CN104554720A - 一种复合动力直升机 - Google Patents

Abstract

一种复合动力直升机，通过内燃机的输出轴直接驱动水平旋翼作水平方向的旋转，产生向上的升力；升力的大小通过控制内燃机的转速调节；内燃机和水平旋翼之间串接电动发电机，电动发电机在电池组和电动发电控制器的控制下，作为电动机或发电机使用；所述复合动力直升机在尾杆上固定有电子调速器和三相无刷电机，三相无刷电机上安装垂直旋转的尾桨，产生相应的推力平衡水平旋翼产生的反向转矩；所述复合动力直升机还使用四个水平旋转的平衡旋翼，用于控制飞行姿态；四个电动旋翼分别由三相无刷电机驱动，三相无刷电机又分别由电子调速器控制，并接受飞行控制器的统一控制。

Description

一种复合动力直升机

技术领域

    本发明属于直升机技术领域，特别涉及一种轻型无人直升机和大型低航速的直升机。

背景技术

旋翼型直升机自发明以来已得到广泛应用，其核心的优势是能够实现垂直起降，能在空中定点悬停，能实现上下、左右、前后的平移，滚动等6自由度的飞行，优点显著，在军事和民用领域均有应用；虽然优点显著，但缺点也很突出：为实现垂直起降，旋翼需要在水平面上旋转，以产生向上的拉力，但仅有向上的拉力并不能使直升机自由飞行，为此，在直升机的旋翼轴上设计了非常复杂的十字盘机构，通过机械耦合，使旋翼的每一个叶片在一个旋转周期内能自由的控制倾角，从而使旋翼在得到升力的同时还得到其他方向的分力，使直升机在复杂的气流环境中能够平稳自由飞行；直升机由于使用复杂的十字盘机构，旋翼的转速不能太快，需要使用减速器将内燃机的转速降低；低速旋翼为达到足够的升力必须增加旋翼的直径，这样，直升机的旋翼面积很大，大直径旋翼旋转时一方面占据很大的空间，另一方面使机身产生反向转矩，为平衡反向转矩，需要一个垂直方向旋转的旋翼，为避开水平方向旋翼的气流，该旋翼需要在水平旋翼的外侧，这个旋翼称为尾桨，这样远离内燃机的尾桨驱动驱动很困难，需要使用很长的传动轴或传动皮带，尾桨的转速与内燃机同步，不能单独调节，因此需要调节尾桨的倾角来和控制反向推力，控制起来很复杂。

由于存在减速机、十字盘结构、尾桨驱动和平衡控制，现有直升机的可靠性和动力效率都远低于固定翼飞机。

发明内容

本发明针对现有直升机存在的不足，提出一种复合动力直升机，它不但简化了直升机的机械结构，还简化直升机控制方法，并且提升了直升机的动力和燃油利用效率。

本发明通过如下技术方案实现：

一种复合动力直升机，包括无线接收装置、飞行控制器、内燃机、水平旋翼、电动发电机、电池组、电动发电控制器、尾杆、电子调速器，三相无刷电机、尾桨、平衡旋翼、机架和载荷区，其特征在于，所述内燃机的动力通过输出轴直接驱动水平旋翼作水平方向的旋转，产生向上的升力，升力的大小通过控制内燃机的转速调节；

所述的内燃机和水平旋翼之间串接一台电动发电机，电动发电机由连接在内燃机输出轴上的稀土永磁外转子和固定在内燃机外壳上的感应线圈组合而成，作为电动机或发电机使用的电动发电机由电池组和电动发电控制器控制；

四个用于控制所述复合动力直升机飞行姿态水平旋转的平衡旋翼分别由三相无刷电机驱动，三相无刷电机又分别由电子调速器控制，并接受飞行控制器的统一控制；

所述的尾杆上固定有电子调速器和三相无刷电机，三相无刷电机上安装垂直旋转的尾桨；电子调速器接受飞行控制器的指令，控制三相无刷电机的转速，带动尾桨产生相应的推力平衡水平旋翼产生的反向转矩，以使直升机保持方向或转向。

所述的电动发电机，在内燃机静止时，在电动发电控制器的控制下作为起动机使用，用来启动内燃机；内燃机运转后带动电动发电机发电，通过电动发电控制器将发出的电能储存到电池组中；电动发电机在内燃机运行中还工作在电动机状态，为内燃机助力，提供瞬间加速的动力共同驱动水平旋翼。

所述飞行控制器，其内部设置加速度、角速度、地磁角度和气压传感器，并能接收卫星定位信息，实现所述复合动力直升机的空中定点悬停，上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行；具有程序控制预定航线飞行、无人遥控飞行和机上人员控制飞行三种飞行模式。

所述复合动力直升机在无人遥控飞行模式，接收机接受远程控制信号，在飞行控制器协助控制下进行上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行飞行；在没有控制指令时，复合动力直升机始终保持定点悬停的姿态，增加了飞行的安全性和操作性。

所述飞行控制器，其内部使用两片32位的ARM单片机，型号是STM32F427和STM32F100。

附图说明

图1为现有直升机的旋翼轴承和十字盘结构图；

图2为本发明复合动力直升机的结构示意左视图；

图3为本发明复合动力直升机的结构示意俯视图；

图4为本发明复合动力直升机的电动发电机示意图；

图5为本发明复合动力直升机的连接示意图；

图中：88-无线接收装置，99-飞行控制器，100-内燃机，101-输出轴，102-水平旋翼，103-电动发电机，104-电池组，105-电动发电控制器，106-尾杆，107，110，111，112，113-电子调速器，108，210，211，212，213-三相无刷电机，109-尾桨，310，311，312，313-平衡旋翼；400-机架，402-载荷区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例不是全部的实施例。基于这些实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有直升机的旋翼轴承和十字盘结构图，具有非常复杂的结构；本发明摒弃了此结构，直接将旋翼固定在内燃机的输出轴上，如图2。

作为例子，内燃机100使用微型内燃机DLE61，内燃机动力的输出轴101垂直方向安装，通过输出轴101直接驱动28英寸的水平旋翼102作水平方向的旋转，产生向上的升力；升力的大小通过控制微型内燃机DLE61的转速调节。在微型内燃机DLE61的输出轴上串接一台电动发电机103，电动发电机103在电池组104和电动发电控制器105的控制下，作为电动机或发电机使用；

微型内燃机DLE61静止时，电动发电机103在电动发电控制器105的控制下作为起动电机使用，用来启动微型内燃机DLE61，微型内燃机DLE61运转后，带动电动发电机103发电，发出的电力通过电动发电控制器105的管理，储存到锂电池组104中,锂电池组的规格是22.2V/5AH；电动发电机103在微型内燃机DLE61运行中还工作在电动机状态，为微型内燃机DLE61助力，提供瞬间加速的动力共同驱动水平旋翼102；

碳纤维材料制作的尾杆106上固定有电子调速器107，型号是Xroto（40A），三相无刷电机108的型号是X4110S，三相无刷电机108上安装垂直旋转的12英寸尾桨109型号是TL1512；电子调速器107接受飞行控制器99的指令，控制三相无刷电机108的转速，带动尾桨109，产生相应的推力平衡反向转矩，以使复合动力直升机保持方向或转向。

使用四个12英寸水平旋转的平衡旋翼310、311、312和313，用于控制飞行姿态；四个平衡旋翼310、311、312和313分别由三相无刷电机210、211、212和213驱动，四个三相无刷电机型号是X2212S，三相无刷电机210、211、212和213又分别由型号是Xroto（20A）的电子调速器110、111、112和113控制，并接受飞行控制器99的统一控制；

飞行控制器99，其内部使用两片32位的ARM单片机，型号是STM32F427和STM32F100，还使用了加速度型号是还使用了加速度型号是L3GD20、角速度型号是MPU6050、地磁角度型号是LSM303D和气压传感器型号是MS5611，并能接收卫星定位信息，实现所述复合动力直升机的空中定点悬停，上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行；具有程序控制预定航线飞行和无人遥控飞行两种飞行模式；

在无人遥控飞行模式，由型号是TLJW-FMU4PX的飞行控制器99协助控制下，复合动力直升机在不加控制干预时始终保持定点悬停的姿态，增加了飞行的安全性和操作性。

在此实例中，实现的复合动力直升机起飞重量在15kg，在海拔2500m的高度能负载2-3kg，实现程序控制预定航线飞行和无人遥控飞行两种飞行模式。

本发明所述复合动力直升机的动力为目前广泛使用的内燃机100，通过输出轴101直接驱动水平旋翼102作水平方向的旋转，产生向上的升力；升力的大小通过控制内燃机100的转速调节；内燃机100和水平旋翼102之间串接一台电动发电机103，电动发电机103由连接在内燃机输出轴101上的稀土永磁外转子103A和固定在内燃机100外壳上的感应线圈103B组合而成，电动发电机103在电池组104和电动发电控制器105的控制下，作为电动机或发电机使用。

本发明所述复合动力直升机在内燃机100静止时，电动发电机103在电动发电控制器105的控制下作为起动机使用，用来启动内燃机100，内燃机100运转后，带动电动发电机103发电，通过电动发电控制器105的管理，将发出的电能储存到锂电池组104中；电动发电机103在内燃机100运行中还工作在电动机状态，为内燃机100助力，提供瞬间加速的动力共同驱动水平旋翼102；

所述复合动力直升机在尾杆106上固定有电子调速器107和三相无刷电机108，三相无刷电机108上安装垂直旋转的尾桨109；电子调速器107接受飞行控制器的指令，控制三相无刷电机108的转速，带动尾桨109，产生相应的推力平衡水平旋翼产生的反向转矩，以使直升机保持方向或转向；

飞行控制器99其内部包含加速度、角速度、地磁角度和气压传感器，并能接收卫星定位信息，实现所述复合动力直升机的空中定点悬停，上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行；具有程序控制预定航线飞行、无人遥控飞行和机上人员控制飞行三种飞行模式。

在无人遥控飞行模式，接收机88接受远程控制信号，在飞行控制器99协助控制下进行上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行飞行；在没有控制指令时，复合动力直升机始终保持定点悬停的姿态，增加了飞行的安全性和操作性。

上述实例仅仅是为清楚的说明本发明所作的举例，在使用较大的内燃机和相应的旋翼的情况下，对于所述领域的普通技术人员来说，做出更大的负载能力，以及可以载人的变化和变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种复合动力直升机，包括无线接收装置（88）、飞行控制器（99）、内燃机（100）、水平旋翼（102）、电动发电机（103）、电池组（104）、电动发电控制器（105）、尾杆（106）、电子调速器（107，110，111，112，113），三相无刷电机（108，210，211，212，213）、尾桨（109）、平衡旋翼（310，311，312，313）、机架（400）和载荷区（402），其特征在于，所述内燃机的动力通过输出轴（101）直接驱动水平旋翼（102）作水平方向的旋转，产生向上的升力，升力的大小通过控制内燃机的转速调节；

所述的内燃机（100）和水平旋翼（102）之间串接一台电动发电机（103），电动发电机由连接在内燃机输出轴（101）上的稀土永磁外转子（103A）和固定在内燃机外壳上的感应线圈（103B）组合而成，作为电动机或发电机使用的电动发电机（103）由电池组（104）和电动发电控制器（105）控制；

四个用于控制所述复合动力直升机飞行姿态水平旋转的平衡旋翼（310、311、312和313）分别由三相无刷电机（210、211、212和213）驱动，三相无刷电机（210、211、212和213）又分别由电子调速器（110、111、112和113）控制，并接受飞行控制器（99）的统一控制；

所述的尾杆（106）上固定有电子调速器（107）和三相无刷电机（108），三相无刷电机（108）上安装垂直旋转的尾桨（109）；电子调速器（107）接受飞行控制器的指令，控制三相无刷电机（108）的转速，带动尾桨（109）产生相应的推力平衡水平旋翼产生的反向转矩，以使直升机保持方向或转向。

2.根据权利要求1所述的复合动力直升机，其特征在于，所述的电动发电机（103），在内燃机（100）静止时，在电动发电控制器（105）的控制下作为起动机使用，用来启动内燃机；内燃机运转后带动电动发电机（103）发电，通过电动发电控制器（105）将发出的电能储存到电池组（104）中；电动发电机（103）在内燃机运行中还工作在电动机状态，为内燃机助力，提供瞬间加速的动力共同驱动水平旋翼（102）。

3. 根据权利要求1所述的复合动力直升机，其特征在于，所述飞行控制器（99），其内部设置加速度、角速度、地磁角度和气压传感器，并能接收卫星定位信息，实现所述复合动力直升机的空中定点悬停，上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行；具有程序控制预定航线飞行、无人遥控飞行和机上人员控制飞行三种飞行模式。

4.  根据权利要求3所述的复合动力直升机，其特征在于，所述复合动力直升机在无人遥控飞行模式，接收机（88）接受远程控制信号，在飞行控制器（99）协助控制下进行上下、左右、前后平移以及机头旋转，完成4自由度的飞行飞行；在没有控制指令时，复合动力直升机始终保持定点悬停的姿态，增加了飞行的安全性和操作性。

5. 根据权利要求3所述的复合动力直升机，其特征在于，所述飞行控制器（99），其内部使用两片32位的ARM单片机，型号是STM32F427和STM32F100。