CN106043684B - 一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，属于航空飞行器总体与气动设计技术领域。所述的复合式飞行器包括机身、机翼、尾翼、特型旋翼和矢量推进桨，所述的机翼分为支撑段机翼和中段机翼两部分，支撑段机翼位于中段机翼的两端。本发明同时具有垂直起飞降落与高速平飞的能力，并且可在空中进行这两种模式的转换；平飞速度、航程和航时将相比常规直升机提高约50％，具有更大的作业范围和更高的作业能力，将来可代替直升机。

Description

一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器

技术领域

本发明提出一种通过对旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器机翼的折叠，支撑固定旋翼，形成双翼布局的新概念飞行器，实现优异的垂直起降及高速平飞性能，属于航空飞行器总体与气动设计技术领域。

背景技术

常规直升机，由于前飞工作环境下旋翼的气流不对称，使得前飞最大速度受到前行桨叶压缩性影响及后行桨叶气流分离的限制，最大巡航速度通常在300km/h左右；固定翼飞机则无法完成悬停和低速飞行。而复合式直升机结合了直升机和固定翼飞机的飞行特点，从而兼具两者能力，其应用前景十分宽广，经济前景良好。国外现有成熟的垂直起降飞行器，例如V-22鱼鹰式倾转旋翼机、基于停转旋翼技术的X-50A“蜻蜓”，结合了直升机及固定翼飞机的优点，兼具垂直起降及高速平飞性能。

目前一种新型垂直起降新概念是将旋翼与固定翼结合，其飞行状态转换由以下几个部分组成：在起飞时，与普通直升机相似，由旋翼产生的升力垂直起飞；到达一定高度后，逐渐增加前飞推进装置的推力，使飞行器获得一定的水平速度，同时减小旋翼转速；当平飞速度增至可以使固定翼面产生足够的升力时，将旋翼转速降为零，同时旋翼与固定翼保持平行，形成类双翼布局。目前这种布局的混合式直升机已经成功实现了飞行，初步实现了垂直起降飞行、高速水平飞行和转换过渡飞行，有较好的效果。

目前成熟的垂直起降飞行器，具有以下不足：

1、基于倾转旋翼技术的垂直起降飞行器转换控制复杂。

2、基于停转旋翼技术的垂直起降飞行器旋翼在平飞模式下是主要承力部件，而旋翼一般展弦比较大，整体结构刚度较一般的固定翼面低，在飞行速度较快时容易发生颤振等气动弹性问题，不利于高速飞行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明设计了一种通过折叠机翼支撑特型旋翼形成双翼布局的旋翼机翼可联结的复合式飞行器，所述飞行器主要由特型旋翼、机翼、矢量推进桨、机身和尾翼组成，其中机翼分为中段机翼及其两端的支撑段机翼。该飞行器有两种飞行模式，即垂直起降飞行模式和平飞模式。垂直起降模式下，特型旋翼旋转产生垂直升力，中段机翼上的矢量推进桨用于克服旋翼反扭矩，飞行器可以垂直起飞和降落并作悬停飞行和低速飞行。在由垂直起降模式转换过渡至平飞模式飞行过程中，矢量推进桨推力增大，飞行器逐渐加速，特型旋翼停转锁定，机翼的升力逐渐加大，随后通过向上折叠支撑段机翼，用其梢部的固定装置锁定特型旋翼，形成双翼布局；在由平飞模式转换过渡至垂直起降模式飞行过程中，解除固定，支撑段机翼展平，随后特型旋翼启动旋转。旋翼固定支撑系统由支撑段机翼和位于梢部的固定装置组成。

本发明的优点在于：

(1)可以实现快速地垂直起飞和降落，对起降场地要求较低。

(2)可以实现高速的平飞，具有较大的航程和航时。

(3)同时具有垂直起飞降落与高速平飞的能力，并且可在空中进行这两种模式的转换。

(4)特型旋翼与常规直升机的旋翼相似，具有相同的飞行效率，垂直起降飞行性能和低速飞行性能与常规直升机相近，而平飞速度、航程和航时将相比常规直升机提高约50％，具有更大的作业范围和更高的作业能力，将来可代替直升机。

(5)该飞行器的机翼和尾翼与常规固定翼飞机的机翼和尾翼相似，该飞行器在平飞模式时与常规固定翼飞机具有相同的飞行效率，平飞性能与常规固定翼飞机相近，而与常规固定翼飞机相比则具有垂直起飞降落与低速飞行的能力，更适用于野外使用和低空低速作业。

(6)该飞行器的特型旋翼、机翼、尾翼和矢量推进桨可独立控制，并且相互之间的干扰较小，垂直起降模式和平飞模式可在空中实现平稳的转换过渡，相比尾坐式垂直起降飞行器、倾转旋翼机、倾转机翼式垂直起降飞行器等具有更高的安全性和舒适性。

(7)在平飞模式下，通过机翼旋翼的联结，固定支撑旋翼提高旋翼刚度，规避了旋翼的气动弹性问题引起的速度限制问题，使得飞行器可以达到较高的飞行速度。

附图说明

图1为本发明提供的旋翼机翼可联结的复合式飞行器的垂直起降模式示意图。

图2为本发明提供的旋翼机翼可联结的复合式飞行器的平飞模式示意图。

图3为本发明提供的旋翼机翼可联结的复合式飞行器的中支撑段机翼和中段机翼的折叠机构示意图。

图4为本发明中支撑段机翼与特型旋翼之间固定装置固定装置固定装置的结构示意图。

1.特型旋翼；2.支撑段机翼；3.折叠铰链；4.固定装置；5.矢量推进桨；

6.机身；7.尾翼；8.中段机翼。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，如图1所示，所述飞行器包括特型旋翼1、支撑段机翼2、矢量推进桨5、机身6、尾翼7和中段机翼8，所述的中段机翼8及其两端的支撑段机翼2组成所述飞行器的机翼。所述特型旋翼1位于机身6从前向后约40％长度处的上方，其叶片的平面形状为等腰梯形，叶片长度与平均宽度比为6-10，相比常规直升机旋翼叶片(长宽比15-20)较宽，梢根比约0.6，选用相对厚度8％-12％、上下曲线皆为椭圆曲线的前后对称的翼型。所述中段机翼8与机身6连接处位于机身下方，中段机翼8的几何中心与特型旋翼1的中心重合，中段机翼8的面积为特型旋翼1旋转状态桨盘面积的20％-25％，中段机翼8翼展等于特型旋翼1的直径，中段机翼8选用相对厚度10％-15％的高升阻比翼型。所述支撑段机翼2有两个，对称布置于中段机翼8的两端，其根部的宽度与中段机翼8的梢部宽度相等，其长度等于中段机翼8与特型旋翼1的间距，选用的翼型与中段机翼8相同。所述矢量推进桨5有两个，对称布置于中段机翼8的后缘处，两者的间距为中段机翼8的展长的0.8倍，矢量推进桨5轴线方向可向上或向下偏转20度，可以产生水平推力和一定的向上或向下的推力，两边同时反向偏转就可以提供滚转控制力矩，控制两边的推力不相等则可以产生偏航力矩。所述尾翼7位于机身6尾部，尾翼7前缘中点到特型旋翼1中心的距离等于特型旋翼1的半径，尾翼7包括垂直尾翼和水平尾翼，所述垂直尾翼的面积为中段机翼8的面积的8％-12％，展弦比约为2.5；所述水平尾翼面积为中段机翼8面积的15-20％，展弦比为5-8；所述的垂直尾翼和水平尾翼均选用相对厚度8％-12％的上下对称翼型。如图3所示，所述支撑段机翼2与中段机翼8通过折叠铰链3连接，可实现支撑段机翼2与中段机翼8平行或呈90°位置调节，以及在飞行过程中动态折叠。所述折叠铰链3选用普通机械铰链，支撑段机翼2的折叠运动通过伺服装置驱动，与普通飞行器起落架的驱动原理相同。如图4所示，在支撑段机翼2的梢部布置有固定装置4，所述的固定装置4可以实现支撑段机翼2在向上折叠90度后与特型旋翼1之间的位置固定。所述的固定装置4采用电磁线圈，并在特型旋翼1叶片梢部内安装永磁体，当特型旋翼1停转并锁定后支撑段机翼2向上折叠并与特型旋翼1梢部接触时，接通固定装置4的电磁线圈电源，产生吸力作用于特型旋翼1梢部内的永磁体，使得支撑段机翼2的梢部与特型旋翼1的梢部固连。同时固定装置4为“C”型结构，可限制特型旋翼1由气动力和弹性变形引起的上下挥舞运动。

本发明提供的旋翼机翼可联结的复合式飞行器有两种飞行模式，即垂直起降飞行模式和平飞模式。如图1所示的垂直起降模式下，特型旋翼1旋转产生垂直升力，中段机翼8上的矢量推进桨5用于克服旋翼反扭矩，飞行器可以垂直起飞和降落并作悬停飞行和低速飞行。该飞行器由垂直起降模式向平飞模式转换的过程中，矢量推进桨5增大推力，逐渐加大平飞速度，为特型旋翼1减载，特型旋翼1转速逐渐降为零，停止转动并被锁定在与固定翼保持平行的位置，随后支撑段机翼2绕折叠铰链3向上偏转90°，其梢部靠近特型旋翼1的梢部，随后固定装置4固定特型旋翼1的梢部，使之不会因气动力作用和本身结构的弹性变形而作上下挥舞运动，由此将特型旋翼1和支撑段机翼2联结，形成如图2所示平飞模式。整架飞行器呈双翼布局进行平飞。而在由平飞模式向垂直起降模式转换的过程中，固定装置4解除联结，支撑段机翼2展平，随后特型旋翼1开始加速旋转产生升力和控制力矩，飞行器减速飞行转变为垂直起降模式。

Claims (4)

1.一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，包括机身、机翼和尾翼，其特征在于：还包括特型旋翼和矢量推进桨，所述的机翼分为支撑段机翼和中段机翼两部分，支撑段机翼位于中段机翼的两端；

所述特型旋翼位于机身从前向后40%长度处的上方，其叶片的平面形状为等腰梯形，叶片长度与平均宽度比为6-10，梢根比0.6，选用相对厚度8%-12%、上下曲线皆为椭圆曲线的前后对称的翼型；

所述支撑段机翼与中段机翼通过折叠铰链连接，实现支撑段机翼与中段机翼平行或呈90°位置调节，以及在飞行过程中动态折叠；所述折叠铰链选用机械铰链，支撑段机翼的折叠运动通过伺服装置驱动，在支撑段机翼的梢部布置有固定装置，所述的固定装置实现支撑段机翼在向上折叠90度后与特型旋翼之间的位置固定；

所述中段机翼与机身连接处位于机身下方，中段机翼的几何中心与特型旋翼的中心重合，中段机翼的面积为特型旋翼旋转状态桨盘面积的20%-25%，中段机翼翼展等于特型旋翼的直径，中段机翼选用相对厚度10%-15%的高升阻比翼型；

所述矢量推进桨有两个，对称布置于中段机翼的后缘处，两者的间距为中段机翼的展长的0.8倍，矢量推进桨轴线方向可向上或向下偏转20度，能够产生水平推力和向上或向下的推力，两边同时反向偏转提供滚转控制力矩，控制两边的推力不相等则产生偏航力矩。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，其特征在于：所述支撑段机翼有两个，对称布置于中段机翼的两端，其根部的宽度与中段机翼的梢部宽度相等，其长度等于中段机翼与特型旋翼的间距，选用的翼型与中段机翼相同。

3.根据权利要求1所述的一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，其特征在于：所述尾翼位于机身尾部，尾翼前缘中点到特型旋翼中心的距离等于特型旋翼的半径，尾翼包括垂直尾翼和水平尾翼，所述垂直尾翼的面积为中段机翼的面积的8%-12%，展弦比为2.5；所述水平尾翼面积为中段机翼面积的15-20%，展弦比为5-8；所述的垂直尾翼和水平尾翼均选用相对厚度8%-12%的上下对称翼型。

4.根据权利要求1所述的一种旋翼机翼可联结的复合式飞行器，其特征在于：所述的固定装置采用电磁线圈，并在特型旋翼叶片梢部内安装永磁体，当特型旋翼停转并锁定后支撑段机翼向上折叠并与特型旋翼梢部接触时，接通固定装置的电磁线圈电源，产生吸力作用于特型旋翼梢部内的永磁体，使得支撑段机翼的梢部与特型旋翼的梢部固连；同时固定装置为“C”型结构，限制特型旋翼由气动力和弹性变形引起的上下挥舞运动。