CN106428547A - 一种带可自动收放多旋翼的垂直起降固定翼飞机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安装有可收放的多旋翼组件、能垂直起降的固定翼飞机。方案中包括固定翼组件，可收放的多旋翼组件，多旋翼收放控制机构，可开关的多旋翼舱门和舱门开关控制机构。其特点是飞机在起降阶段或者飞机需要空中悬停时，机身下部的可收放多旋翼组件展开，提供垂直起降能力；在飞机高速巡航时，多旋翼组件收入机身内部，关闭多旋翼舱门，保持固定翼飞机的气动性能。同时在垂直起降、悬停和高速巡航状态下都能取得最高的能量使用效率，使得飞机同时具有较大的垂直起降重量和较长的航程。该飞机提供了一种低成本、高能效的垂直起降固定翼无人机解决方案，具有广泛的用途，特别适用于点对点的物品运输、长距离巡视等行业应用。

Description

一种带可自动收放多旋翼的垂直起降固定翼飞机

所属技术领域

本发明涉及一种垂直起降的固定翼飞机，其特点是飞机在起降阶段或者飞机需要空中悬停时，机身下部的可收放多旋翼组件展开，提供垂直起降能力；在飞机高速巡航阶段时，多旋翼组件收入机身内部，关闭舱门，保持固定翼飞机的气动性能。

背景技术

众所周知，固定翼飞机利用机翼相对气流运动产生升力抵抗重力，利用舵面的偏转进行控制，具有飞行速度快、航程远、载重大、能量效率高等优点，缺点就是起降需要长距离跑道，无法实现空中悬停；旋翼飞机利用一个(直升机)或多个旋翼产生拉力抵抗重力，利用通过控制旋翼的旋转平面与水平面倾斜角来提供飞机水平运动的动力，具有结构简单，能够垂直起降和空中悬停的优点，缺点就是速度慢、航程短、载重小、能量效率低；因此，很多人一直都想结合固定翼飞机的高的飞行效率和旋翼飞机能够空中悬停和垂直起降的优点。倾转旋翼则是一种解决方案，如美国著名的V22鱼鹰飞机，即当旋翼旋转平面与重量方向垂直时，飞机处于旋翼模式，可以进行垂直起降和悬停，当飞机需要向前运动的固定翼模式时，旋翼倾转至旋转平面与地面平行作为前进动力。还有一种解决方案，即固定翼飞机整体倾转，如专利号201120452053.9所述方案，当飞机机翼弦线垂直地面，即旋翼旋转面平行于地面时，旋翼提供的是抵抗重力的拉力，飞机可以垂直起降和进行空中悬停，当机翼弦线平行于地面，而旋翼旋转面与地面垂直时，飞机处于固定翼的高速巡航阶段，本质上将仍旧是倾转旋翼的解决方案。以上两种解决方案实现了固定翼飞机垂直起降能力，但仍旧不是最优的解决方案，因为用于固定翼推进动力和用于悬停的螺旋桨有着完全相反的设计要求，用于推进的螺旋桨需要小直径、大桨距、小推力，而用于悬停的螺旋桨则要求是大直径、小桨距、大推力，一般倾转旋翼解决方案提供的螺旋桨是在气动设计上是折中的，兼顾推进和悬停，但二者的能量效率都达不到最高状态。也有人曾经考虑在固定翼飞机上安装旋翼机构，来实现垂直起降，但是由于旋翼机构暴露在气流中会造成极大的阻力，难以实现高效率固定翼方式巡航。

当前，很多人采用电池、无刷电机和螺旋桨来为无人机提供动力，具有效率高、无污染和寿命长的优点，在蓄电池技术未有革命性突破之前，电池能量密度一定的情况下，如何提高能量利用的效率，进而提高有效载荷能力、留空时间和航程，成为无人机广泛应用的关键。本发明采用一种新型的垂直起降固定翼解决方案，实现了多旋翼状态和固定翼状态都能按照最优能量使用效率的要求进行设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现固定翼飞机的垂直起降和空中悬停，同时在高速巡航和垂直起降(或空中悬停)两种状态下都能取得最高的能量使用效率，使得飞机同时具有较大的垂直起降重量和较长的航程。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是设计一种安装有可收放的多旋翼组件的固定翼飞机。方案中包括固定翼组件，可收放的多旋翼组件，多旋翼收放控制机构，可开关的多旋翼舱门和舱门开关控制机构。

进一步的，所述飞机在垂直起降和空中悬停时，多旋翼组件将展开至固定翼组件的机身两侧，提供垂直起降和空中悬停的动力，飞机在高速巡航状态下多旋翼组件将收至固定翼组件的机身内部，并关闭多旋翼舱门，保持固定翼组件的高气动效率，固定翼组件采用在高速推进时能量效率最高的动力方式，多旋翼组件采用在低速悬停时能量效率最高的动力方式，从而实现飞机在高速巡航和垂直起降(或空中悬停)两种飞行状态下能量使用效率都达到最优；

进一步的，所述可收放的多旋翼组件，安装在固定翼组件的机身下部区域，所述多旋翼收放控制机构安装在固定翼组件的机身内部，用于控制多旋翼组件的收放，可开关的多旋翼舱门安装在固定翼组件的机身两侧下部，由舱门开关控制机构控制舱门开关；

进一步的，所述可收放的多旋翼组件由四个旋翼动力组件组成，每个旋翼动力组件由一个或者两个无刷电机和一个或者两个螺旋桨组成，旋翼动力组件安装在悬臂的一端，悬臂与固定翼组件的机身相连接，所述多旋翼组件共采用两根悬臂，每根悬臂的两端分别安装一个旋翼动力组件；

进一步的，所述可收放多旋翼组件，两根悬臂以X型交叉安装，在X型交叉点处，两根悬臂通过转轴安装在固定翼组件的机身内部，悬臂可绕交叉点的转轴转动，当两根悬臂沿相反方向绕转轴旋转至与固定翼组件的机身成一定角度时，旋翼动力组件伸出至机身外部，多旋翼组件为展开状态，当悬臂绕转轴旋转至与固定翼组件的机身平行时，旋翼动力组件收起至机身内部，多旋翼组件为收起状态；

进一步的，多旋翼组件的两根悬臂，其中一根悬臂位于另一根的上方，与上方悬臂相连的旋翼动力组件安装于该悬臂的下表面附近，与下方悬臂相连的旋翼动力组件安装于该悬臂的上表面附近，使得四个动力组件实际位于同一平面内，两根悬臂通过共轴双转轴机构相互约束，外部转轴与上悬臂固定，并受到固定翼组件的机身下侧的约束，内部转轴与下悬臂相固定，并受到固定翼组件的机身上侧的约束；

进一步的，所述多旋翼收放控制机构由大扭力舵机、舵机连杆、滑块和插销组成，两根悬臂上安装有卡扣，两个插销的下端分别与卡扣固定，两个插销的上端分别插入滑块上的两个横向滑槽中，舵机转动带动舵机连杆，舵机连杆另外一端插入滑块的另一个横向滑槽中，舵机的转动驱动舵机连杆运动，连杆另外一端在滑块的横向滑槽中运动，这样就驱动滑块前后运动，滑块的前后运动通过插销带动卡扣的前后运动，从而控制悬臂的收放，实现了由一个舵机驱动整个多旋翼组件的展开和收起，上下两根悬臂都有止动卡位，当悬臂处于完全展开状态时，与上悬臂固定的插销将与下悬臂的止动卡位接触，而与下悬臂固定的插销将与上悬臂的止动卡位接触，从而防止悬臂的过度展开；

进一步的，所述多旋翼舱门和舱门收放机构由安装在固定翼组件的机身下部的舱门、舱门摇臂、连杆、舵机、舵机摇臂以及一些铰链组成，舱门通过铰链与固定翼组件的机身下部边缘连接，连杆一端联接舵机摇臂，另外一端与舱门摇臂连接在一起，舵机的转动带动舱门的收放；此舱门收放方案的主要优点是所有机构都位于机身内部或舱门内侧，从而不影响固定翼组件高速巡航的气动外形，并且舱门可以旋转180度紧贴固定翼组件的机身两侧，避免舱门开启后对多旋翼机构展开时吸气区域的遮挡；

进一步的，所述固定翼组件的推进动力组件是以电或燃油为能源的螺旋桨、涵道或涡轮喷气式发动机；

进一步的，所述固定翼组件一般包括机翼(包括安装在后缘外侧的一对副翼)、垂尾(包括安装在其后缘的方向舵)、平尾(包括升降舵)、机身组件和固定翼推进动力组件，气动布局通常采用常规的气动布局，或者飞翼布局，无尾布局，无论采用何种布局，其特殊之处在于机身下部都要留有多旋翼组件和收放控制机构的安装和收纳空间；

通过上述的设计方式，对于用于空中悬停和垂直起降的多旋翼组件的动力组件可以按照低速大推力工况进行设计，如采用低转速大扭矩无刷电机加大直径小桨距螺旋桨，对于固定翼组件的推进动力组件按照高速小推力工况进行设计，如采用高转速小扭矩的无刷电机加小直径大桨距螺旋桨，或者采用电动涵道，或者采用以燃油为动力的活塞或涡喷发动机，在固定翼飞机高速巡航时将用于垂直起降和空中悬停的多旋翼机构收起在机身内部，保持固定翼飞机的高效的气动性能，从而实现在垂直起降、空中悬停和高速巡航时都达到最高能量使用效率。

附图说明

下面，通过附图对本发明进行说明。

图1多旋翼组件展开、舱门打开(下视)示意图

图2多旋翼组件展开、舱门打开(上视)示意图

图3多旋翼组件收起、舱门关闭(上视)示意图

图4多旋翼组件收起、舱门关闭(下视)示意图

图5多旋翼组件收起、舱门隐藏(下视)示意图

图6多旋翼收放控制组件爆炸图

图7多旋翼组件收起示意图

图8多旋翼组件展开示意图

图9多旋翼收放控制组件(收起)示意图

图10多旋翼收放控制组件(收起)示意图

图11多旋翼收放控制机构止动卡位示意图

图12舱门收放控制机构爆炸图

图13舱门及舱门收放机构(收起)示意图

图14舱门及舱门收放机构(展开)示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施示例，对本发明进行详细说明。

显然，所述的实例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，本发明实例中，安装有可收放多旋翼机构的垂直起降固定翼飞机包括机翼101，全动平尾102，垂尾103，机头104，旋翼舱门105，固定翼推进动力组件106，机身尾段107，中机身108和可收放的多旋翼组件109。图1和图2表示了在多旋翼机构展开和舱门展开的时候的示意图，此状态时，109多旋翼动力组件的四个螺旋桨转动，为飞机的垂直起降和空中悬停提供动力和控制，图3和图4表示了在109收起在108内部，并且105关闭时的示意图，在此状态，飞机处于固定翼高速巡航中，106为提供向前运动的动力。图5则是109收起时在机身内部的示意图(此图隐藏了处于关闭状态的105)。

本发明的实施例中，101，102，103，104，106，107和108共同组成了飞机的固定翼组件，属于常规的固定翼飞机布局。在其他的实施例中，也可以采用其他的固定翼飞机的布局，如飞翼布局、V型垂尾布局、无尾布局等其他用于提高固定翼飞机升阻比和其他性能的方案；106在本实施例中安装在机身后部，也可以根据需要安装在固定翼机身其他位置，如机头，机身上方或者机翼下方，可以是一个，也可以是多个。101在本实施例中是平直机翼，也可以是后掠或者带上反的以及是安装翼尖小翼的机翼。102在本实例中为全动平尾，也可以是固定平尾加升降舵的方式或者放置于机身前部的鸭翼以及其他的控制固定翼飞机俯仰的方式。

在本发明实例中，参考图6，图7和图8，109可收放多旋翼组件由两根方型碳纤维悬管臂(201和205)、四个高效率低速大推力动力组件(每个组件由一个无刷电机216和螺旋桨215组成)、内悬臂转轴204、外悬臂转轴208和悬臂与转轴之间的卡扣(202和206)组成，216和215安装在悬臂两端，悬臂上下交叉成X型(216安装在下悬臂201的上表面和上悬臂205的下表面，以保证四个215在同一个平面)，201横穿过202并粘合，204穿过202上的圆孔，在202的下表面通过螺栓横穿过204，这样204提供了202向下方向的止动点，202的圆孔与204粘合，205横穿过206并粘合，以同样的方式装在208上，204穿过208、井字扣210、舵机安装板211和旋翼支撑板213，并在上方穿过多个螺栓，213通过螺丝与固定翼机身108固定，这样多旋翼组件则挂在了固定翼机身上，同时，208、205和206构成的组件则固定在210与202之间，并且205和206卡在了202与固定翼机身下表面之间；通过这样的设计，当飞机处于固定翼状态时，213通过螺栓将整个多旋翼组件吊在了固定翼机身上，当飞机处于多旋翼状态时，整个固定翼则由208顶住210，多旋翼机构将整个固定翼飞机托起。

在本发明实例中，多旋翼收放控制组件是以如下方式控制X型多旋翼组件收放的：大扭力舵机212的旋转轴与舵机连杆214(见图10)固连，214的插销插入滑块209的横向滑槽中，如图9和图10所示，当212旋转带动214旋转，其插销在滑槽中滑动，推动209在井字扣210的滑槽之间前后运动，209通过203和207两根插销与卡扣202和206相连，又由于202和206共同被204和208两根转轴约束，这样209的前后运动带动了202和206，从而带动了201和205的X型收起和展开。当多旋翼组件机构展开时，卡扣设置有止动卡位，如图11所示，通过202和206上的止动卡位，使得多旋翼组件能展开保持在合适的角度。

在本发明实例中，提供舱门收放控制机构，控制旋翼的舱门的开闭，如图12，图13和图14，舱门收放控制机构由舵机卡槽301，舵机302，铰链303、连杆组件304和舱门支撑杆305，304由一根L型连杆和一根直杆组成，L型杆一端与302的转轴连接，另外一端与直杆连接，而直杆的另外一端与305相连，305则通过铰链安装在机身上，302的转动带动304，304则推动305绕铰链转动，305与舱门粘合在一起，这样就实现了舱门的开闭。

在其他实例中，多旋翼收放控制机构和舱门收放机构也可以采用其他的实现方式。

Claims (9)

1.一种可垂直起降和空中悬停的固定翼飞机，其特征在于，包括固定翼组件，可收放的多旋翼组件，多旋翼收放控制机构，可开关的多旋翼舱门和舱门开关控制机构。飞机在垂直起降和空中悬停时，多旋翼组件将展开至固定翼组件的机身两侧，提供垂直起降和空中悬停的动力，飞机在高速巡航状态下多旋翼组件将收至固定翼组件的机身内部，并关闭多旋翼舱门，保持固定翼组件的高气动效率，固定翼组件采用在高速推进时能量效率最高的动力方式，多旋翼组件采用在低速悬停时能量效率最高的动力方式，从而实现飞机在高速巡航、垂直起降和空中悬停三种飞行状态下能量使用效率都达到最优。

2.根据权利要求1所述固定翼飞机，所述可收放的多旋翼组件安装在固定翼组件的机身下部区域，所述多旋翼收放控制机构安装在固定翼组件的机身内部，用于控制多旋翼组件的收放，可开关的多旋翼舱门安装在固定翼组件的机身两侧下部，由舱门开关控制机构控制舱门开关。

3.根据权利要求2所述固定翼飞机，所述的可收放的多旋翼组件由四个旋翼动力组件组成，每个旋翼动力组件由一个或者两个无刷电机和一个或者两个旋翼组成，旋翼动力组件安装在悬臂的一端，悬臂与固定翼组件的机身相连接，所述多旋翼组件共采用两根悬臂，每根悬臂的两端分别安装一个旋翼动力组件。

4.根据权利要求3所述固定翼飞机，所述的两根悬臂以X型交叉安装，在X型交叉点处，两根悬臂通过转轴安装在固定翼组件的机身内部，悬臂可绕交叉点的转轴转动，当两根悬臂沿相反方向绕转轴旋转至与固定翼组件的机身成一定角度时，旋翼动力组件伸出至机身外部，多旋翼组件为展开状态，当悬臂绕转轴旋转至与固定翼组件的机身平行时，旋翼动力组件收起至机身内部，多旋翼组件为收起状态。

5.根据权利要求4所述固定翼飞机，所述的可收放的多旋翼组件的两根悬臂，其中一根悬臂位于另一根的上方，与上方悬臂相连的旋翼动力组件安装于该悬臂的下表面附近，与下方悬臂相连的旋翼动力组件安装于该悬臂的上表面附近，使得四个动力组件实际位于同一平面内，两根悬臂通过共轴双转轴机构相互约束，外部转轴与上悬臂固定，并受到固定翼组件的机身下侧的约束，内部转轴与下悬臂相固定，并受到固定翼组件的机身上侧的约束。

6.根据权利要求5所述固定翼飞机，所述的多旋翼收放控制机构由大扭力舵机、舵机连杆、滑块和插销组成，两根悬臂上安装有卡扣，两个插销的下端分别与卡扣固定，两个插销的上端分别插入滑块上的两个横向滑槽中，舵机转动带动舵机连杆，舵机连杆另外一端插入滑块的另一个横向滑槽中，舵机的转动驱动舵机连杆运动，连杆另外一端在滑块的横向滑槽中运动，这样就驱动滑块前后运动，滑块的前后运动通过插销带动卡扣的前后运动，从而控制悬臂的收放，实现了由一个舵机驱动整个多旋翼动力组件的展开和收起，上下两根悬臂都有止动卡位，当悬臂处于完全展开状态时，与上悬臂固定的插销将与下悬臂的止动卡位接触，而与下悬臂固定的插销将与上悬臂的止动卡位接触，从而防止悬臂的过度展开。

7.根据权利要求6所述固定翼飞机，所述舱门和舱门收放机构由安装在固定翼组件的机身下部的舱门、舱门摇臂、连杆、舵机、舵机摇臂以及一些铰链组成，舱门通过铰链与固定翼组件的机身下部边缘连接，连杆一端联接舵机摇臂，另外一端与舱门摇臂连接在一起，舵机的转动带动舱门的收放；此舱门收放方案的主要优点是所有机构都位于机身内部或舱门内侧，从而不影响固定翼组件高速巡航的气动外形，并且舱门可以旋转180度紧贴固定翼组件的机身两侧，避免舱门开启后对多旋翼机构展开时吸气区域的遮挡。

8.根据权利要求7所述固定翼飞机，所述固定翼组件一般包括机翼，包括安装在后缘外侧的一对副翼；垂尾，包括安装在其后缘的方向舵；平尾，包括升降舵；机身组件和固定翼推进动力组件；固定翼组件气动布局通常采用常规的气动布局，或者飞翼布局和无尾布局，无论采用何种布局，其特殊之处在于机身下部都要留有多旋翼组件和收放控制机构的安装和收纳空间。

9.根据权利要求8所述固定翼飞机，所述固定翼组件的推进动力组件是以电或燃油为能量来源的螺旋桨、涵道或涡轮喷气式发动机。