CN103738496A - 适用于垂直起降飞行器的动力系统结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构及其控制方法，包括提供动力的螺旋桨，所述螺旋桨布置于飞机两侧主机翼的前后侧，位于主机翼前侧的螺旋桨可由竖直状态向上倾转为水平状态，位于主机翼后侧的螺旋桨可由竖直状态向下倾转为水平状态，本发明通过设计，不但实现了垂直起降模式下与现有的最为成熟稳定的X型四轴飞行器类似的布局和控制方式，而且在平飞模式下最大程度上保留传统可靠的固定翼飞机的布局形式、有效机翼面积和整体结构，所以与其他垂直起降飞行器相比具有布局形式合理，结构简单，控制方式成熟可靠，飞行更加稳定，航程更远，载重更大等优点。
Description
技术领域
本发明属于航空飞行器设计领域，具体涉及一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构及其控制方法。
背景技术
垂直起降技术的诞生主要是因为飞机滑跑起飞方式的不足，特别是在历次战争中的表现，让飞机的垂直起降进入人们的视线。二战及中东战争等战争直接对敌方机场的袭击让人们感受到了需要跑道的滑跑式飞机的不足之处，而冷战则是垂直起降技术的催化剂。二战后的五六十年代，在极有可能爆发核战争的阴影下，人们担心出现核大战对机场造成破坏、常规飞机无法出动的局面，所以催生了固定翼飞机的垂直起降技术。垂直起降飞机减少或基本摆脱了对跑道的依赖，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于灵活出击、转移和伪装隐蔽，不易被敌方发现，出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性，大大提高了飞机的战场生存率。
有垂直起降能力的固定翼飞机不需要专门的机场和跑道，这样就省去了昂贵的机场建设费用，不用驱鸟，也能在恶劣气象条件下起降，降低了使用成本，而且还具有航程远，有效载荷高等传统直升机所不具有的优势。所以，垂直起降固定翼飞行器成为了航空飞行器发展的一个热门方向。
现有的垂直起降飞行器大都采用单轴，双轴，或者三轴等控制难度很高的垂直起降结构布局形式，不仅垂直起降模式时稳定性和可靠性都难以保证，而且由于其采用的方式会导致飞机的结构不同于一般常规固定翼飞机，过于复杂，严重影响到固定翼模式下的气动布局，从而严重影响平飞时的飞行品质。另外一个方面，现有的垂直起降飞机大部分由于其结构设计所限，没有办法采用很大的翼展，从而无法增加有效的机翼面积，使得其飞行效率无法提高，航程和传统固定翼飞机相比还是相差很大。所以，只有在尽量采用最成熟旋翼机模型布局形式且不影响常规固定翼飞机布局结构的情况下，做到垂直起降功能，才能最大程度上提高垂直起降飞行器的各个方面的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构及其控制方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，包括提供动力的螺旋桨，所述螺旋桨布置于飞机两侧主机翼的前后侧，位于主机翼前侧的螺旋桨可向上倾转，位于主机翼后侧的螺旋桨可向下倾转。
所述主机翼前侧的螺旋桨采用正装，为飞机提供拉力以及升力，主机翼后侧的螺旋桨采用反装，为飞机提供推力以及升力。
所述主机翼前后侧螺旋桨各自的倾转同步进行。
两侧主机翼上分别设置有相同数量的若干对螺旋桨，每对螺旋桨由一个布置于对应主机翼前侧的螺旋桨和一个布置于对应主机翼后侧的螺旋桨构成，一对螺旋桨采用对应一台发动机同时驱动或者采用两台发动机分别驱动。
所述主机翼上设置有发动机挂舱，发动机挂舱的前后端分别向主机翼前后侧对应伸出，发动机挂舱的前后端分别装有一套动力系统，动力系统包括螺旋桨以及驱动螺旋桨的发动机，发动机与发动机挂舱相连。
上述适用于垂直起降飞行器的动力系统结构的控制方法，包括以下步骤：
当飞机平飞时，螺旋桨平面都处于与地面接近于垂直的状态，为飞机提供向前的动力；当飞机垂直起降和悬停时，同步驱动主机翼前侧以及后侧的螺旋桨倾转，其中主机翼前侧的螺旋桨向上倾转，主机翼后侧的螺旋桨向下倾转。
本发明的有益效果体现在：
本发明采用成熟的旋翼机模型布局形式且不影响常规固定翼飞机布局结构，使其比现有垂直起降飞行器结构简单，控制难度低，具有更好垂直起降性能和空中悬停性能，且具有更快飞行速度和更远航程。
采用本发明的垂直起降飞行器与传统的固定翼飞机相比可以不使用跑道，而是进行垂直起飞和降落，大大降低了对跑道的要求。与传统直升机相比具有更快的飞行速度，更远的航程和更高的飞行高度。本发明通过设计，不但实现了垂直起降模式下与现有的最为成熟稳定的X型四轴飞行器类似的布局和控制方式，而且在平飞模式下最大程度上保留传统可靠的固定翼飞机的布局形式、有效机翼面积和整体结构。所以与其他垂直起降飞行器相比具有布局形式合理，结构简单，控制方式成熟可靠，飞行更加稳定，航程更远，载重更大等优点。其布局形式，结构和控制方式不仅可用于小型无人机也可以用于小型载人飞机和大中型运输机，其发动机不仅可以采用电动机，活塞式内燃机，也可以采用喷气式发动机等。采用本发明的小型无人机和小型载人飞机，不仅适用于民用航空运输，救灾勘察，航空测绘，也适合于部队单兵侦察使用。而且本发明用于大中型运输机也有明显的优点。
采用本发明的垂直起降飞行器兼顾固定翼飞行器和直升机的优点，克服了其他垂直起降飞行器的缺点，并已经制造出原型机进行了试飞，性能优异，稳定可靠，具有很强的适应性，应用前景广阔。
附图说明
图1是采用本发明的垂直起降飞行器在其水平飞行状态下的整体外形图；
图2是图1所示的垂直起降飞行器在其垂直起降及悬停状态下的整体外形图；
图3是适用于图1所示的垂直起降飞行器在平飞状态的动力系统位置示意图；
图4是适用于图1所示的垂直起降飞行器在垂直起降及悬停状态下的动力系统位置示意图；
图中：1为机身，2为主机翼，3平尾，4为垂尾，5为发动机挂舱，6为动力系统，7为前起落架，8为主起落架，51为驱动伺服机的舵盘，52为驱动连杆，53为发动机的从动舵盘，61为螺旋桨，62为发动机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
本发明主要是通过对垂直起降飞行器的总体布局，飞行模式转换方式以及姿态控制所需机构的合理设计来实现的。
实施例
本发明提供一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，包括提供动力的螺旋桨61，所述螺旋桨61布置于飞机两侧主机翼2的前后侧，位于主机翼2前侧的螺旋桨61可由竖直状态向上倾转为水平状态，位于主机翼2后侧的螺旋桨61可由竖直状态向下倾转为水平状态；所述主机翼前侧的螺旋桨61采用正装，为飞机提供拉力以及升力，主机翼后侧的螺旋桨61采用反装，为飞机提供推力以及升力；所述主机翼前后侧螺旋桨61各自的倾转同步进行；所述主机翼前后侧的螺旋桨61采用一台发动机同时驱动或者采用两台发动机分别驱动。下面根据附图进行具体介绍。
根据图1、图2所示，采用本发明的垂直起降飞行器采用常规式气动布局：包含机身1，主机翼2，平尾3，垂尾4，前起落架7，主起落架8以及各个舵面等。其中在两边主机翼2上分别安装有一个发动机挂舱5，在发动机挂舱的前后分别装有一套动力系统6，该动力系统包括螺旋桨61和发动机62，总共4套动力系统为飞机提供垂直起降，悬停和水平飞行时的动力。
如图3、图4所示，本发明中，发动机挂舱5内部设置有连杆驱动机构。连杆驱动机构包括驱动伺服机的舵盘51，驱动连杆52以及发动机的从动舵盘53，驱动伺服机的舵盘51以及发动机的从动舵盘53与驱动连杆52相连。其中驱动伺服机的舵盘51与发动机的从动舵盘53的直径相同，且相互平行，静止时与发动机挂舱5轴线保持45度夹角，从而保证转换过程中前后发动机角度同步变化。当飞机平飞时，四个螺旋桨61平面都处于与地面接近于垂直状态，为飞机提供向前的动力。当飞机垂直起降和悬停时，通过发动机挂舱5内部的连杆驱动机构同步驱动，主机翼前部的两个螺旋桨向上倾转，主机翼后部的两个螺旋桨向下倾转，从而四个螺旋桨都能为飞机提供向上的升力；而四个螺旋桨的自旋方向和控制方法类似于X型的四轴飞行器，可以为飞机在垂直起降和悬停过程中提供稳定的姿态控制。飞行模式转换时，四个螺旋桨平面会保持同步倾转，不但可以抵消倾转产生的飞机俯仰方向上的不平衡扭矩，而且仍然可以在竖直方向上提供四轴的控制方式，保证飞机平稳；螺旋桨平面倾转过程将结合飞机上的姿态和空速传感器进行控制，从而保证其转化飞行模式过程中平稳且不失速。飞行模式的转换过程往往是垂直起降飞机最危险的时候，本发明通过合理巧妙的设计大大提高了这一过程的可控性和安全性。
Claims (6)
1.一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，其特征在于：包括提供动力的螺旋桨（61），所述螺旋桨（61）布置于飞机两侧主机翼（2）的前后侧，位于主机翼（2）前侧的螺旋桨（61）可向上倾转，位于主机翼（2）后侧的螺旋桨（61）可向下倾转。
2.根据权利要求1所述一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，其特征在于：所述主机翼（2）前侧的螺旋桨（61）采用正装，为飞机提供拉力以及升力，主机翼（2）后侧的螺旋桨（61）采用反装，为飞机提供推力以及升力。
3.根据权利要求1所述一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，其特征在于：所述主机翼（2）前后侧螺旋桨（61）各自的倾转同步进行。
4.根据权利要求1所述一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，其特征在于：两侧主机翼（2）上分别设置有相同数量的若干对螺旋桨（61），每对螺旋桨（61）由一个布置于对应主机翼前侧的螺旋桨（61）和一个布置于对应主机翼后侧的螺旋桨（61）构成，一对螺旋桨（61）采用对应一台发动机同时驱动或者采用两台发动机分别驱动。
5.根据权利要求1所述一种适用于垂直起降飞行器的动力系统结构，其特征在于：所述主机翼（2）上设置有发动机挂舱（5），发动机挂舱（5）的前后端分别向主机翼（2）前后侧对应伸出，发动机挂舱（5）的前后端分别装有一套动力系统（6），动力系统（6）包括螺旋桨（61）以及驱动螺旋桨的发动机（62），发动机与发动机挂舱相连。
6.一种如权利要求1所述适用于垂直起降飞行器的动力系统结构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
当飞机平飞时，螺旋桨（61）平面处于与地面接近于垂直的状态，为飞机提供向前的动力；当飞机垂直起降和悬停时，同步驱动主机翼（2）前侧以及后侧的螺旋桨（61）倾转，其中主机翼（2）前侧的螺旋桨（61）向上倾转，主机翼（2）后侧的螺旋桨（61）向下倾转。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140423 |