CN106005385A - 一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，属于航空器设计制造技术领域。旋翼在发动机的驱动下共轴反转，去掉现有共轴双旋翼系统中桨轴上的自动倾斜器等有关操纵的部件，旋翼操纵控制由多旋翼系统实现。所述的多旋翼系统包括四根支架、四个小旋翼和四个电机，所述支架固定在机身上位于桨轴中心的位置，在每根支架的尾端都设置有一个小旋翼和一个电机，所述小旋翼由各自的电机进行驱动。本发明利用油动共轴双旋翼提供升力，可实现较长时间，较大载荷飞行，气动效率高，结构紧凑；利用电动小旋翼对直升机进行航向俯仰等操纵，稳定、快速、有效。

Description

一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机

技术领域

本发明属于航空器设计制造技术领域，特别是涉及一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机。

背景技术

俄罗斯卡莫夫设计局发展了一系列共轴双旋翼直升机，在共轴式直升机型号研制、理论实验研究方面均走在世界前列，两个著名共轴式直升机系列即Ka-25与Ka-50系列。20世纪50年代开始，世界各国对于共轴双旋翼布局、气动特性等问题进行了大量实验及研究。北京航空航天大学于20世纪90年代初开始了“海鸥”共轴式直升机的研制,并取得了成功,填补了国内在这一领域的空白。

由于共轴式直升机没有常规布局中的尾桨及其传动系统，其所需的功率相对单旋翼带尾桨直升机所需的功率要少；同时，共轴式直升机具有更加紧凑的结构，相对于单旋翼带尾桨直升机尺寸要减少35％～40％，进而拥有较小的惯性矩，从而增加共轴式直升机的可控性和机动性。

但是，由于操纵系统部分和上下旋翼桨毂这些非流线形状部件的数量多于单旋翼直升机，体积也大于单旋翼直升机，并都暴露在流场之中，因而共轴式直升机的废阻面积大于单旋翼直升机。而共轴式直升机的操纵系统相当复杂，两副旋翼分别拥有各自的自动倾斜器，且通过若干拉杆组成连杆机构，使得两个自动倾斜器始终平行。共轴式直升机的纵横向操纵是通过操纵下旋翼自动倾斜器的不动环再通过拉杆机构改变上旋翼自动倾斜器从而使上下旋翼的锥体保持平行的运动。航向操纵则是通过改变上下旋翼的总距。直升机有两种典型的航向操纵结构形式即半差动和全差动形式。其复杂的操纵系统给直升机的重量及功率带来不小的负担，且增加很大制造维护成本。而共轴式直升机的操纵均通过自动倾斜器实现对桨叶运动操纵，属于间接操纵，且由于直升机操纵存在耦合，导致其操纵响应滞后、灵敏度低、效率低，使得无人直升机的飞控方面有很大难度。

多旋翼系统体积小、重量轻，适合多平台、多空间使用，结构简单，安全性好，成本较低，且易于维护，在国内外被广泛研究与应用。其控制操纵系统是微机电系统集成的产物，发展研究较为成熟。电动机伺服特性好，通过对电动机的转速进行控制，实现各种飞行动作，由于旋翼所产生的升力大小与速度项成二次方关系，故其操纵迅速、直接有效。但是由于多旋翼无人机电池等方面原因，其航程、航时与载荷均不能太大，一般不超过15kg，大大限制了它的应用。

发明内容

为了克服上述共轴式直升机以及多旋翼无人机存在的问题，本发明提供了一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，以解决现有共轴式直升机操纵响应滞后、灵敏度低、效率低、操纵复杂困难，并解决其操纵系统繁杂带来的制造维护问题，还有多旋翼无人机航程、航时与载荷过小等问题。

本发明的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，共轴双旋翼的操纵控制采用多旋翼系统实现。共轴双旋翼由桨叶和桨毂组成，上下各一副旋翼在发动机的驱动下共轴反转，去掉现有共轴双旋翼系统中桨轴上的自动倾斜器等有关操纵的部件，旋翼操纵控制由多旋翼系统实现。所述的多旋翼系统包括四根支架、四个小旋翼和四个电机，所述支架长条状，每根支架都固定在机身上位于桨轴中心的位置，相邻两个支架互成90°角，并且支架与机身轴线成45°角，四根支架所在平面与机身水平面平行。四根支架可通过合页与锁紧装置，折叠放在机身两侧，以节省存放空间。在每根支架的尾端都设置有一个小旋翼和一个电机，所述小旋翼由各自的电机进行驱动，电机动力由电池提供，所述小旋翼由可配平共轴双旋翼产生力矩的四旋翼飞控系统进行控制。

本发明的优点在于：

(1)利用油动共轴双旋翼提供升力，可实现较长时间，较大载荷飞行，气动效率高，结构紧凑。

(2)利用电动小旋翼对直升机进行航向俯仰等操纵，稳定、快速、有效。

附图说明

图1为本发明提供的基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机总体示意图；

图2为本发明中的多旋翼系统布置示意图；

图3为本发明中多旋翼系统折叠收起示意图；

图4为本发明中的双油动发动机及传动系统示意图；

图中：

1-共轴双旋翼； 2-机身； 3-起落装置； 4-多旋翼系统；

5-发动机； 6-传动装置； 401-支架； 402-小旋翼；

403-电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明提供一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，采用电机驱动的多旋翼系统对共轴双旋翼进行横向、纵向和航向操纵控制。

如图1所示，本发明提供的基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，包括共轴双旋翼1、机身2、起落装置3(滑橇式起落架和滑轮)和多旋翼系统4。现有共轴直升机中的共轴双旋翼的纵向、横向以及航向操纵控制是由自动倾斜器及其相关组件实现。而本发明提供的油电混合共轴直升机中的共轴双旋翼的纵向、横向以及航向操纵控制，是由多旋翼系统4实现的，故旋翼上不需要自动倾斜器以及相关复杂的连杆机构以及舵机操纵机构，如图4所示，所述的共轴双旋翼1在发动机5(油动力)的驱动下实现上下各一副旋翼共轴反转，所述的共轴双旋翼1的桨毂直接与发动机5的输出轴连接，共轴双旋翼1的旋转动力由动力系统中的油动发动机5通过传动装置6(减速箱及传动轴)提供。对共轴双旋翼1的纵向、横向以及航向操纵由多旋翼系统4实现。共轴双旋翼1的桨距角固定，可在地面时预先调好。

参见图2与图3，本发明中所述的多旋翼系统4担任控制系统的重要角色，所述的多旋翼系统4包括支架401、小旋翼402和电机403，以共轴式直升机机身2上桨轴中心线为中心，机身2上周向均匀安装四根支架401，相邻两个支架401呈90°角，每根支架401与机身2的轴线呈45°角。四根支架401所在平面与机身2的水平面平行，支架401大小应配合共轴式直升机的尺寸进行设定。所述的小旋翼402和电机403位于每根支架401的尾端，四个小旋翼401由各自的电机403进行驱动，电机403由电池提供动力，如图2所示。如图3所示，四根支架401与机身之间为合页连接，当多旋翼系统4不工作时，即不需要多旋翼系统4的操作控制时，四根支架401折叠收起放在机身2两侧，与起落装置3中的滑橇式起落架平行，以节省存放空间。同时，在所述的支架401与机身2之间设置锁紧装置，对支架401的展开状态和折叠状态进行锁紧控制。

所述的多旋翼系统4可提供小部分的升力，主要进行飞行器的纵向、横向以及航向操纵。多旋翼系统4进行各种操纵主要依赖位于各支架401尾端的小旋翼402实现，具体为：

所述的小旋翼402一共有四个，分别位于机身左前方、机身左后方、机身右后方和机身右前方。当进行纵向操纵时，机身左前方和后前方的小旋翼保持同样转速V1，提供同样大小的升力；机身左后方和右后方的小旋翼保持同样转速V2；当V1大于V2时，直升机便会抬头，反之便会低头。当进行横向操纵时，机身左前方和左后方的小旋翼同转速V3，机身右后方和右前方的小旋翼同转速V4，当V3大于V4时，共轴直升机便会向右滚转，反之便会向左滚转。当进行航向操纵时，控制相反转向的小旋翼表现不同转速产生大小不同的扭矩进而产生偏航力矩，实现航向操纵，例如机身左前方和右后方的小旋翼转向为逆时针转向(从上往下看)，转速V5，左后方和右前方的小旋翼转向为顺时针转向(从上往下看)，转速V6，如果转速V5小于转速V6时，左前方和右后方的小旋翼所产生的扭矩就小于左后方和右前方的小旋翼产生的扭矩，所以共轴直升机便会向逆时针方向(从上往下看)偏航。

由于本发明中共轴双旋翼没有自身控制系统，直升机的稳定以及控制全靠多旋翼系统4来实现，需要对多旋翼系统4的性能进行设计计算。稳定方面，由于共轴双旋翼1在前飞过程中会有挥舞，产生后倒以及侧倾力矩，力矩值随前飞速度而变化，通过计算选择最优的支架401长度、电机403功率、桨叶形状和长度、电调以及电池，结合可使电动多旋翼配平以上所述操纵力矩的多旋翼飞控系统，实现利用多旋翼进行直升机的稳定飞行。控制方面，利用多旋翼系统4产生与原共轴式直升机周期变距操纵等效的操纵力矩，得到多旋翼系统4各项参数。

综上所述，本发明提供的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，既拥有共轴式直升机气动效率高，结构紧凑，尺寸小，载荷大等优点，又兼有多旋翼良好的稳定性和直接有效的控制。解决了现有共轴式直升机操纵系统繁琐复杂带来的使用维护、额外废阻，并解决通过共轴双旋翼实现操纵而带来的操纵响应滞后、灵敏度低、效率低、操纵复杂困难等问题，克服了多旋翼无人机航程、航时与载荷过小等缺点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明设计思想的一个实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的设计方案实施修改，或对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，包括共轴双旋翼、机身和起落装置，其特征在于：所述的共轴双旋翼桨距角固定，采用多旋翼系统进行横向、纵向和航向操纵控制；所述的多旋翼系统包括支架、小旋翼和电机，所述支架固定在机身上，所述小旋翼和电机固定在所述支架上，电机驱动小旋翼旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，其特征在于：所述支架长条状，每根支架都固定在机身上位于桨轴中心的位置，相邻两个支架互成90°角，并且支架与机身轴线成45°角，四根支架所在平面与机身水平面平行；在每根支架的尾端都设置有一个小旋翼和一个电机，所述小旋翼由各自的电机进行驱动，电机动力由电池提供。

3.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，其特征在于：所述支架与机身之间通过合页连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，其特征在于：在所述支架与机身连接处设置锁紧装置。

5.根据权利要求1所述的一种基于多旋翼操纵的油电混合共轴直升机，其特征在于：当进行纵向操纵时，机身左前方和后前方的小旋翼保持同样转速V1，提供同样大小的升力；机身左后方和右后方的小旋翼保持同样转速V2；当V1大于V2时，直升机便会抬头，反之便会低头；当进行横向操纵时，机身左前方和左后方的小旋翼同转速V3，机身后后方和后前方的小旋翼同转速V4，当V3大于V4时，共轴直升机便会向右滚转，反之便会向左滚转；当进行航向操纵时，控制相反转向的小旋翼表现不同转速产生大小不同的扭矩进而产生偏航力矩，实现航向操纵。