CN105711832B - 一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，分为三旋翼系统、机身、大展弦比机翼以及连接倾转台架四部分。三旋翼系统由三台发动机组成，其中两台发动机位于机翼前方，发动机转速相同、转向相反；另一台发动机位于机翼后方，采用矢量动力的方式消除反扭力矩。飞行器以三旋翼系统为动力，可以垂直起降，起飞后，通过连接倾转台架实现三旋翼的整体倾转并进行锁定，进入平飞模式。通过可倾转台架，可将三旋翼动力系统与大展弦比机翼解耦设计，使飞行器具有垂直起降和高速长航时平飞的能力，具有稳定、可靠、安全等优势。飞行器可部署于具备垂直起降平台的小型舰船上，也可部署于面积较小的岛礁上，不需专门建设的机场。

Description

一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器

技术领域

本发明属于飞机设计领域，涉及垂直起降复合式飞行器的布局形式，具体涉及利用三旋翼的倾转实现垂直或短距起降后高速平飞的长航时复合式飞行器布局形式。

背景技术

无论是海洋执法船的日常巡逻，还是“空海一体战”的发展趋势，非航母舰船迫切需要能够与之配合的空中力量。然而非航母舰载机的起降条件极为特殊，如：可供使用的甲板面积小、舰船波动大、海风影响大等。此外，在较小的岛礁上，环境条件与舰船相似，对飞行器也有同样的要求。因此，需要一种能够克服上述困难，具有垂直或短距起飞并且具有高速平飞能力的长航时飞行器，与非航母舰船编队或岛礁驻守人员配合，为其提供空中侦查和打击能力。

现有的垂直起降复合式飞机可分为五类：尾座式，倾转动力装置式，推力转向式，专用升力动力装置式和上述后三类的混合配置式。其中，尾座式飞机，具有可垂直起飞的优点，但由于其垂直放置的机身迎风面积太大，会受到海风的严重影响。另一方面，在尾座式飞机改变飞行模式(垂直起降和平飞转换)时控制比较复杂。由于尾座式飞机机身长度一般较短，因而对控制可靠性要求很高，而且飞机降落时须转为垂直向上，飞行员视野限制大，操作困难。推力转向式飞机具有矢量推进发动机，能够将推力进行90度转向，但其对发动机具有极高的要求。此外，在进行推力90度转向时，飞机飞行稳定性较差。专用升力动力装置式在起降状态具有较好的性能，但其缺点在于专用升力装置在平飞时变成了毫无作用的重量，减小了飞机的有效任务载荷。倾转动力装置式飞行器将动力装置进行倾转，克服了上述飞行器存在的不足之处。例如美国的V-22“鱼鹰”飞机，该飞行器结合了直升机垂直起降和固定翼飞机高速平飞的优点。但是V-22“鱼鹰”倾转机构太过复杂，技术难度和成本都高于传统直升机，而且复杂的动力和控制系统使得飞机的可靠性和飞行安全存在较大隐患。两个发动机附加在机翼外段，限制了机翼只能采用中等展弦比，影响了机翼的气动效率，同时发动机的动力和倾转增加了机翼的结构载荷，因而必须增加结构强度，从而增加了额外的重量。此外，旋翼受到了机翼的遮挡，影响了旋翼的效率。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，提出一种采用可倾转台架连接三旋翼动力系统的复合式飞行器布局方式。

本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器，固定翼部分包括机身、机翼、尾翼。机身上装载机载设备；机身两侧安装有机翼。尾翼为两个，分别安装在两根尾撑末端，采用V型尾翼布局；两根尾撑前端分别与机身两侧的机翼固定；两根尾翼间由加强板连接。

本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器，还具有三旋翼系统与可倾转支撑台架。所述三旋翼系统为三台螺旋桨发动机；可倾转台架通过倾转轴安装于机身末端。可倾转台架具有沿周向分布的三个发动机支撑机构，每个发动机支撑机构端部安装有一台上述螺旋桨发动机；在三台螺旋桨发动机轴线与水平面垂直时，三台螺旋桨发动机的动力输出方向均朝向正上方，且其中两台螺旋桨发动机分别位于机身左右两侧，相互对称，同时均位于机翼前方；另一台螺旋桨发动机位于机翼后方。

三旋翼系统中机翼前方两台螺旋桨发动机转速相同、转向相反；位于机翼后方螺旋桨发动机，采用矢量动力的方式消除反扭力矩。飞行器以三旋翼系统为动力，可以垂直起降，起飞后，通过连接倾转台架实现三旋翼的整体倾转并进行锁定，进入平飞模式。通过可倾转台架，可将三旋翼动力系统与大展弦比机翼解耦设计，使飞行器具有垂直起降和高速长航时平飞的能力，具有稳定、可靠、安全等优势。飞行器可部署于具备垂直起降平台的小型舰船上，也可部署于面积较小的岛礁上，不需专门建设的机场。

本发明的优点在于：

1、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，受海风影响小，对起降条件要求低，能够在非航母舰船或岛礁上垂直起降；

2、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，采用大展弦比机翼，可在姿态转换后进行长航时平飞，提供空中侦查和打击能力，为海军水面舰艇和陆战队远征部队提供卓越的作战能力。

3、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，巧妙地采用由可倾转台架将三旋翼系统倾转的方式，使得整个飞机的可靠性和飞行安全都得到了保证。

4、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，三旋翼系统通过可倾转台架和固定翼机身连接，使得机翼可以采用大展弦比的布局提高升阻比，并省去了对机翼的附加结构重量。

5、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，在平飞状态下，旋翼位于机翼附近，因此在不影响机翼原有气动性能的前提下，加速了机翼附近气流的流速，提高了机翼的效率。

6、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，三台螺旋桨发动机的差动在平飞时可辅助尾翼进行飞行控制，提高了飞行器控制能力，且在可倾转台架倾转三旋翼动力系统时，尾翼可增加飞行器的稳定性。

7、本发明一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，旋翼不受机翼遮挡，效率高。

附图说明

图1为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器垂直起降时结构示意图；

图2为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器平飞时结构示意图；

图3为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器中三旋翼动力系统与可倾转台架结构示意图；

图4为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器垂直起降时，可倾转台架姿态示意图；

图5为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器垂直起降时三台螺旋桨发动机位置关系示意图；

图6为本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器平飞时，可倾转台架姿态示意图；

图中：

1-机身 2-机翼 3-尾翼

4-三旋翼系统 5-可倾转支撑台架 6-加强板

7-尾撑 8-起落架 401-螺旋桨

402-螺旋桨发动机 501-倾转轴 502-旋翼系统安装架

502a-发动机支撑机构

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器，包括机身1、机翼2、尾翼3与三旋翼动力系统4与可倾转支撑台架5，如图1所示。

所述机身1上装载机载设备，如飞控系统、雷达、摄像头等和以及挂载机枪、导弹等武器系统，实现飞行任务。机身1两侧安装有相互对称的大展弦比机翼2，机翼2后缘设计有副翼。尾翼3为两个，均具有安定面和舵面；两尾翼3分别安装在两根尾撑7末端，采用V型尾翼布局。两根尾撑7前端分别与机身1两侧的机翼2固定，如图2所示，两根尾翼3间由加强板6连接起来，增加两根尾撑5刚度。

所述三旋翼系统4由三台螺旋桨发动机402及其各自对应的螺旋桨401构成的动力系统，如图3所示。每个螺旋桨发动机402对应一个螺旋桨401，螺旋桨401固定安装在螺旋桨发动机402的输出轴上，通过螺旋桨发动机402驱动螺旋桨401转动，为飞行器提供飞行动力。三个螺旋桨发动机402均安装在可倾转支撑台架5上。

所述可倾转支撑台架5包括倾转轴501与旋翼系统安装架502，如图3、图4、所示。其中，倾转轴501水平设置于机身1后端，两端分别与机身1左右侧壁通过轴承相连。旋翼系统安装架502为由3个发动机支撑机构502a构成的一体结构，实施例中采用发动机支撑机构采用支撑杆结构502a；其中3个发动机支撑机构502a周向分布且相接，相接位置安装在倾转轴501上。三个发动机支撑机构502a上分别安装三旋翼系统4中三台螺旋桨发动机402。由此，倾转轴501转动，可带动旋翼系统安装架502在竖直平面内0°～90°内的倾转，进而可实现三旋翼系统4中三台螺旋桨发动机402的动力输出方向的改变。令三台螺旋桨发动机402分别为螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B与螺旋桨发动机C；则当控制旋翼系统安装架502倾转至90°时，此时三台螺旋桨发动机402的动力输出方向均朝向正上方，如图4、图5所示；且螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B分别位于机身1左右两侧，相互对称，同时均位于机翼2前方；而螺旋桨发动机C位于机翼2后方，同时还位于螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B连线的水平中垂线上，此时飞行器飞行模式为垂直起降模式；而当旋翼系统安装架502倾转至0°时，飞行器飞行模式为平飞模式，如图6所示。

通过上述可倾转支撑台架5，实现飞行器飞行过程中动力和力矩的传递，且在飞行器飞行模式(垂直起降和平飞)转换时，提供主要的倾转力矩，将三旋翼系统4进行倾转，且本发明中，在飞行器飞行过程中，无需进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，三旋翼系统处于正常飞行状态，此时螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B始终保持转速相同，且螺旋桨发动机A、螺旋桨发动机B转向相反。螺旋桨发动机C采用矢量动力，通过控制螺旋桨发动机C的转速以及推力方向，可在飞行器需要进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，以及三旋翼系统4倾转过程中，消除反扭力矩。上述可倾转支撑台架5在倾转过程中，三旋翼系统4的重心始终位于倾转轴501上。

本发明倾转三旋翼长航时复合式飞行器的飞行过程具体为：

在飞行器飞行模式为垂直起飞时，由飞控系统对三个螺旋桨发动机402进行控制。在需要进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，可由飞控系统控制三台螺旋桨发动机402动力的差动来实现，且通过飞控系统控制螺旋桨发动机C转速以及推力方向消除反扭力矩。在飞行器飞到合适高度后，由飞控系统对三台螺旋桨发动机402差动控制，产生使三旋翼动力系统4产生绕倾转轴501转动的力矩，可倾转支撑台架5进行随动转动，并提供一定的辅助倾转力矩；倾转过程中，由两个尾翼3维持飞行器的稳定；由此通过飞控系统对三旋翼系统4中三个螺旋桨401进行速度调节，以及对三旋翼系统4的倾转控制，改变推力方向和推力大小，使飞行器平稳过渡至高速平飞模式。随后，由飞控系统控制可倾转台架5将三旋翼系统4进行锁定。飞行器平飞时，通过飞控系统对机翼2的副翼、两尾翼3的舵面9进行调节，并对三旋翼动力系统的三台螺旋桨发动机402进行差动控制，实现飞行器的俯仰、滚转以及偏航操纵，以完成各种飞行任务。在准备降落时，同样由飞控系统控制可倾转台架5将三旋翼系统4的锁定解除，由飞控系统对三台螺旋桨发动机402差动控制，使三旋翼动力系统4缓慢调节自身角度，倾转轴501随动，飞行器进入水平减速状态。通过飞控系统控制三旋翼系统4中三台螺旋桨发动机402进行速度调节，以及三旋翼系统4的倾转角度控制，使飞行器平稳过渡至垂直起降模式。通过飞控系统对三个螺旋桨发动机402进行控制，实现飞行器的俯仰、滚转以及偏航操纵，从而稳定的垂直降落。

本发明中在各个螺旋桨发动机402底部均安装有起落架8，进而在飞机垂直起降时，三个起落架8刚好朝向地面且位于机身下方，如图1所示，通过三个起落架8实现飞机在地面上的平稳起飞和降落。

Claims (6)

1.一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，固定翼部分包括机身、机翼、尾翼；机身上装载机载设备；机身两侧安装有机翼；尾翼为两个，分别安装在两根尾撑末端，采用V型尾翼布局；两根尾撑前端分别与机身两侧的机翼固定；两根尾翼间由加强板连接；其特征在于：还具有三旋翼系统与可倾转支撑台架；

所述三旋翼系统为三台螺旋桨发动机；可倾转支撑台架通过倾转轴安装于机身末端；所述可倾转支撑台架包括倾转轴与旋翼系统安装架；其中，倾转轴两端分别与机身左右侧壁通过轴承相连；旋翼系统安装架为由4根支杆构成的一体结构；其中3根支杆为发动机安装杆，另一根支杆为倾转驱动杆；倾转驱动杆的输入端与倾转轴中心位置固连，倾转驱动杆的输出端与周向均布的3根旋翼系统安装杆的连接端相接，且三根旋翼系统安装杆均朝向倾转驱动杆的输入端倾斜；三根旋翼系统安装杆的安装端分别与三旋翼系统中三台螺旋桨发动机连接；在三台螺旋桨发动机轴线与水平面垂直时，三台螺旋桨发动机的动力输出方向均朝向正上方，且其中两台螺旋桨发动机分别位于机身左右两侧，相互对称，同时均位于机翼前方；另一台螺旋桨发动机位于机翼后方。

2.如权利要求1所述一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：三旋翼系统的重心始终位于倾转轴上。

3.如权利要求1所述一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：在飞行器飞行过程中，无需进行俯仰、滚转以及偏航操纵时，位于机翼前方的两个螺旋桨发动机转速相同、转向相反。

4.如权利要求1所述一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：位于机翼后方的螺旋桨发动机采用矢量动力的方式消除反扭力矩。

5.如权利要求1所述一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：三台螺旋桨发动机底部均安装有起落架。

6.如权利要求1所述一种倾转三旋翼长航时复合式飞行器，其特征在于：机翼采用大展弦比机翼。