控涵道都设有旋翼变距机构。
[0016] 本发明的技术效果是:1、采用无尾、大三角翼身融合布局,具有优良的气动性能; 2、独特的可倾转中央涵道设计,使得该无人机既具备垂直\短距起降和悬停性能,又能实 现高\低速前飞和向后倒退飞行,兼具无人直升机和固定翼无人机的优点;同时该无人机 还具有优良的空中减速性能,能从高速飞行状态迅速转为低速飞行状态或悬停状态;3、独 特的三涵道姿态控制设计,每个涵道的动力面和控制面完全独立,克服了传统无人直升机 飞行控制耦合严重的问题,有效保障了飞控系统的可靠性和稳定性;4、采用涵道旋翼设计, 即全部桨叶都内置在涵道中,有效提高了复杂环境下飞行的安全性。
附图说明
[0017] 图1为本发明的结构示意图。
[0018] 在图中,1、机身2、机翼3、中央涵道4、涵道倾转机构5、姿态操控涵道6、外倾 双垂尾7、方向舵8、前三点轮式起落架9、飞行控制系统 10、主动力传动机构支撑架 11、主动力传动机构12、主旋翼及其变距机构 13、副动力传动机构支撑架14、副动力传 动机构15、副旋翼及其变距机构。
具体实施方式
[0019] 如图1所示,本发明是这样来实现的,机身1中央的内腔中布置有中央涵道3,中央涵道3通过倾转轴与机身1相连,与倾转轴连接的机身部位布置有涵道倾转机构4,机身 1两侧对称布置有机翼2,机头和机翼2翼尖部位分别布置有姿态操控涵道5,机身1侧后 方布置有外倾双垂尾6,外倾双垂尾6后侧布置有方向舵7,机身1下方布置有前三点轮式 起落架8,中央涵道3、涵道倾转机构4、姿态操控涵道5和方向舵7连接飞行控制系统9 ;所 述的中央涵道3包括主动力传动机构支撑架10、主动力传动机构11、主旋翼及其变距机构 12,其特征是中央涵道3内连有主动力传动机构支撑架10,主动力传动机构支撑架10的中 央固定连有主动力传动机构11,主动力传动机构11的上、下端分别同轴连有主旋翼及其变 距机构12,主动力传动机构11连接主电源(或主油箱)和控制器;所述的姿态操控涵道5包 括副动力传动机构支撑架13、副动力传动机构14、副旋翼及其变距机构15,其特征是姿态 操控涵道5内连有副动力传动机构支撑架13,副动力传动机构支撑架13的中央固定连有 副动力传动机构14,副动力传动机构14上端连有副旋翼及其变距机构15,副动力传动机构 14分别连接独立电源和控制器。
[0020] 本发明中的倾转涵道无人机的控制原理如下:
1、通过调节三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速来改变三个姿态操控涵道产生 的拉力大小,形成纵向控制力矩来控制该无人机的纵向姿态。
[0021] 2、当该无人机处于垂直起降和悬停状态时,通过调节上、下主旋翼的转速,产生偏 转力矩来控制该无人机的航向姿态;当该无人机处于前飞状态时,通过方向舵来控制该无 人机的航向姿态。
[0022] 3、通过反向调节机翼翼尖部位两个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速使两个 姿态操控涵道产生的反向的拉力,从而控制该无人机的横向滚转姿态。
[0023] 本发明中的垂直起降无人机的五种典型工作状态的描述如下:
1、垂直起降:中央涵道内两个主旋翼等速反转,产生竖直向上的拉力平衡飞机的重量, 同时通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速,产生飞机所需要的纵向配平力矩 和滚转配平力矩。此时飞机为直升机飞行模式。
[0024] 2、空中悬停:通过控制中央涵道内两个主旋翼的桨距和转速使其产生的升力刚好 能平衡飞机的重量,从而使飞机处于悬停状态,同时通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼 的桨距和转速,产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩,保证飞机悬停状态的稳 定性;通过调节上、下主旋翼的桨距和转速,产生偏转力矩,使飞机原地旋转,实现航向控 制。此时飞机为直升机飞行模式。
[0025] 3、低速前飞:通过操控涵道倾转机构使中央涵道向前逐渐倾转到一定角度,同时 控制两个主旋翼的桨距和转速使其既能平衡飞机的部分重量,又能产生一定的推力并以最 佳的推进效率来推动飞机低速飞行,通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速, 产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩,保证飞行的稳定性,此时飞机处于由直 升机模式向固定翼飞机模式过渡的飞行模式。
[0026] 4、高速前飞:此时飞机已达到一定速度,机翼产生的升力已能够平衡飞机的重量, 通过操控涵道倾转机构使中央涵道向前逐渐倾转到90°,同时控制两个主旋翼的桨距和转 速使其以最佳的推进效率来推动飞机高速飞行,通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨 距和转速,产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩,保证飞行的稳定性。此时飞机 完成由直升机模式向固定翼飞机模式的过渡,为固定翼飞机飞行模式。[0027] 5、空中减速或向后倒退飞行:通过操控涵道倾转机构使中央涵道向后逐渐倾转到 一定角度,同时控制两个主旋翼的桨距和转速使其既能平衡飞机的部分重量,又能产生一 定的反推力并以最佳的推进效率来降低飞机的飞行速度或推动飞机向后倒退飞行,通过控 制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速,产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平 力矩,保证飞行的稳定性,此时飞机处于由固定翼飞机模式向直升机模式过渡的飞行模式。

Claims (5)

1. 一种倾转涵道无人机,它包括机身、机翼、中央涵道、涵道倾转机构、姿态操控涵 道、外倾双垂尾、方向舵、前三点轮式起落架和飞行控制系统,其特征是机身中央的内腔中 布置有中央涵道,中央涵道通过倾转轴与机身相连,与倾转轴连接的机身部位布置有涵道 倾转机构,机身两侧对称布置有机翼,机头和机翼翼尖部位分别布置有姿态操控涵道,机身 侧后方布置有外倾双垂尾,外倾双垂尾后侧布置有方向舵,机身下方布置有前三点轮式起 落架,中央涵道、涵道倾转机构、姿态操控涵道和方向舵分别连接飞行控制系统。
2.根据权利要求1所述的倾转涵道无人机,其特征是所述的中央涵道包括主动力传动 机构支撑架、主动力传动机构、主旋翼及其变距机构,中央涵道内连有主动力传动机构支撑 架,主动力传动机构支撑架的中央固定连有主动力传动机构,主动力传动机构的上、下端分 别同轴连有主旋翼及其变距机构,主动力传动机构连接主电源或主油箱和控制器。
3.根据权利要求1所述的倾转涵道无人机,其特征是所述的姿态操控涵道包括副动力 传动机构支撑架、副动力传动机构、副旋翼及其变距机构,姿态操控涵道内连有副动力传动 机构支撑架,副动力传动机构支撑架的中央固定连有副动力传动机构,副动力传动机构上 端连有副旋翼及其变距机构,副动力传动机构分别连接独立电源和控制器。
4.根据权利要求1、2所述的倾转涵道无人机,其特征是所述的中央涵道以其轴线与机 身轴线垂直的位置为初始位置,中央涵道在初始位置的倾转角为-90°〜90°。
5.根据权利要求1、3所述的倾转涵道无人机,其特征是所述的姿态操控涵道有三个, 分别布置在机头和两个机翼的翼尖位置,每个姿态操控涵道都设有旋翼变距机构。
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