CN106828915A - 一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器及其飞行控制方法，高速飞行器机身头部安装有鸭翼，机身尾部靠前位置安装有机翼，垂尾安装于机身尾部上方；倾转螺旋桨安装在倾转臂外端；两个倾转臂对称安装在机身中部靠前位置两侧，倾转臂连同倾转螺旋桨能够绕倾转臂轴线同步倾转；尾桨安装在机身尾部，采用单独电机驱动，且尾桨能够绕机身纵轴左右偏转。本发明倾转螺旋桨安装在鸭翼和前掠主机翼之间的机身中部位置，在垂直起降阶段，螺旋桨下洗气流不流过任何固定翼面，没有遮挡，一方面可以提高全机的悬停效率，另一方面在倾转过程中螺旋桨下洗气流与固定翼面之间的气动干扰也小，可实现飞机从垂直起降到高速前飞的平稳过渡，也减小了转换飞行控制难度。

Description

一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及航空飞行器技术领域，具体为一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器及其飞行控制方法。

背景技术

美国V-22“鱼鹰”飞机是一种典型的倾转旋翼飞机，其机翼两侧的大直径旋翼在垂直起降时拉起飞机，同时自动倾斜器操纵旋翼桨盘变化控制飞机进行俯仰、滚转及偏航运动；垂直起飞后旋翼以一定速度向前倾转，飞机加速，最后飞机变为两侧旋翼拉动的螺旋桨固定翼飞机进行高速飞行。倾转旋翼机利用旋翼转向作螺旋桨使用，提高了直升机的飞行速度，是迄今为止发展得最为成熟的高速直升机，“鱼鹰”飞机也已进入美军部队服役。但是，“鱼鹰”飞机并非完美无缺，其一个重要的缺点在于旋翼布置在机翼两端，在垂直起降阶段机翼对旋翼下洗气流形成了较大面积的遮挡，降低了飞机的悬停效率；此外在旋翼倾转过程中，旋翼下洗气流与机翼之间复杂的气动干扰也调高了倾转过程飞行控制的难度。针对“鱼鹰”的这一缺点，也有工程师提出将机翼外段设计成随旋翼一同倾转，减小对旋翼下洗气流的遮挡，但这种设计可以提高飞机的悬停效率，但并没有降低倾转过程中的气动干扰，且倾转部件的增多也会造成倾转机构重量的增加。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，提供一种具有低旋翼洗流干扰的倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，本发明提出一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器及其飞行控制方法。

本发明的技术方案为：

所述一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，包括机身、机翼、垂尾，机身内安装有发动机及传动系统；其特征在于：机身头部安装有鸭翼，鸭翼采用下单翼布置，具有前缘后掠角；机身尾部靠前位置安装有机翼，机翼采用上单翼布置并具有前缘前掠角；垂尾安装于机身尾部上方，具有前缘后掠角；

所述高速飞行器还包括两个倾转臂、两个倾转螺旋桨和一个尾桨；倾转臂为可倾转螺旋桨的支持机构，倾转螺旋桨安装在倾转臂外端；倾转臂截面为纺锤形，倾转臂长度大于倾转螺旋桨的半径，轴线与机体坐标系OY轴平行，两个倾转臂对称安装在机身中部靠前位置两侧，处于鸭翼和机翼之间，倾转臂连同倾转螺旋桨能够绕倾转臂轴线同步倾转；两个可倾转螺旋桨能够由发动机经传动系统驱动对向旋转，尾桨安装在机身尾部，采用单独电机驱动，尾桨旋转轴线与机体坐标系OYZ平面平行，产生向上的拉力，且尾桨能够绕机身纵轴左右偏转。

进一步的优选方案，所述一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，其特征在于：所述机身截面为四角倒圆的方形，机身头部和尾部收缩形成头锥和尾锥。

所述一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器的控制方法，其特征在于：

飞机起飞时，可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，尾桨处于旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，发动机驱动可倾转螺旋桨旋转，电机驱动尾桨旋转，可倾转螺旋桨与尾桨产生垂直起降所需拉力，飞机垂直起飞；

在起飞过程中，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控制；

当飞机离地到达安全高度后，控制可倾转螺旋桨向前倾转，形成向前的水平拉力，飞机开始向前飞行，鸭翼和机翼产生升力，进入转换过程；随着可倾转螺旋桨向前倾转角度增大，向前的水平拉力增大，飞机前飞速度增大，鸭翼和机翼产生升力增大；当飞机加速达到和超过转换速度后，转换过程完成，且可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OYZ平面平行，完全提供水平飞行的拉力，尾桨停转，进入固定翼飞行模式，通过鸭翼、机翼和垂尾上的控制舵面进行飞机姿态控制；

当飞机需要降落时，控制可倾转螺旋桨降低前飞速度，当前飞速度降低到某个大于转换速度的设定值时，尾桨启动旋转，控制可倾转螺旋桨向上倾转，前飞速度进一步降低，通过鸭翼及机翼升力、可倾转螺旋桨拉力的向上分力和尾桨拉力保持飞机垂直方向拉力；当可倾转螺旋桨倾转至旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，前飞速度降低为0，进入垂直着陆阶段；

在垂直着陆阶段，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控制。

有益效果

本发明提出的一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，相比于美国V-22类型的倾转旋翼机，由于提供主升力和拉力的倾转螺旋桨安装在鸭翼和前掠主机翼之间的机身中部位置，在垂直起降阶段，螺旋桨下洗气流不流过任何固定翼面，没有遮挡，这一方面可以提高全机的悬停效率，另一方面在倾转过程中螺旋桨下洗气流与固定翼面之间的气动干扰也小，可实现飞机从垂直起降到高速前飞的平稳过渡，也减小了转换飞行控制难度。

此外，可倾转螺旋在垂直起降阶段进行飞行控制过程中只需要进行总距变化调节拉力大小，而无需像旋翼那样进行纵向和横向周期变距调节，控制结构相比较为简单。采用尾桨和螺旋桨共同提供垂直起降拉力，重心位于螺旋桨和尾桨之间，重心可移动范围直升机和倾转旋翼机也要大，从而方便了机身载荷布置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明垂直起降状态的结构立体图

图2：本发明高速前飞状态的结构立体图

其中：1、鸭翼；2、机身；3、倾转螺旋桨；4、机翼；5、可偏转尾桨；6、垂直尾翼；7、倾转臂。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例为一架倾转螺旋桨可垂直起降的高速无人机，飞机的设计最大起飞重量为340kg，采用一台最大功率为100kw的涡桨发动机；设定的转换速度为50m/s，转换状态的飞行高度为500m。该倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，采用鸭式前掠翼布局，包括鸭翼、机翼、机身、垂尾、倾转臂、可倾转螺旋桨及可偏转尾桨。

机身截面为四角倒圆的方形，头部和尾部收缩形成较为尖锐的头锥和尾锥，以减小飞行阻力。机身内安装有涡轴发动机、操纵机构、燃油油箱、任务载荷和必要飞行仪器设备等，机身长度为4.5m，最大宽度为0.6m，最大高度为0.5m。

鸭翼安装于机身头部，形成下单翼布置，后缘布置有升降舵，翼展为2.5m，根弦长0.48m，稍弦长0.24m，前缘后掠角为10.8°，上反角为0°，扭转角为0°。

机翼安装于机身尾部靠前的位置，形成上单翼布置，是飞机固定翼模式飞行时的主升力面，翼展6m，根弦长0.9m，稍弦长0.42m，前缘前掠角为8°，上反角为0°，扭转角为0°，稍部布置由进行滚转控制的副翼。

垂翼安装在机身后部上方，主要起航向稳定性作用，翼根弦长0.88m，翼梢弦长0.44m，高0.63m，前缘后掠角40°，垂翼尾部安装有方向舵。

两个倾转臂为可倾转螺旋桨的支持机构，其截面为大厚度的纺锤形，长度大于倾转螺旋桨的半径，轴线与OY轴平行(机体坐标系OXYZ为欧美坐标系)，对称安装在机身中部靠前的位置，鸭翼和机翼之间，可随倾转螺旋桨一起进行同步倾转。两个可倾转螺旋桨安装在倾转臂的两端，为六叶桨，具有桨距调整机构，桨盘直径1.2m，旋转轴线距离机身对称平面0.95m，螺旋桨和倾转臂可同步在0°与90°之间进行倾转，从而使螺旋桨在提供垂直起降升力和水平飞行拉力之间转换。两个可倾转螺旋桨由发动机经传动系统驱动对向旋转，从而抵消驱动扭矩；在飞机垂直起降时，可倾转螺旋桨的旋转平面与OXY平面平行，其拉力用于克服飞机的重力；在飞机作为固定翼巡航时，螺旋桨旋转平面转到与OYZ平面平行，其拉力用于提供飞机前飞时的推力；在过渡段，螺旋桨绕倾转臂轴线在0度到90度之间(定义与旋转平面与OYZ平面平行为0度，与OXY平面平行为90度)旋转；此时的螺旋桨既提供一部分升力，又提供一部分推力。

可偏转尾桨安装在机身尾部，单独电机驱动，旋转轴线与OYZ平面平行，产生向上的拉力。可偏转尾桨为四叶桨，具有桨距调整机构，桨盘直径为0.3m，可绕机身纵轴左右偏转10°，从而形成一定的水平拉力，进而对机身形成绕重心的偏航力矩，在垂直起降阶段进行飞机的偏航运动控制。

飞机的飞行过程及控制方法为：

飞机起飞时，可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，尾桨处于旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，发动机驱动可倾转螺旋桨旋转，电机驱动尾桨旋转，可倾转螺旋桨高速旋转同时增大桨距产生大部分垂直起降所需拉力，尾部尾桨产生剩余所需拉力，飞机垂直起飞。

在起飞过程中，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控。

当飞机离地到达安全高度后，控制可倾转螺旋桨向前倾转，形成向前的水平拉力，飞机开始向前飞行，鸭翼和机翼产生升力，进入转换过程；随着可倾转螺旋桨向前倾转角度增大，向前的水平拉力增大，飞机前飞速度增大，鸭翼和机翼产生升力增大；当飞机加速达到和超过转换速度后，转换过程完成，且可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OYZ平面平行，完全提供水平飞行的拉力，尾桨停转，进入固定翼飞行模式，鸭翼和机翼已可产生飞机可控飞行所需的全部升力和控制力，通过鸭翼、机翼和垂尾上的控制舵面进行飞机姿态控制。

当飞机需要降落时，控制可倾转螺旋桨降低前飞速度，当前飞速度降低到某个大于转换速度的设定值时，尾桨启动旋转，控制可倾转螺旋桨向上倾转，前飞速度进一步降低，通过鸭翼及机翼升力、可倾转螺旋桨拉力的向上分力和尾桨拉力保持飞机垂直方向拉力；当可倾转螺旋桨倾转至旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，前飞速度降低为0，进入垂直着陆阶段。

在垂直着陆阶段，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，包括机身、机翼、垂尾，机身内安装有发动机及传动系统；其特征在于：机身头部安装有鸭翼，鸭翼采用下单翼布置，具有前缘后掠角；机身尾部靠前位置安装有机翼，机翼采用上单翼布置并具有前缘前掠角；垂尾安装于机身尾部上方，具有前缘后掠角；

所述高速飞行器还包括两个倾转臂、两个倾转螺旋桨和一个尾桨；倾转臂为可倾转螺旋桨的支持机构，倾转螺旋桨安装在倾转臂外端；倾转臂截面为纺锤形，倾转臂长度大于倾转螺旋桨的半径，轴线与机体坐标系OY轴平行，两个倾转臂对称安装在机身中部靠前位置两侧，处于鸭翼和机翼之间，倾转臂连同倾转螺旋桨能够绕倾转臂轴线同步倾转；两个可倾转螺旋桨能够由发动机经传动系统驱动对向旋转，尾桨安装在机身尾部，采用单独电机驱动，尾桨旋转轴线与机体坐标系OYZ平面平行，产生向上的拉力，且尾桨能够绕机身纵轴左右偏转。

2.根据权利要求1所述一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器，其特征在于：所述机身截面为四角倒圆的方形，机身头部和尾部收缩形成头锥和尾锥。

3.一种倾转螺旋桨可垂直起降的高速飞行器的控制方法，其特征在于：

飞机起飞时，可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，尾桨处于旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，发动机驱动可倾转螺旋桨旋转，电机驱动尾桨旋转，可倾转螺旋桨与尾桨产生垂直起降所需拉力，飞机垂直起飞；

在起飞过程中，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控制；

当飞机离地到达安全高度后，控制可倾转螺旋桨向前倾转，形成向前的水平拉力，飞机开始向前飞行，鸭翼和机翼产生升力，进入转换过程；随着可倾转螺旋桨向前倾转角度增大，向前的水平拉力增大，飞机前飞速度增大，鸭翼和机翼产生升力增大；当飞机加速达到和超过转换速度后，转换过程完成，且可倾转螺旋桨倾转到旋转平面与机体坐标系OYZ平面平行，完全提供水平飞行的拉力，尾桨停转，进入固定翼飞行模式，通过鸭翼、机翼和垂尾上的控制舵面进行飞机姿态控制；

当飞机需要降落时，控制可倾转螺旋桨降低前飞速度，当前飞速度降低到某个大于转换速度的设定值时，尾桨启动旋转，控制可倾转螺旋桨向上倾转，前飞速度进一步降低，通过鸭翼及机翼升力、可倾转螺旋桨拉力的向上分力和尾桨拉力保持飞机垂直方向拉力；当可倾转螺旋桨倾转至旋转平面与机体坐标系OXY平面平行位置，前飞速度降低为0，进入垂直着陆阶段；

在垂直着陆阶段，通过改变两侧可倾转螺旋桨的桨距，形成拉力差及绕重心的滚转力矩，进行飞机的滚转控制；通过改变尾桨的桨距，实现改变尾桨产生的向上拉力及绕重心的俯仰力矩大小，进行飞机的俯仰控制；通过将尾桨绕机身纵轴偏转，形成水平分力，进行飞机的偏航控制。