CN105263800A - 一种具有双偏航控制系统的垂直起降无人机 - Google Patents
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Abstract
一种具有双偏航控制系统(TYCS)的垂直起降无人机(VTOL？UAV),双偏航控制系统(6)由连接至主旋翼头架的副旋翼组成，它们从变速箱(3)获取旋转力,控制垂直起降无人机朝左-右方向运动以及产生抗扭力来对抗主旋翼(5)的旋转产生的扭矩，旋翼头(4)附近的主旋翼(5)可旋转至产生沿垂直轴向上足以来回提升垂直起降无人机的速度。除此之外，双偏航控制系统(6)有助于平衡主旋翼(5)旋转所产生的垂直力矩，这导致该垂直起降无人机始终平行于所述垂直轴进行垂直飞行，因此，其飞行时，无需外部操作员或自动飞行控制系统调整。
Description
本发明的内容及目的
本发明是一种适于军用和民用的具有双偏航控制系统(TYCS)的无人机或垂直起降无人机(VTOLUAV)。垂直起降无人机使用喷射发动机或活塞发动机作为主动机，其构成复杂系统的一部分。电能被通过牙轮皮带传输到减速箱，以便将运动改变成水平方向，以驱动主旋翼桨叶，从而对飞机进行提升以做上下运动。除此之外，为军事行动目的或其他任务需要，垂直起降无人机配备有辅助设备。具有双偏航控制系统的垂直起降无人机受控于无线电信号或称为“飞行控制系统”的电子装置，其能够控制飞机自动起飞和降落以及在预设航线上飞行，因此该无人机不但容易使用，而且飞行的安全性很高。
本发明的目的是开发一种军用和民用的具有双偏航控制系统的无人机或垂直起降无人机。所述飞机能够不依靠飞机场进行垂直起飞和降落。为了灵活性和安全运行，可以选择外部操作员利用无线电信号进行手动飞行控制模式操作，以及一种自动或半自动的飞行控制系统。
发明涉及的技术
机械工程(飞机结构、电力传输、发动机)
空气动力学工程(主旋翼、尾部螺旋桨、和直升机飞机设计)
背景技术
在与安全相关的工作中使用无人机的概念在世界范围内的许多国家已出现。为军用和民用目的，已经成功开发了支持各种任务的无人机。无人机或无人驾驶飞行器已被定义为“一种具有发动机和桨叶的自动推进式飞机”这种飞机上没有飞行员，同时能够利用机载自动飞行控制系统或远程飞行控制在空中自行飞行，上述机载自动飞行控制系统或远程飞行控制专门为该飞机前后飞行设计并可重复使用。然而，本定义并未涵盖轻于空气的任意飞行器，比如气球、软式小型飞船、齐伯林飞船、或飞艇，并且不包括导弹，因为其不使用气动力将飞行器机身提升至浮于空中。这也不包括外部飞行控制操作员建造和控制的任意制导武器、弹道弹药、以及RC飞机。即便所述RC飞机上没有操作员，但是其一直受控于外部飞行控制操作员。
无人机可被粗略分为以下4种类型：(来自“泰国皇家空军期刊”，第8卷，作者，纳塔波尔·尼尤姆太)
1.续航无人机-为高海拔、远距离及高续航飞行设计，是高性能的无人机，总是被发现飞行在地平线以上以及超视距，所述飞机的飞行控制和传感器与卫星网络连接。
2.战术无人机-为中海拔设计，并且在地面控制站视距范围内，它们必须能够长时间运行和经常使用。
视线链路用于控制所述飞机并且检测接收信号。
3.小型无人机-人工控制移动，并且为地面控制站周围几公里的飞行设计，其利用视影通信，通常能够实现2-3小时的运行。
4.微型无人机-非常便携，平均尺寸不超过6英寸，使其检测更为困难，从而能够受控进入小区域，比如较大飞行器无法进入的建筑物开放窗口。
另一种与无人机类似的飞机类型为遥控飞行器(RPV)。遥控飞行器是没有操作员的飞机，但是其能够被通信网络远程控制。遥控飞行器一般为可回收设计，并且最初是遥控飞机的大型形式。遥控飞行器已在军队中使用多年，比如遥控驾驶无人机、测试飞机、以及侦察机。
垂直起降无人机能够主要分为以下2类：
1.常规直升机
这是常规直升机的变型，从而其能够使用自动飞行控制自行飞行。在此，只讨论现在已经开发和商业化的垂直起降无人机，比如：
雅马哈R-MAX是有史以来最先进的商用直升机(垂直起降无人机)。1983年，雅玛哈公司接到日本农林水产省中林业和渔业部门的研究要求之后，开始发展无人直升机用于农田化肥播撒，比如稻田化肥散播和农药散播，从而取代人工。
雅玛哈R-MAX的规格
西贝尔公司(Schiebel)的“坎姆考普特”(CAMCOPTER)S-100是一种主要用于军事的中等操作范围及中程垂直起降无人机。其规格如表2所示。
西贝尔(Sclliebel)公司“坎姆考普特”(CAMCOPTER)的规格
2.垂直起降无人机的其它类型
目前，许多垂直起降无人机已经使用不同的概念进行设计，一些仍然处于开发阶段，而其它则没有正式商业化，比如：
尾旋翼和机尾
这种概念利用原本安装在常规飞机上的平行于地面的倾转旋翼桨叶，以便使得它们的轴垂直于地面或几乎垂直于地面。因此，该飞机能够利用非常小的距离垂直起飞和降落。一旦达到某一高度，该桨叶轴将转回其初始方向(平行于地面)以固定翼或旋翼模式飞行。以此设计，该翼将作为旋翼来回提升机身。达到某一高度后，该翼将停止转动并且转变为固定翼飞机。
尾座式
这种设计当由水平停机到垂直停机过程中采用飞机的尾部作为座(sitter)来代替通常的起落架以改变飞机方向。
同轴旋翼
这种设计利用了以相反的方向转动的两组旋翼，从而降低反作用扭矩的出现。原来，直升机利用尾部端部的旋翼桨叶实现这个功能。一旦使用这两组旋翼，就不再需要尾部螺旋桨，从而导致了飞机沿旋翼轴呈对称以及侧移自由性较高。其它国家同轴式旋翼垂直起降无人机的研究与发展集合了有史以来的所有垂直起降无人机研究和发展的起源。回望第一次世界大战期间，正如在英国海军的每个战列舰和巡洋舰看到的那样，海军是首次使用有人驾驶飞机进行监控工作的组织。常常看到这些飞机从船舶基地跑道起飞，并且从敌人的船上炮塔多次拍到它们。
二十年后，飞机弹射系统已经变为蒸汽推进系统，之后变成了那时候航空母舰船载的标准系统。利用舰载飞机用于监视目的成功地对陆战做出了许多贡献，它们中大部分为短时飞行，后来遥控飞机替代了有人驾驶飞机执行监视任务。那时候，只有美国海军展现出开发遥控飞机并将其投入运行的能力。为便于船上作业，已经改良了直升机使其能垂直起飞和降落。美国海军使用的可在实际工作地区执行任务的第一架垂直起降无人机是遥控直升机或GyrodyneRotorcycle公司用于反潜任务的无人机(DroneHelicopter)，其为QH-50型的无线电遥控反潜艇直升飞机。最初，QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机为美国海军设计，只能满足短距离机载一人的小直升机。自1963年1月QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机投入使用之后，他们有配备了通过施放鱼雷具备反潜能力的水面战舰。QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机的起飞和降落通过船舶甲板上的外部操作员控制。起飞之后，在驱逐舰舰作战信息中心(CIC)工作的内部操作员利用雷达控制QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机。QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机将会监测敌人的潜艇的位置并且施放MK-44或MK-46型鱼雷摧毁它。一旦执行了该任务，飞机就立刻返回舰船，以避免直升机机身因施放水雷发生重要改变而引起的事故。事实上，QH-50无线电遥控反潜艇直升飞机也能运载MK-57型核深水炸弹，但是，由于控制遥控飞机很复杂，还未测试施放该类型的炸弹。据报导，因为电光传感器的问题，400多辆遥控飞机在飞行期间失踪。后来，QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机被改良成为4种子型号，报道称，1960至1969年间，总数近800架遥控飞机被送往美国海军。后来，其余QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机退役，1971年1月该项目最终被放弃。然而，越南战争中仍然使用QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机作为无人驾驶侦察机，并且，美国陆军攻击司令部(USArmyStrikeCommand)新墨西哥州的白沙(白沙导弹靶场)至今仍使用QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机。除此之外，德国被称为SEAMOS的无人机项目和以色列被称为HELISTAR的无人机项目都是基于QH-50型无线电遥控反潜艇直升飞机的结构开发而成。
涵道风扇
这种类型的无人机利用圆筒形框架管围绕旋翼桨叶而成。
无人机的将在此类回转管的安装方向上移动。
本发明完整的信息披露
图1和2示出了所述具有双偏航控制系统(TYCS)的垂直起降无人机(VTOLUAV)的主要部件，包括喷射发动机式主动机或活塞发动机式主动机，所述电能被通过牙轮皮带传输到减速箱，以便改变主旋翼头的旋转方向进一步产生垂直升力。所述垂直起降无人机受控于飞行控制系统(FCS)的无线电信号，该飞行控制系统(FCS)包括：FCS盒，其能发射和接收垂直起降无人机和地面控制站之间的控制信号，并且从机载全球定位系统获取垂直起降无人机的位置。因此，该垂直起降无人机可通过手动无线电控制、自动飞行控制系统或半自动飞行控制系统，或者三种方式的混合沿预设飞行路径安全飞行。所述垂直起降无人机在横向(左-右)方向的移动依靠该双偏航控制系统(TYCS)实现。
设计说明如下：
当垂直坐式时，主旋翼和双偏航控制系统的旋翼桨叶中心的距离为0.3-0.5m。
主旋翼直径为2.0-2.4m。
垂直起降无人机的高度为0.6-0.8m。
垂直起降无人机的机身宽度为0.5-0.7m。
具有双偏航控制系统(TYCS)的垂直起降无人机(VTOLUAV的技术规格如下：
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种具有双偏航控制系统(TYCS)的垂直起降无人机(VTOLUAV)，其由下列部件组成：
部件1是主动机(1)，选择喷射发动机或活塞发动机作为所述主动机，所述主动机将电能通过牙轮皮带(2)传输到变速箱(3)，从而将所需扭矩传送到旋翼头(4)使两个主旋翼桨叶保持原位，所述变速箱(3)还将扭矩传输到双偏航控制系统(6)的两个副旋翼并且能有效使得所述双偏航控制系统(6)的主旋翼(5)和副旋翼以所需速度旋转，当所述主旋翼(5)旋转至可以产生足够的沿垂直轴向的升力的速度时，所述垂直起降无人机将被提升至浮于空中，从而使得在无任何跑道或停机坪时进行起飞和着陆，所述垂直起降无人机的机身配备有起落橇(10)，在机场停放时用来支持所述垂直起降无人机的机身，以及在起飞和着陆期间承载垂直起降无人机的机身重量；
部件2是双偏航控制系统(6)，其由连接至所述尾桁(10)的副旋翼组成，所述尾桁可接收来自于变速箱的旋转力，所述双偏航控制系统(6)可控制垂直起降无人机朝左-右方向运动并且帮助其减少因主旋翼(5)转动产生的垂直力矩，如果所述扭矩产生于仅有1个尾部螺旋桨的常规直升机中，则所述扭矩会在所述飞行期间引起所述直升机与垂直轴呈小角度倾斜，从而，本发明的所述双偏航控制系统(6)将产生绕所述主旋翼的垂直轴向的扭矩平衡，并且帮助所述垂直起降无人机平行于所述垂直轴向上飞行，而无需外部操作员一直调整飞机，在任一所述副旋翼失灵或发生故障以致其不能使用的情况下，直到外部操作员或自动导航装置不能控制配有双偏航控制系统(6)的所述垂直起降无人机的方向时，才完全失去平衡，所述飞机失去升力并旋转落地，然而其通过利用其余的副旋翼，仍有可能控制方向并飞回机场，所述双偏航控制系统(TYCS)(6)被设计为所述主旋翼和所述副桨叶的中心距离为0.3-0.5米，所述主旋翼的直径为2.0-2.4米，所述垂直起降无人机的高度和宽度分别是0.6-0.8米和0.5-0.7米；
部件3为配备有双偏航控制系统的垂直起降无人机的自动导航装置，无线电信号被用来控制所述垂直起降无人机，通过外部操作员、自动飞行控制系统(8)或半自动飞行控制系统(外部操作员和计算机程序)能实现所述控制，所述自动飞行控制系统(8)和所述数据和视频通讯系统(9)由6个能够隔长达40-50公里的距离发送和接收控制信号的无线传输电路组成，垂直起降无人机能够以同样的速度前飞和倒飞，扭矩平衡确保了在飞行期间飞机机身相对于垂直轴没有倾斜角度，这还使垂直起降无人机的机长更短，从而减少起飞和着陆的区域，所述垂直起降无人机所需的停机区域只有相同发动机尺寸的常规直升机停机区的30％，相比具有相同类型和尺寸发动机的常规直升机的振动而言，所述垂直起降无人机的振动降低了10-20％，从而有效地延长了所述飞机所有部件的寿命。
Claims (1)
1.一种具有双偏航控制系统(TYCS)的垂直起降无人机(VTOLUAV)，其由下列部件组成：
部件1是主动机(1)，选择喷射发动机或活塞发动机作为所述主动机，所述主动机将电能通过牙轮皮带(2)传输到变速箱(3)，从而将所需扭矩传送到旋翼头(4)使两个主旋翼桨叶保持原位，所述变速箱(3)还将扭矩传输到双偏航控制系统(6)的两个副旋翼并且能有效使得所述双偏航控制系统(6)的主旋翼(5)和副旋翼以所需速度旋转，当所述主旋翼(5)旋转至可以产生足够的沿垂直轴向的提升的速度时，所述垂直起降无人机将被提升至浮于空中，从而使得在无任何跑道或停机坪时进行起飞和着陆，所述垂直起降无人机的机身配备有起落橇(10)，在机场停放时用来支持所述垂直起降无人机的机身，以及在起飞和着陆期间承载垂直起降无人机的机身重量；
部件2是双偏航控制系统(6)，其由连接至所述尾桁(10)的副旋翼组成，所述尾桁可接收来自于变速箱的旋转力，所述双偏航控制系统(6)可控制垂直起降无人机朝左-右方向运动并且帮助其减少因主旋翼(5)旋转产生的垂直力矩，如果所述扭矩产生于仅有1个尾部螺旋桨的常规直升机中，则所述扭矩会在所述飞行期间引起所述直升机与垂直轴呈小角度倾斜，从而，本发明的所述双偏航控制系统(6)将产生绕所述主旋翼的垂直轴向的扭矩平衡，并且帮助所述垂直起降无人机平行于所述垂直轴向上飞行，而无需外部操作员一直调整飞机，在任一所述副旋翼失灵或发生故障以致其不能使用的情况下，直到外部操作员或自动导航装置不能控制配有双偏航控制系统(6)的所述垂直起降无人机的方向时，才完全失去平衡，所述飞机失去升力并旋转落地，然而其通过利用其余的副旋翼，仍有可能控制方向并飞回机场，所述双偏航控制系统(TYCS)(6)被设计为所述主旋翼和所述副桨叶的中心距离为0.3-0.5米，所述主旋翼的直径为2.0-2.4米，所述垂直起降无人机的高度和宽度分别是0.6-0.8米和0.5-0.7米；
部件3为配备有双偏航控制系统的垂直起降无人机的自动导航装置，无线电信号被用来控制所述垂直起降无人机，通过外部操作员、自动飞行控制系统(8)或半自动飞行控制系统(外部操作员和计算机程序)能实现所述控制，所述自动飞行控制系统(8)和所述数据和视频传输系统(9)由6个能够隔长达40-50公里的距离发送和接收控制信号的无线传输电路组成，垂直起降无人机能够以同样的速度前飞和倒飞，扭矩平衡确保了在飞行期间飞机机身相对于垂直轴没有倾斜角度，这还使垂直起降无人机的机长更短，从而减少起飞和着陆的区域，所述垂直起降无人机所需的停机区域只有相同发动机尺寸的常规直升机停机区的30％，相比具有相同类型和尺寸发动机的常规直升机的振动而言，所述垂直起降无人机的振动降低了10-20％，从而有效地延长了所述飞机所有部件的寿命。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |