CN102991671A

CN102991671A - 复合式共轴反桨直升机

Info

Publication number: CN102991671A
Application number: CN2011102684914A
Authority: CN
Inventors: 刘宾
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开了一种复合式共轴反桨直升机。它采用共轴双主旋翼形式，复合了尾桨设计，使安全和飞行稳定性。它包括主旋翼、机体、尾传动；发动机、舵机、变距拉杆、自动倾斜器、起落架、遥控遥测发射机、遥控遥测接收机、和天线，其特征在于：通过在上旋翼设置稳定副翼和平衡杆增加该机的飞行稳定性和操纵性，复合了传统直升机的尾桨设计，主旋翼为双主旋翼并且带尾旋翼，将传统的共轴双桨直升机航向控制方式由“桨距差”改为“尾桨变距”控制。本发明的环境适应性有所提高，可用于多种行业，如航拍、抢险救灾和线路维护等多种用途。

Description

复合式共轴反桨直升机

技术领域

本发明涉及直升机技术领域，确切地说是复合式共轴反桨直升机。

背景技术

直升飞机兴起于上世纪40年代，迄今为止，世界上制造了100多万架，应用已经超过了固定翼飞机，美国、俄罗斯是直升机的主要制造国家。近年来，我国国民经济的持续快速发展对直升机的要求也越来越多。直升机在军事、救灾、照相和电力线路维护都得到了广泛应用。我国目前在线路维护中采用的是人工巡线和有人直升机巡线。由于电路总长度大且覆盖面积广，这种巡线方式存在的弊端是人员投入数量大、工作量大，但是巡线的效率很低，成本很高。另外很多输电线路分布在山区、湖泊以及无人区，造成人工巡线难度大、危险性高。

欧美各国在上世纪50年代开始研究并使用直升机完成巡线、带电作业和线路施工。上世纪80年代开始，我国也开始研究利用直升机巡线的技术。袁亦超、邓春和赵鹏在《华北电力技术》2002年第10卷上发表的《应用直升飞机巡线输电线路》，邱国新在《广东电力》2005年第3卷上发表的《在直升机上应用红外热像技术巡视检测高压输电线路设备的回顾》沈光陛和赵新波在《电力建设》2008年第10卷上发表的《直升机电力巡线技术》都描述了采用有人直升机巡线的技术和方法。但是利用人驾驶的直升机进行巡线存在着一些问题：如直升机及其维护费用昂贵、安全问题突出等。近来无人直升机的应用得到了较大的发展，因其成本低，适用范围广，收到了广泛的欢迎。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合式共轴反桨直升机。它采用共轴双主旋翼形式，复合了尾桨设计，使安全和飞行稳定性、环境适应性均有所提高，可用于多种行业，如航拍、抢险救灾和线路维护等多种用途。

本发明的技术方案是，复合式共轴反桨直升机，它包括主旋翼、机体、尾传动；发动机、舵机、变距拉杆、自动倾斜器、起落架、遥控遥测发射机、遥控遥测接收机、和天线，其特征在于：通过在上旋翼设置稳定副翼和平衡杆增加该机的飞行稳定性和操纵性，复合了传统直升机的尾桨设计，主旋翼为双主旋翼并且带尾旋翼，将传统的共轴双桨直升机航向控制方式由“桨距差”改为“尾桨变距”控制。机体外罩采用玻璃纤维或碳纤维材质，内部采用发泡技术进行隔音。上旋翼和副翼是翘翘板式。

本发明的优点是：该机可在地势复杂的山区和舰船甲板上垂直起飞和降落，陆地、海上运载方便，可广泛应用于图像传输、对地观测、电子对抗、数据通讯、海上作战、中继转发、空中监测、电力巡线、高压架线、航空拍摄等领域。其特点是一键起飞、定位降落、稳定悬停、空中任意回转、有效载荷大、续航时间长、飞行稳定性强、低速近距拍摄、抗风能力强。该发明采用共轴直升机增稳结构，通过在上旋翼设置稳定副翼和平衡杆显著增加了该机的飞行稳定性和操纵性。复合了传统直升机的尾桨设计，使其升降功能更为单一、在保证了共轴稳定性的同时，使直升机工作状态更为可靠，可避免急加速造成上下旋翼碰撞的意外。采用了带尾旋翼的双主旋翼设计，直升机无论是主尾旋翼在飞行时都多了一种备份，是无论是单主旋翼、单尾旋翼，一对主尾旋翼，甚至是双尾旋翼发生故障或战损时，使直升机都能安全的返回。在发动机出现故障时，其结构也可使熄火降落过程更加的平稳，大大提高了飞行器的安全性。

该发明与相同动力级别的传统直升机相比，共轴式直升机还具有如下优点：

主旋翼直径小（因采用两副旋翼）；飞行安全性高，直升机主尾旋翼均有备份设计，遇传统直升机的旋翼致命故障时也可使我们的直升机安全降落。（具有关资料显示，其中尾桨故障就占整个直升机的20%左右）；共轴式双主旋翼，通过上下旋翼平衡反扭矩。使直升机在升降功率损耗上达到了最低（单主尾旋翼直升机损耗占总功率的15%。）；共轴结构提高了发动机熄火后迫降的生存机率气动效率高。根据有关资料显示：共轴式直升机在悬停、中低速飞行时的气动效率高。这正是无人直升机的主要作业状态；由于气流对称，共轴式直升机纵横向运动的固有气动耦合小，更有利于实现直升机的飞行自动控制；共轴式直升机在相同级别的发动机下，有效载荷较单桨直升机更大，更安全，体积相对较小，也便于更小的场地起降，适合更小的地面车辆进行运载。

复合式共轴反桨直升机系统主要由飞行平台系统、飞行控制系统、遥控遥测系统、载荷设备等组成。

附图说明

图1是复合式共轴反桨直升机示意图；

图2是复合式共轴反桨直升机结构示意图；

图3是图2的局部俯视图。

具体实施方式

本发明分为以下四个部分

（一）飞行平台系统

1. 机体结构

复合式共轴反桨直升机设计在结构上力求安全可靠，在同级别发动机的情况下最大增加其任务载荷。

旋翼机整体采用合金铝材质，分为主旋翼、机体、尾传动三个主要部分。任务负载区位于机体下方，使其重心位置稳定在主轴下部，不影响全机重心点。

同时无人机的飞控计算机、传感器、电源及任务载荷等设备。该设备为遥控飞行（或自主飞行）的基本控制设备。外加任务载荷可按照其重量平均分配外挂在直升机机体两侧，不影响整机水平中心。

尾旋翼可按任务需求进行横纵向安装，纵向安装可作为推进式尾桨，大大提高飞行速度，悬停位的舵向调整可通过尾桨后方安装垂直方向舵的方式来实现。

直升机外罩采用玻璃纤维或碳纤维材质，内部采用发泡技术进行隔音。机头罩的作用是为减小前飞时的气动废阻力。如在低速飞行时也可不装机壳。降低前飞时的废阻力，从而降低直升机前飞时的需用功率，同时还可提高前飞速度。

2. 动力装置

复合式共轴反桨直升机的发动机目前选用活塞式发动机（以后可选用涡喷等技术，采用航煤燃料满足军用舰艇需求及高海拔地区的飞行），该发动自带冷却风扇、离心式离合器、手拉式启动。选用该发动机的主要原因是该发动机是用于直升机的，在实际的竞技航拍直升机上得以运用，工作稳定。特别是发动机装有冷却系统和离合器，提高了直升机的可靠性，减小了研制的风险和投入。同时，该发动机耗油率低，货源可靠、容易购买。

发动机自身的离合装置配合熄火降落模块，保证了直升机的飞行可靠性，即发动机停车后，也极大程度的保证了直升机安全降落。

3. 旋翼系统

旋翼系统包括桨叶和桨毂，直升机通过旋转的桨叶产生升力来平衡重量和飞行阻力，同时产生前后左右的操纵力。

旋翼系统采用的翘翘板式。其特点是，省去了垂直铰和水平铰，只用一个悬挂铰，旋翼桨盘相对于旋翼轴的挥舞通过悬挂铰的摆动来实现。

4. 操纵系统

操纵系统主要包括舵机、变距拉杆、自动倾斜器等部件。舵机通过操纵系统实现旋翼的总距、周期变距和航向操纵。操纵系统用于控制直升机的姿态和航迹，改变直升机的运动状态。

5. 传动系统

传动系统的功能是：将发动机的动力按总体设计规定的路径、转速及转向传递给旋翼。传动系统由离合器、减速器、旋翼轴、尾传动轴组成。其功能是将发动机的输出功率按规定的比例传到传动轴。

6.起落架

起落架采用常规的滑橇式起落架，制造材料为高强合金铝材料。由模具拉伸成形。特点是重量轻、承载大。在起飞和着陆时，起落架对整个机身起到缓冲作用。

（二）飞控导航系统

目前飞控工作原理及配套可选型号较多，我们可按客户要求进行选配，下面列举其中一套飞控工作原理进行说明。

复合式共轴反桨直升机飞行控制和导航系统（自动驾驶仪）采用动态逆技术、H∞算法和扩展“卡曼”滤波技术。该技术达到国际先进水平。可以实现自主起飞、自主降落、自主任务飞行和地形匹配飞行等功能。

该系统在导航方面使用自适应扩展卡尔曼(EKF)算法,把IMU、地磁传感器、GPS、气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行深度融合,在恶劣条件下也可得到高精度高可靠的导航数据。

在建模方面使用了参数辨识算法,只需要采集手动飞行的数据便可以自动建立精确的直升机模型,然后生成控制器。不需要复杂的数学推导。大大减小了自动驾驶仪集成的风险,减少了集成的时间。

控制方面使用了自适应鲁棒控制。对风切变、任务负载突然变化等干扰有很强的鲁棒性,保证了飞行的安全。对机械磨损任务负载、重心等变化有很强的自适应性,保证了飞行的精度和安全。控制器可以进行速度控制也可以进行姿态控制,姿态控制有效的保证了恶劣条件下的飞行安全。

引导方面有遥控手柄、航路点和地形匹配等引导功能。在遥控手柄引导模式下可以根据遥控手柄的输入量产生引导数据,在保证安全飞行的前提下实现对飞机的速度控制。在航路点引导模式下直升机可以根据3D 航路点产生引导数据,实现直升机的3D 飞行。在地形匹配模式下可以根据地形数据产生引导数据,实现直升机的地形匹配飞行。飞控导航系统的主要优点，姿态和速度控制。正常情况下使用姿态稳定和速度控制,在出现较大的干扰情况下使用速度稳定和姿态控制,大大增加了飞行安全。实现了遥控手柄、航路点和地形匹配引导功能。可以由外环生成内环控制指令。通过自适应扩展卡尔曼(EKF)滤波实现GPS/INS捷联组合导航,对飞行负载、重心等变化的自适应性,大大提高了飞行精度和飞行安全。 1G数据记录空间。(最大可扩展成8G)。导航算法对震动和其他干扰适应能力强。即使在恶劣的震动情况下也能得到满意的导航数据。使用VxWorks操作系统,实时强,可靠性高,方便裁减,方便在不同硬件平台。

（三）遥控遥测系统遥控遥测系统主要由遥控遥测发射机、遥控遥测接收机、天线组成。地面发射机通过天线与机载接收机通讯，并将得到的信息通过地面计算机显示。机载接收机通过天线得到地面上行的指令并传送到机载计算机执行。

（四）任务载荷设备载荷设备主要有气象载荷设备、电子侦察设备、通信中继设备、光学侦察设备等。光学侦察设备又分为可见光侦察设备和红外侦察设备，外加与光学侦察设备配套使用的微波视频传输系统。

飞行方式

无人直升机的飞行状态包括垂直起降、悬停、爬升和平飞。系统根据用户需求在空中执行特定任务。

无人直升机系统的飞行方式可分为四个等级：

1、全自主程序控制飞行

直升机的飞行从起飞到降落完全按预先设定的航路点、高度、速度飞行。无人直升机的飞行完全由飞控导航系统控制。

2、半自主人工控制

直升机在飞行中，人员可随时通过地面站对无人直升机进行航迹、高度、速度控制。控制方式可通过鼠标、操纵杆、输入参数等方式进行。无人直升机的飞行是由操纵人员通过飞控导航系统进行实时控制。

3、姿态控制

操纵人员通过遥控器或操纵杆对无人直升机进行姿态操纵，向机载计算机发送姿态指令。机载计算机收到信号结算后操纵各通道舵机。从而改变直升机的俯仰、滚转及航向姿态角度。此时导航系统不起作用。

4、人工舵机控制

操纵人员直接遥控操纵纵向、横向、航向、总距、油门舵机。进行人工控制。此时飞控、导航系统均不起作用。

需要说明的是：直升机的一般工作状态均为超视距飞行。此时，地面人员只能通过地面站了解直升机的飞行状态和工作情况。无人直升机系统在任何飞行模式和状态下，均通过地面站进行监视和控制。

Claims

1.复合式共轴反桨直升机，它包括主旋翼、机体、尾传动；发动机、舵机、变距拉杆、自动倾斜器、起落架、遥控遥测发射机、遥控遥测接收机、和天线，其特征在于：通过在上旋翼设置稳定副翼和平衡杆增加该机的飞行稳定性和操纵性，复合了传统直升机的尾桨设计，主旋翼为双主旋翼并且带尾旋翼，将传统的共轴双桨直升机航向控制方式由“桨距差”改为“尾桨变距”控制。

2.根据权利要求1所述的复合式共轴反桨直升机，其特征在于：机体外罩采用玻璃纤维或碳纤维材质，内部采用发泡技术进行隔音。

3.根据权利要求1所述的复合式共轴反桨直升机，其特征在于：上旋翼和副翼是翘翘板式。