CN104085532A - 一种倾转旋翼运输机的布局方案及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种倾转旋翼运输机的布局方案，包括机身、前机翼、后机翼、前后机翼连接端板、垂直尾翼、旋翼、前机翼副翼、后机翼副翼、可倾转主轴、发动机、发动机小角度转动机构、滑流舵、滑流舵舵面和方向舵；机身连接前后机翼、可倾转主轴以及垂直尾翼；前后机翼位于机身前后端，前后机翼副翼分别安装前后机翼上；垂直尾翼安装机身尾端，方向舵安装垂直尾翼上，可倾转主轴与发动机小角度转动机构旋接；旋翼安装发动机的输出轴上；滑流舵安装可倾转主轴上，滑流舵舵面安装滑流舵上。一种倾转旋翼运输机的控制方法，它有五大步骤。本发明解决了旋翼与机翼之间的气动干扰和模态转换，将连翼布局的运输能力和垂直起降能力有机结合，形成一种新的运输机种。

Description

一种倾转旋翼运输机的布局方案及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种倾转旋翼运输机的布局方案及其控制方法，它是一种基于倾转旋翼技术的垂直起降运输机的布局方案以及其在垂直起降、悬停、平飞等模态下和模态间转换的控制方法。属于航空技术领域。

技术背景

为飞行器赋予垂直起降能力一直是航空工程师们孜孜以求的梦想，经过几十年的探索和发展，垂直起降飞行器分为了三个方向：一种是以“鹞式”战斗机和F-35“闪电”为代表的通过倾转发动机喷口获得矢量推力而实现垂直起降的方案，一般适用于要求高机动性的战斗机；一种是所谓的“旋翼固定翼复合式高速直升机”方案，将直升机旋翼与具有机翼的常规飞行器结合起来，形成复合式飞行器，以直升机模态起降，以固定翼模态平飞，结合两者的优点，但因为结构复杂和平飞效率低等因素尚未大规模投入应用；第三种方案就是倾转旋翼，通过倾转发动机和旋翼实现垂直起降和平飞的转换，该方案在美国波音公司与贝尔实验室联合研制的鱼鹰“V-22”上获得应用，并在开发其衍生版本“V-44”。

兵力和物资的投送能力是决定战争部署水平的重要因素，现代战争形势对运输机提出了更高的要求，在保证可观的运输能力的前提下还要兼具相当的机动性和适应性，尤其是对于复杂的战场条件。V-22的服役和V-44的研发足以表明垂直起降运输机的重要意义和价值。

由美国波音公司与贝尔实验室联合研制的鱼鹰“V-22”倾转旋翼机已经投入使用，但仍有很多不容忽视的问题。如：鱼鹰采用上单翼布局，两台可倾转发动机布置在机翼两端，在起飞及悬停阶段，旋翼产生的强大气流会受到机翼的干扰，有研究分析表明机翼的干扰作用使得鱼鹰在悬停状态下损失了20％—30％的升力，导致鱼鹰的悬停效率远低于常规直升机；另一方面，主旋翼的高速气流打到机翼上之后会产生新的涡流，这些涡流与旋翼产生的涡流发生干扰后会严重影响旋翼的工作效率；更进一步的，由于两旋翼面积较大且距离较近，其产生的两股强大的涡流容易在机身下方发生缠绕，飞机一旦陷入这个区域将造成严重后果，因此，鱼鹰的飞行手册明确规定其下降速度不得超过17公里每小时。正是这些空气动力学方面的因素限制了V-22的性能。

第50届巴黎国际航空展上，欧洲直升机厂商Agusta Westland公司展出一架纯电动、无液压飞行系统的倾转旋翼飞机，该飞行器在左右两侧机翼上开洞以布置可倾转涵道。这种布局方式也能实现垂直起降并从悬停转入平飞，但是不容忽视的一点是，这样的布局方式实际上对翼面造成了破坏，降低了飞机的升阻比和巡航效率，平飞性能受到很大影响。

《飞行力学》2010年2月第28卷第1期，由邹灿东、屈香菊与王维军发表的《倾转旋翼机悬停建模与实验》一文中也提出了一种连翼布局倾转旋翼机总体布局方案，该方案中发动机及旋翼依然布置在机翼两端，在机头部位布置第三副旋翼，该方案依然未能解决悬停状态下旋翼与机翼之间相互干扰的问题。此外，在《中国力学学会学术大会2009论文摘要集》中，邹灿东、屈香菊与王维军发表的《小型连翼布局倾转旋翼无人机方案研究》也对该布局方案进行了简要描述。

发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种倾转旋翼运输机的布局方案及其控制方法，以解决旋翼与机翼之间的气动干扰问题和模态转换控制可靠性的问题，同时将连翼布局的运输能力和倾转旋翼机的垂直起降能力较好地结合起来，形成一种崭新的运输机方案。

本发明的基本思路为：在连翼的前后机翼之间布置两个可倾转旋翼，垂起模态(即垂直起飞模态)下旋翼平面处于水平角度，由大功率高效率旋翼将整个机体拉起；达到一定高度时，旋翼开始逐渐倾转，初期保持在一定角度上，飞机逐步积累速度；而后旋翼继续倾转，机体速度逐渐增加，当前飞速度足以使机翼产生的升力与重力相抵时旋翼平面完全转为竖直，进入高速平飞状态，实现垂起、悬停到平飞的转换。实现平飞、悬停到垂落(即垂直降落)的转换过程正好相反，旋翼反向倾转，当旋翼产生的升力足以抵消重力时旋翼转回水平角度，最后发动机转速逐渐减小，飞机实现垂直降落。

2、技术方案：

1)本发明一种倾转旋翼运输机的布局方案，将倾转旋翼的动力配置与连翼布局的气动布局结合了起来，形成一种新型的、具备垂直起降能力的运输机方案。它既有倾转旋翼机使用灵活、适应性好的特点，又有连翼布局飞机升阻比大、巡航效率高的优势。

其布局方案主要包括：机身，它是运输机的主要部件，承担有效载荷并连接各个其他部件；前机翼(后掠)、后机翼(前掠)，他们是飞机升力的主要来源；前机翼副翼、后机翼副翼，两者属于机翼附件同时又是平飞模态下的操纵机构。前后机翼连接端板，这是一个连接件；垂直尾翼，它是维持航向稳定的部件；方向舵，是垂直尾翼的附件，可以产生偏航力矩；可倾转主轴，连接动力部件与机身的一个重要部件，可以在较大的角度范围(0°～100°)内转动；发动机，是飞机的动力部件；旋翼，高速旋转时产生拉力；发动机小角度转动机构，发动机安装于此处，可以带动发动机在较小的角度(-10°～10°)内灵活旋转；滑流舵舵面、滑流舵，位于旋翼滑流区内的辅助控制部件。

它们之间的位置连接关系是：机身是运输机有效运输载荷的主要承载部件，同时起着连接各部分部件的作用；前机翼、后机翼用以提供平飞升力，前机翼位于机身靠前端左右，后机翼位于机身靠后端左右；前机翼副翼、后机翼副翼提供平飞时的操纵力矩，分别安装在前后机翼上；前后机翼连接端板将后机翼的翼梢与前机翼外段连接起来形成一个封闭的盒式结构；垂直尾翼安装在机身尾端，平飞模态下提供航向稳定性；方向舵安装于垂直尾翼上，产生航向操纵力矩；可倾转主轴，与发动机小角度转动机构旋接；发动机是飞机的动力来源，安装于发动机小角度转动机构上的可倾转主轴上；旋翼安装在发动机的输出轴上，负责提供垂直起降、悬停模态下的升力和平飞模态下的拉力；发动机小角度转动机构负责在较小的角度范围内摆动发动机及旋翼；滑流舵舵面安装在滑流舵上，在垂直起降、悬停模态下辅助性地提供俯仰及偏航操纵力矩。

具体地，机身连接前机翼、后机翼、可倾转主轴以及垂直尾翼；前机翼、后机翼通过前后机翼连接端板连接；两片前机翼副翼布置在前机翼上，两片后机翼副翼布置在后机翼上，方向舵布置在垂直尾翼上；发动机通过发动机小角度转动机构安装在可倾转主轴上，且发动机及旋翼布置在前机翼、后机翼所围成的菱形空间内；在旋翼下方，滑流舵安装在可倾转主轴上，滑流舵舵面安装在滑流舵上。

2)本发明一种倾转旋翼运输机的控制方法，主要包括：

在垂直起降及悬停模态，主轴锁死，通过差动调整两侧发动机的转速提供滚转力矩、同向转动两侧发动机以及滑流舵舵面提供俯仰力矩、反向转动两侧发动机以及滑流舵舵面提供偏航力矩，最终通过这些力矩保持飞机的三轴姿态稳定；

从悬停模态到平飞模态的转换，主轴逐渐转动，带动发动机及旋翼平面逐渐由水平转到竖直进入平飞模态，在此过程中，飞机的三轴稳定性仍通过上述方案实现。

进入平飞模态后，可倾转主轴、发动机小角度转动机构均被锁死以保证平飞的可靠性。平飞模态下，通过前后共四片副翼联合操纵获得飞机的俯仰及滚转力矩，通过偏转方向舵获得偏航力矩。

综上所述，本发明一种倾转旋翼运输机的控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：垂起/悬停模态，飞机在静止状态下启动发动机，旋翼转速足够高时其产生的升力将飞机拉起，进入悬停状态；在此过程中，飞机受到侧风等外界条件扰动产生姿态变化，传感器检测到这种变化后将相关信息传送至控制器，控制器通过一系列运算向执行机构发出命令。其中，差动发动机转速可消除滚转角偏差、同向偏转发动机以及滑流舵舵面可消除俯仰角偏差、反向偏转发动机及滑流舵舵面可消除偏航角偏差，通过这种方式保持机体三轴稳定。进一步地，持续增加或减小两侧发动机转速可矫正高度偏差、差动发动机转速可消除左右漂移、同向转动发动机及滑流舵舵面可消除前后漂移，通过这种方式保持三向位置稳定。

步骤二：悬停模态向平飞模态转换过程，飞机垂直起飞并稳定在一定高度以后，可倾转主轴开始逐步倾转，飞机产生向前的速度，而且前飞速度随着可倾转主轴转角的增大和时间的积累逐步增大。在此过程中飞机的三轴稳定性依然靠步骤一中所述方法来维持，当飞机速度增大到一定程度使得舵面产生足够的气动力后，四片副翼以及方向舵开始参与机体姿态控制。飞机速度持续增大至机翼的升力能平衡机体重力后，转换过程结束，飞机进入高速平飞模态。可倾转主轴锁死，发动机小角度转动机构锁死。

步骤三：平飞模态，通过偏转飞机四片副翼以及方向舵产生一定的控制力矩来改变飞机的飞行状态。两片前机翼副翼同向偏转、两片后机翼副翼同向偏转可产生俯仰控制力矩，飞机左侧两片副翼同向偏转、飞机右侧两片副翼同向偏转可产生滚转力矩，偏转方向舵可产生偏航力矩。

步骤四：平飞模态向悬停模态的转换过程，可倾转主轴解锁并逐渐反向倾转，机翼升力逐渐减小，旋翼升力逐渐增加，旋翼平面逐步趋于水平。在此过程中由于飞机依然有一定的速度，四片副翼以及方向舵等舵面可以起到控制机体姿态的作用，与此同时倾转发动机、偏转滑流舵舵面的控制机构也开始工作，两方面共同作用控制飞机姿态稳定。旋翼平面完全处于水平角度且旋翼升力能平衡机体重力后，转换过程结束，可倾转主轴锁死，飞机进入悬停模态。

步骤五：悬停/垂落模态，旋翼平面处于水平状态，发动机转速降低，飞机的三轴姿态稳定控制原理同步骤一相同。在发动机小角度转动机构与滑流舵舵面的联合控制下，飞机逐渐稳定降落至地面，完成整个任务过程。

3、优点及功效。本发明的技术效果为：

1)有效减小了机翼对旋翼气流的干扰，减小了悬停时的升力损失和涡流扰动，提高了悬停效率和飞行可靠性。

2)悬停模态下，由发动机小角度转动机构和滑流舵舵面联合作用产生俯仰和偏航操纵力矩，提高了可靠性裕度，避免了周期变距的复杂机构。

3)旋翼倾转过程中，主轴的转动与发动机的小角度转动分别独立进行，降低了控制难度，提高了控制的精度和可靠性。

4)在平飞模态下，连翼布局具有升阻比大、巡航效率高的特点，且这样的盒式结构具有较高的刚度，有效避免气动弹性变形，盒形的机翼内部可以布置整体式油箱和具备360°搜索能力的雷达。

该方案结合了倾转旋翼机机动性强、适应性好的特点和连翼布局升阻比大、巡航效率高的优势，可广泛用于军事和民用领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本方案的总体布局示意图(悬停模态)；

图2是飞机的仰视图；

图3是飞机的侧视图；

图4是飞机发动机倾转机构和滑流舵布置方案；

图5是控制方法流程示意图

图6是悬停模态控制原理图

图中，具体标号定义如下：

1机身；2前机翼；3后机翼；4前后机翼连接端板；5垂直尾翼；6旋翼；7前机翼副翼；8后机翼副翼；9可倾转主轴；10发动机；11发动机小角度转动机构；12滑流舵；13滑流舵舵面；14方向舵。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～图4所示，一种新型倾转旋翼运输机的布局方案，包括机身1、前机翼2、后机翼3、前后机翼连接端板4、垂直尾翼5、旋翼6、前机翼副翼7、后机翼副翼8、可倾转主轴9、发动机10、发动机小角度转动机构11、滑流舵12、滑流舵舵面13、方向舵14。

机身1是运输机有效运输载荷的主要承载部件，同时起着连接各部分部件的作用；前机翼2、后机翼3用以提供平飞升力，前机翼副翼7、后机翼副翼8提供平飞时的操纵力矩；前后机翼连接端板4将后机翼3的翼梢与前机翼2外段连接起来形成一个封闭的盒式结构；垂直尾翼5在平飞模态下提供航向稳定性，方向舵14则产生航向操纵力矩；可倾转主轴9用以安装发动机小角度转动机构11；发动机10是飞机的动力来源，安装于发动机小角度转动机构11上的可倾转主轴9上；旋翼6负责提供垂直起降、悬停模态下的升力和平飞模态下的拉力；发动机小角度转动机构11负责在较小的角度范围内摆动发动机10及旋翼6；滑流舵舵面13安装在滑流舵12上，在垂直起降、悬停模态下提供俯仰及偏航操纵力矩。

机身1通过销子(图中未画出)连接前机翼2、后机翼3、可倾转主轴9以及垂直尾翼5；前机翼2以及后机翼3通过前后机翼连接端板4连接，使得四片机翼组成一个封闭的盒式结构；前机翼副翼7通过铰链(图中未画出)连接在前机翼2上，后机翼副翼8连接在后机翼3上，方向舵14通过铰链(图中未画出)连接在垂直尾翼5上；旋翼6通过螺栓(图中未画出)连接等方式连接在发动机10的旋转轴上，发动机10通过螺栓(图中未画出)连接的方式固定在发动机小角度转动机构11上，发动机小角度转动机构11通过滚动轴承(图中未画出)与可倾转主轴9连接，保证发动机10能在一个较小的范围内灵活转动，且左、右发动机10及旋翼6布置在前机翼2、后机翼3所围成的菱形空间内；在旋翼6下方，滑流舵12安装在可倾转主轴9上。

一种倾转旋翼运输机的控制方法，如图5控制流程图所示，该方法具体步骤如下：

步骤一：垂起/悬停模态，旋翼6处于水平角度，发动机10启动后，飞机升至一定高度，受侧风扰动后，飞机的三轴姿态稳定控制原理如图6所示，具体为：可倾转主轴9处于0度锁死状态，控制系统通过改变两侧发动机10的转速使得两侧旋翼6产生不对称升力来得到滚转操纵力矩；通过驱动两侧发动机小角度转动机构11同向转动、操纵两侧滑流舵舵面13同向偏转(与该侧发动机转向相同)来得到俯仰控制力矩；通过驱动两侧发动机小角度转动机构11反向转动、操纵两侧滑流舵舵面13反向偏转(与该侧发动机转向相同)来得到偏航控制力矩。

步骤二：悬停模态向平飞模态的转换过程，依然靠上述方式来控制飞机的三轴姿态稳定。同时，可倾转主轴9开始逐渐倾转，飞机逐渐积累速度，前机翼副翼7、后机翼副翼8产生足够气动力后参与飞机姿态的控制；可倾转主轴9继续转动，当飞机机翼产生的气动升力等于重力时，可倾转主轴9转过90度最终锁死，同时将发动机小角度转动机构11锁死，飞机进入平飞模态。

步骤三：平飞模态，通过操纵左右两侧前机翼副翼7同时向上(向下)偏转、左右两侧后机翼副翼8同时向下(向上)偏转来得到飞机的俯(仰)力矩；通过操纵左侧前机翼副翼7以及后机翼副翼8的向上(向下)偏转、右侧前机翼副翼7以及后机翼副翼8向下(向上)偏转得到飞机的左(右)滚转力矩；通过操纵方向舵14得到飞机的偏航力矩。

步骤四：平飞模态向悬停模态的转换过程，可倾转主轴9反向转动，飞机速度逐渐减小，机翼升力逐渐减小，旋翼6升力逐渐增加；发动机小角度转动机构11与滑流舵舵面13开始动作以控制飞机的姿态稳定；前机翼副翼7、后机翼副翼8产生的气动力逐渐减弱，对飞机姿态的控制作用逐渐降低；旋翼6平面进入完全水平且旋翼升力能平衡机体重力后，转换过程结束，可倾转主轴9锁死，飞机进入悬停模态。

步骤五：悬停/垂落模态，旋翼6平面处于水平状态，发动机10转速降低，飞机的三轴姿态稳定控制原理同步骤一相同；在发动机小角度转动机构11与滑流舵舵面13的联合控制下，飞机逐渐稳定降落至地面，完成整个任务过程。

本发明的运输机在实际使用时有以下优点：

1.大幅度减小了悬停模态下机翼对旋翼气流的干扰，提高了悬停效率和飞行可靠性；避免了困扰鱼鹰的气流干扰以及由此产生的最快下降速度限制。

2.在平飞时可发挥出连翼布局飞机大升阻比、高巡航效率的特点，使得该发明的飞机具有长航时、远航程的优势。这是常规直升机所不能比拟的。

3.与普通的运输机相比，本发明的飞机具有更高的灵活性，能够适应多种不同的起飞着陆条件，这一点对于军用飞机而言具有重要意义。

4.连翼布局的盒式封闭结构使得机翼具有较高的强度和刚度，内部结构无需过于复杂就可获得较高的强度。可充分利用机翼内部空间布置油箱雷达等装备，节省机身空间增加有效载荷空间。

5.发动机的小角度摆动、垂起到平飞以及平飞到垂落的转换分别通过两套机构(发动机小角度转动机构、可倾转主轴)来实现，提高了整个机构的灵活性和可靠性，避免了控制耦合。

Claims (2)

1.一种倾转旋翼运输机的布局方案，其特征在于：它包括机身、前机翼、后机翼、前后机翼连接端板、垂直尾翼、旋翼、前机翼副翼、后机翼副翼、可倾转主轴、发动机、发动机小角度转动机构、滑流舵、滑流舵舵面和方向舵；机身是运输机有效运输载荷的主要承载部件，同时连接前机翼、后机翼、可倾转主轴以及垂直尾翼；前机翼位于机身靠前端，后机翼位于机身靠后端，前机翼、后机翼用以提供平飞升力；前机翼副翼、后机翼副翼提供平飞时的操纵力矩，分别安装在前、后机翼上；前后机翼连接端板将后机翼的翼梢与前机翼外段连接起来形成一个封闭的盒式结构；垂直尾翼安装在机身尾端，在平飞模态下提供航向稳定性；方向舵安装于垂直尾翼上，产生航向操纵力矩；可倾转主轴与发动机小角度转动机构旋接；发动机是飞机的动力来源，安装于发动机小角度转动机构上的可倾转主轴上，且发动机及旋翼布置在前机翼、后机翼所围成的菱形空间内；旋翼安装在发动机的输出轴上，负责提供垂直起降、悬停模态下的升力和平飞模态下的拉力；发动机小角度转动机构负责在较小的角度范围内摆动发动机及旋翼；在旋翼下方，滑流舵安装在可倾转主轴上，滑流舵舵面安装在滑流舵上，在垂直起降、悬停模态下提供俯仰及偏航操纵力矩。

2.一种倾转旋翼运输机的控制方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：垂起/悬停模态，飞机在静止状态下启动发动机，旋翼转速足够高时其产生的升力将飞机拉起，进入悬停状态；在此过程中，飞机受到侧风外界条件扰动产生姿态变化，传感器检测到这种变化后将相关信息传送至控制器，控制器通过一系列运算向执行机构发出命令；其中，差动发动机转速可消除滚转角偏差、同向偏转发动机以及滑流舵舵面消除俯仰角偏差、反向偏转发动机及滑流舵舵面消除偏航角偏差，通过这种方式保持机体三轴稳定；进一步地，持续增加或减小两侧发动机转速矫正高度偏差、差动发动机转速消除左右漂移、同向转动发动机及滑流舵舵面消除前后漂移，通过这种方式保持三向位置稳定；

步骤二：悬停模态向平飞模态转换过程，飞机垂直起飞并稳定在一定高度以后，可倾转主轴开始逐步倾转，飞机产生向前的速度，而且前飞速度随着可倾转主轴转角的增大和时间的积累逐步增大；在此过程中飞机的三轴稳定性依然靠步骤一中所述方法来维持，当飞机速度增大到一定程度使得舵面产生足够的气动力后，四片副翼以及方向舵开始参与机体姿态控制；飞机速度持续增大至机翼的升力能平衡机体重力后，转换过程结束，飞机进入高速平飞模态；可倾转主轴锁死，发动机小角度转动机构锁死；

步骤三：平飞模态，通过偏转飞机四片副翼以及方向舵产生一定的控制力矩来改变飞机的飞行状态；两片前机翼副翼同向偏转、两片后机翼副翼同向偏转产生俯仰控制力矩，飞机左侧两片副翼同向偏转、飞机右侧两片副翼同向偏转产生滚转力矩，偏转方向舵产生偏航力矩；

步骤四：平飞模态向悬停模态的转换过程，可倾转主轴解锁并逐渐反向倾转，机翼升力逐渐减小，旋翼升力逐渐增加，旋翼平面逐步趋于水平；在此过程中由于飞机依然有一定的速度，四片副翼以及方向舵舵面起到控制机体姿态的作用，与此同时倾转发动机、偏转滑流舵舵面的控制机构也开始工作，两方面共同作用控制飞机姿态稳定；旋翼平面完全处于水平角度且旋翼升力能平衡机体重力后，转换过程结束，可倾转主轴锁死，飞机进入悬停模态；

步骤五：悬停/垂落模态，旋翼平面处于水平状态，发动机转速降低，飞机的三轴姿态稳定控制原理同步骤一相同；在发动机小角度转动机构与滑流舵舵面的联合控制下，飞机逐渐稳定降落至地面，完成整个任务过程。