CN103395492A - 一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机 - Google Patents

Abstract

一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机包括机身、机翼、平尾、垂尾、发动机、螺旋桨、旋翼、旋翼预转装置、起落架和桨毂，螺旋桨提供前飞时的推力，该无人机飞行时气流从下向上穿过旋翼桨盘，驱动旋翼自由转动从而产生升力，同时通过旋翼预转装置在起飞前预转旋翼，可以实现无人机的短距起飞甚至跳跃起飞。本发明无动力驱转旋翼的短距起降无人机具有安全性高、全寿命周期成本低、飞行性能好等特点，有着广阔的应用前景。

Description

一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机

技术领域

本发明涉及一种无动力驱转旋翼的无人机的设计，属于航空飞行器设计领域，特别是有短距离起降要求的无人机设计领域。

背景技术

无人机是一种有动力驱动、机上无人驾驶、可重复或一次使用的航空器。现有无人机技术可分为固定翼无人机和旋翼类无人机。

固定翼无人机一般采用水平滑跑起飞、手掷起飞、弹射起飞等起飞形式，并且通常采用滑跑降落、伞降等降落形式。手掷和弹射起飞受限于人员臂力以及火药、弹簧的推力，限制了其任务载荷的重量以及燃料的重量，航程较小，且不利于任务的充分实现。伞降则不易精确控制降落地点，受风的影响较大，容易造成无人机的损毁，而采用常规滑跑起降，对于跑道要求较高，从而限制了无人机的使用范围。

旋翼类无人机没有起飞场地及跑道要求，能够垂直起降，特别是能自由悬停，机动灵活性好，利于完成各种任务，但是旋翼类无人机结构复杂，使用维护要求高，故障率高，且飞行速度低，航程较短。

因此，需要一种能短距起降、结构简单、速度高、航程较远同时飞行安全性较高的无人机在复杂环境地区执行非载人的飞行任务。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，实现了无人机无动力驱转短距离起飞并能实现远距离和高安全性航行。

本发明的技术解决方案是：

一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机包括垂尾、平尾、旋翼、中间垂尾、桨毂、旋翼支架、机身、机翼、发动机、旋翼预转装置、螺旋桨、前起落架、主起落架、尾撑管和方向舵。

两个垂尾位于平尾两侧并安装于尾撑管上；平尾安装于机身尾部；两个中间垂尾安装于平尾中部；旋翼通过桨毂安装于旋翼支架上，旋翼通过旋翼支架和旋翼预转装置与发动机连接实现旋翼与发动机之间的无传动连接，旋翼预转装置在起飞前预转旋翼；机翼翼尖与尾撑一端连接；旋翼支架安装于机身上；前起落架安装在机身前下部，主起落架安装在机身中下部；发动机安装在机身的中后部，用于提供推力的螺旋桨与发动机相连；方向舵位于垂尾的后缘。

所述垂尾、平尾和中间垂尾为四垂尾布局。

所述旋翼预转装置包括皮带传动轮、传动皮带、万向节传动轴、减速箱、邦迪克斯螺杆、齿盘、皮带传动轴和万向节；传动皮带固定在发动机的皮带传动轮上，并与皮带传动轴的一端相连，皮带传动轴的另一端通过万向节与万向节传动轴的一端相连，万向节传动轴的另一端通过万向节与减速箱的输入轴相连，减速箱的输出轴与齿盘啮合，齿盘安装于旋翼支架上。

所述机身具有流线型的低阻力外形，机身前部有一个大容量的机舱和支撑板架结构；所述机翼平面形状为梯形，其与机身采用融合设计为一体。

所述尾撑采用带锥度的碳纤维复合材料圆管。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明设计的无人机通过旋翼预转装置在起飞前预转旋翼，可以实现短距离起飞甚至定点跳跃起飞，同样降落时依靠旋翼自转可以实现短距甚至定点降落。

（2）本发明采用固定翼和旋翼相结合的布局和设计方式，不仅使无人机可以短距起降，还使得无人机飞行速度更快、航程更远、飞行包线更大、飞行性能更加优良，尤其适合在复杂环境地区执行飞行任务。

（3）本发明采用四垂尾布局增加了横航向稳定性，由于飞行过程中螺旋桨后面形成了加速气流，垂尾处于螺旋桨的滑流里面，可提高垂尾和方向舵的工作效率，增强整机的横航向稳定性；机翼与机身融合设计增加了全机升力，减小了翼身干扰阻力。

（4）本发明旋翼靠飞行时气流从下向上吹动，自由旋转产生升力，旋翼始终处于自转状态，一旦发动机空中停车，该无人机可以直接依靠旋翼自转滑翔着陆，安全性高。

（5）本发明没有自发动机至旋翼的传动装置，也不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨，因而其结构大为简化，制造、使用和维护成本更低。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明旋翼预转装置示意图；

图3为本发明皮带传动轮示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机包括垂尾1、平尾2、旋翼3、中间垂尾4、桨毂5、机身8、机翼10、发动机12、旋翼预转装置7、螺旋桨13、前起落架9、主起落架11、尾撑管14和方向舵15。本发明机身8具有流线型的低阻力外形，机身两侧通过合理的曲线设计与机翼10融合，使整个无人机具有良好的气动特性，机身8前部有一个大容量的机舱和支撑板架结构，用于机载设备的安装，例如飞控设备和任务载荷；机翼10平面形状为梯形，前缘后掠，增加了全机升力，减小了翼身干扰阻力。

本发明采用四垂尾布局，即两个垂尾1和中间垂尾4，两个垂尾1位于平尾2两侧并安装于尾撑管14上；平尾2安装于机身8尾部，平尾2后缘不需要设置升降舵，飞行的俯仰控制靠旋翼无人机的自动倾斜器来完成。两个中间垂尾4安装于平尾2中部；用来控制航向的方向舵15安装于垂尾1的后缘。飞行过程中螺旋桨13后面形成加速气流，使两个垂尾4将处于螺旋桨的气流里面，垂尾和方向舵15的工作效率将得打提高，同时整机的横航向稳定性增强。

旋翼3采用两片桨叶并通过桨毂5安装于旋翼支架6上，旋翼3通过旋翼支架6和旋翼预转装置7与发动机12连接实现旋翼3与发动机12之间的无传动连接，旋翼预转装置7在起飞前预转旋翼3，旋翼3靠飞行时气流从下向上吹动，自由旋转产生升力实现短距离起飞，同时在这种工作模式下旋翼3始终处于自转状态，一旦发动机空中停车，无人机可以直接依靠旋翼自转着陆，安全性高。

尾撑14一端与机翼10翼尖连接，另一端用于安装垂尾1，尾撑采用带锥度的碳纤维复合材料圆管，圆管直径较小的一端用于安装垂尾1，直径较大的一端与机翼10的翼尖连接；旋翼支架6安装于机身8上；前起落架9安装在机身8前下部，承受飞机主要重量的主起落架11安装在机身8中下部；发动机12安装在机身8的中后部，用于为无人机提供飞行推力的螺旋桨13与发动机12相连。

如图2、3所示，所述旋翼预转装置7包括皮带传动轮20、传动皮带21、万向节传动轴22、减速箱23、齿盘26、皮带传动轴30和万向节31；传动皮带21固定在发动机12的皮带传动轮20上，并与皮带传动轴30的一端相连，皮带传动轴30的另一端通过万向节31与万向节传动轴22的一端相连，万向节传动轴22的另一端通过万向节31与减速箱23的输入轴32相连，减速箱23的输出轴24与齿盘26啮合，齿盘26安装于旋翼支架6上，减速箱23的输出轴24为邦迪克斯形式螺杆。

旋翼预转装置7安装在旋翼轴与发动机之间，通过旋翼预转装置7在起飞前预转旋翼3，可以实现短距离起飞甚至定点跳跃起飞。

旋翼预转装置7利用皮带传动轮20控制传动皮带21和皮带轮之间的滑差实现调节传动比，并允许相当长的滑摩时间，此种变速方式结构简单，体积小，便于维护，结构重量轻。

旋翼预转装置7工作时，首先使邦迪克斯螺杆25与齿盘26相啮合，发动机12通过传动皮带21带动皮带传动轴30旋转，继而通过万向节31带动万向节传动轴22旋转，以此作为减速箱23的动力输入，减速箱23通过输出轴24、邦迪克斯螺杆25和齿盘26将功率输出给旋翼3，从而带动旋翼3旋转。当旋翼3的转速达到跳飞所需的预转转速时，邦迪克斯螺杆25和齿盘26脱开，同时发动机12与皮带传动轮7也脱开，并增加旋翼的总距，使得旋翼产生足够的升力，从而实现无人机的跳飞功能。

短距起降的控制过程如下：

（1）短距起飞时，发动机12启动并接通旋翼预转装置7带动其工作；

（2）旋翼预转装置7预转旋翼3（此时旋翼3桨总距放到零升力位置，由此才可以保证旋翼3在高速旋转的时候，整机重量都作用在主起落架11上，通过主起落架11与地面的摩擦力平衡预转旋翼产生的反扭矩），旋翼3从静止达到起飞转速。

（3）发动机12与旋翼预转装置7断开，发动机12油门加大带动螺旋桨13推力增大，同时通过操纵系统（采用的操纵系统是公知的操纵系统，通过改变软件改变起飞控制）操纵旋翼3总距不断增大提供无人机升力，无人机逐渐离地。

（4）无人机离地后，发动机12油门推至最大保证无人机的推进力，同时通过操作系统使旋翼3保持适宜的来流迎角以保证旋翼3具有足够升力。

（5）无人机降落时，关闭发动机12油门，无人机前飞速度减小，同时操纵系统保持旋翼3具有较大的来流迎角以保证无人机有足够的升力使得无人机高度逐渐降低。

（7）无人机落地后，继续保持之前的操纵动作，直至速度减为零。

无人机飞行控制过程纵横向和高度的控制依靠无人机的自动倾斜器完成，航向依靠两侧垂尾1的方向舵15来控制，垂尾1、平尾2和中间垂尾4的安定面分别提供纵向稳定性和横航向稳定性。

具体实例

下面通过两个实例对本发明的实施方式进行更具体的说明：

实例一，复杂环境地区远距离任务飞行

复杂环境地区地形复杂，要求无人机具有短距起降能力。该无人机通过旋翼预转装置在起飞前预转旋翼，可以实现短距离起飞甚至定点跳跃起飞；降落时，由于旋翼桨盘具有较大的来流迎角同时提供了绝大部分升力，使落地速度大大降低，降落滑跑距离大为缩短。

同时，该无人机采用带旋翼、螺旋桨、机翼以及尾翼的总体布局。这样的布局使得飞行速度更快，航程更远，飞行包线更大。与无人直升机相比，该无人机拥有更快的飞行速度和更远的航程。

所以该无人机非常适合在复杂环境地区执行远距离飞行任务。

实例二，紧急情况下应急安全着陆

飞行过程中如发生紧急情况，例如发动机停车、机翼或机身结构严重损毁，由于该无人机的旋翼和发动机无传动连接，旋翼依靠前方来流吹动而始终处于自转状态，所以一旦发生紧急情况，该无人机可以直接依靠旋翼自转而滑翔着陆，避免机体坠毁造成财产和设备的损失。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、或修正。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，其特征在于：包括垂尾(1)、平尾(2)、旋翼(3)、中间垂尾(4)、桨毂(5)、旋翼支架(6)、机身(8)、机翼(10)、发动机(12)、旋翼预转装置(7)、螺旋桨(13)、前起落架(9)、主起落架(11)、尾撑管(14)和方向舵(15)；

两个垂尾(1)位于平尾(2)两侧并安装于尾撑管(14)上；平尾(2)安装于机身(8)尾部；两个中间垂尾(4)安装于平尾(2)中部；旋翼(3)通过桨毂(5)安装于旋翼支架(6)上，旋翼(3)通过旋翼支架(6)和旋翼预转装置(7)与发动机(12)连接实现旋翼(3)与发动机(12)之间的无传动连接，旋翼预转装置(7)在起飞前预转旋翼(3)；机翼(10)翼尖与尾撑(14)一端连接；旋翼支架(6)安装于机身(8)上；前起落架(9)安装在机身(8)前下部，主起落架(11)安装在机身(8)中下部；发动机(12)安装在机身(8)的中后部，用于提供推力的螺旋桨(13)与发动机(12)相连；方向舵(15)位于垂尾(1)的后缘。

2.根据权利要求1所述一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，其特征在于：所述垂尾(1)、平尾(2)和中间垂尾(4)为四垂尾布局。

3.根据权利要求1所述一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，其特征在于：所述旋翼预转装置(7)包括皮带传动轮(20)、传动皮带(21)、万向节传动轴(22)、减速箱(23)、齿盘(26)、皮带传动轴(30)和万向节(31)；传动皮带(21)固定在发动机(12)的皮带传动轮(20)上，并与皮带传动轴(30)的一端相连，皮带传动轴(30)的另一端通过万向节(31)与万向节传动轴(22)的一端相连，万向节传动轴(22)的另一端通过万向节(31)与减速箱(23)的输入轴(32)相连，减速箱(23)的输出轴(24)与齿盘(26)啮合，齿盘(26)安装于旋翼支架(6)上。

4.根据权利要求1所述一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，其特征在于：所述机身(8)具有流线型的低阻力外形，机身(8)前部有一个大容量的机舱和支撑板架结构；所述机翼(10)平面形状为梯形，其与机身(8)采用融合设计为一体。

5.根据权利要求1所述一种无动力驱转旋翼的短距起降无人机，其特征在于：所述尾撑(14)采用带锥度的碳纤维复合材料圆管。

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