CN106828920A - 一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器 - Google Patents

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闫慧敏
张子健
卢伟
龚喜盈
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Northwestern Polytechnical University
Xian Aisheng Technology Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，由机身、机翼、垂直尾翼、动力装置和定距螺旋桨组成；机身头部设置有动力装置，机身两侧机翼后缘安装有升降副翼，机身两侧机翼翼尖上设置有定距螺旋桨，用于平衡动力装置旋转时产生的反扭矩，两定距螺旋桨转轴与机身轴线相平行位于同一平面内。机身尾部的上方和下方分别设置有垂直尾翼，且上方垂直尾翼和下方垂直尾翼的中心线与机身轴线位于同一竖直平面内，垂直尾翼后缘安装有升降舵。机翼的翼尖、垂直尾翼的翼尖和机身的尾端共同构成五个支撑点，在停止状态时，五个支撑点使飞行器竖直向上地停靠在地面。飞行器垂直起降响应速度快，且具有良好的操纵稳定性及抗风性能。

Description

一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器
技术领域
本发明涉及一种可垂直起降的飞行器，具体地说，涉及一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器。
背景技术
飞行器设计专家和研究人员一直在尝试设计一种能够短距离或垂直起降的飞行器。以解决固定翼飞行器受起降场地限制和倾转旋翼机存在飞行速度慢、续航时间短的缺陷，以及现有尾坐式垂直起降固定翼无人驾驶飞行器操纵效率低、抗风性差的问题。
目前在实际应用中，无人飞行器一般分为固定翼飞行器与旋翼飞行器两种类型，常规的固定翼无人飞行器虽然具有速度快、航程远和巡航时间长的特点，但起降距离长，要求高质量的跑道，起降受到地理环境的限制，无法进行空中悬停，因而应用受到限制；而旋翼无人飞行器可以在复杂狭小的场地垂直起降，不受起降场地的限制，但旋翼效率远不如固定翼飞机的机翼，功耗大，飞行阻力大，因而影响飞行速度以及续航时间。
随着无人飞行器的广泛应用，对无人飞行器的起降性能和续航性能要求大幅提高，由于可垂直起降的固定翼飞行器兼有固定翼飞行器速度快、航程远、巡航时间长的特点和旋翼飞行器可在山地、丛林、舰船甲板等复杂狭小区域进行全地形起降的能力，因此，可垂直起降的固定翼无人飞行器已经成为研究的热点。
现有可垂直起降的固定翼无人飞行器包括倾转动力式和尾座式两类。倾转动力式垂直起降固定翼无人飞行器,通过倾转旋翼或喷气发动机使动力实现从水平到垂直的相互转换，动力方向变为垂直时通过克服重力进行垂直起降和悬停，变为水平时通过克服空气阻力进行水平前飞。这种垂直起降方式的缺点是动力倾转机构会增加结构重量和复杂程度、降低可靠性。如美国的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机控制难度大，频繁发生飞行事故，机构复杂且结构重量大，降低了其飞行性能。
尾座式垂直起降固定翼无人飞行器的动力方向固定，无需动力倾转机构，但现有的尾坐式垂直起降固定翼飞行器存在明显缺陷。专利CN 204822068U公开了“一种尾坐式垂直起降飞行器”，该尾坐式垂直起降飞行器采用的技术方案是其飞行器本体包括主机身翼板，主机身翼板相对的两侧边上各套接有机身翼板组件；主机身翼板的前部设置有两个电机，每个电机通过驱动轴连接一个螺旋桨，主机身翼板的尾部连接有两组舵面组件。其不足之处是垂直起降与悬停阶段，在螺旋桨滑流作用下，通过气动舵面偏转产生操纵力矩，操纵效率低，抗风性差。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括机身、机翼、垂直尾翼、动力装置、定距螺旋桨，所述机身头部设置有动力装置，机身两侧机翼后缘设置有升降副翼，机身两侧机翼的翼尖上分别安装有定距螺旋桨，用于平衡动力装置旋转时产生的反扭矩，定距螺旋桨转轴与机身轴线相平行位于同一平面内，机身尾部的上方和下方分别设置有垂直尾翼，且上方垂直尾翼和下方垂直尾翼的中心线与机身轴线位于同一竖直平面内，垂直尾翼后缘安装有升降舵；机翼的翼尖、垂直尾翼的翼尖和机身的尾端共同构成五个支撑点，在停止状态时，五个支撑点使飞行器竖直向上地停靠在地面；
所述动力装置为周期变距螺旋桨，周期变距螺旋桨的转速由驱动电机的电调控制，或由驱动的活塞式发动机的油门控制，周期变距螺旋桨的桨距由舵机驱动倾斜盘控制，动力装置的转轴与机身的轴线位于同一直线。
所述机身内装有蓄电池或活塞式发动机，蓄电池驱动电机带动动力装置，或由活塞式发动机驱动动力装置。
可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器在垂直起降、悬停和低速飞行阶段依靠动力装置平衡飞行器重力，通过使周期变距螺旋桨的桨盘向前倾斜，产生的反扭矩由姿态控制动力抵消，使飞行器前进，反之亦然；通过周期变距螺旋桨的桨盘向右倾斜，产生的反扭矩由姿态控制动力抵消，使飞行器向右行进，反之亦然；保持总拉力不变，姿态控制动力通过协调地改变定距螺旋桨的转速，与周期变距螺旋桨产生的反扭矩相作用，使飞行器左右偏航。水平飞行阶段依靠机翼产生的气动升力平衡重力，依靠动力装置产生的推进力克服空气阻力高速前飞，可进行久航、远航飞行，机翼上的升降副翼进行俯仰和滚转控制，垂直尾翼上的方向舵进行偏航控制。
有益效果
本发明提出的可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，由机身、机翼、垂直尾翼、动力装置和定距螺旋桨组成；机身头部设置有动力装置，机身两侧机翼后缘安装有升降副翼，机身两侧机翼的翼尖上分别设置有定距螺旋桨，用于平衡动力装置旋转时产生的反扭矩，定距螺旋桨转轴与机身轴线相平行且位于同一平面内。机身尾部的上方和下方分别设置有垂直尾翼，且上方垂直尾翼和下方垂直尾翼的中心线与机身轴线位于同一竖直平面内，垂直尾翼后缘安装有升降舵。机翼的翼尖、垂直尾翼的翼尖和机身的尾端共同构成五个支撑点，在停止状态时，五个支撑点使飞行器竖直向上地停靠在地面。
可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器采用垂直起降方式，能在很大程度上减小对起降场地的要求。飞行器采用周期变距螺旋桨，可在狭小场地垂直起降，垂直起降响应速度快，垂直起降时具有良好的操纵性、稳定性以及抗风性能。
可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器采用无尾布局，在水平飞行过程中以固定翼方式高速平飞，能量消耗小，飞行速度快、续航时间长、并具有良好的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器作进一步详细说明。
图1为本发明可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器结构示意图。
图2为本发明可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器的竖直状态示意图。
图3为可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器的实施例二的结构示意图。
图4为可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器的实施例二的竖直状态图。
图中:
1.机身 2.机翼 3.垂直尾翼 4.动力装置 5.定距螺旋桨
具体实施方式
本实施例是一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器。
实施例一
参阅图1、图2，本实例可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，由机身1、机翼2、垂直尾翼3、动力装置4和定距螺旋桨5组成；机身1为流线型结构，在机身1的两侧设置有一对机翼2，机翼2后缘安装有升降副翼，机身两侧机翼的翼尖上分别安装有定距螺旋桨，用于平衡动力装置旋转时产生的反扭矩，定距螺旋桨转轴与机身轴线相平行位于同一平面内；在机身1尾部上方和下方分别设置有垂直尾翼3，垂直尾翼3后缘安装有方向舵。
机翼2的翼尖或机翼2上安装的尾撑杆的后端、垂直尾翼3的翼尖共同构成四个支撑点；或机翼2的翼尖或机翼2上安装的尾撑杆的后端、垂直尾翼3的翼尖和机身1尾端共同构成五个支撑点；在停飞状态时，四个或五个支撑点使飞行器竖直向上地停靠在地面。本实例中，机翼2的翼尖或机翼2上安装的尾撑杆的后端、垂直尾翼3的翼尖和机身1尾端共同构成五个支撑点作为飞行器起降的支点，无需额外安装起落架。
机身1头部设置有动力装置4，动力装置4为周期变距螺旋桨，周期变距螺旋桨的转速由驱动电机的电调控制，或由驱动的活塞式发动机的油门控制，周期变距螺旋桨的桨距由舵机驱动倾斜盘控制，动力装置4的转轴与机身1的轴线位于同一直线。
本实施例可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器各飞行状态的控制方式如下:
地面停靠阶段:机翼2翼尖或机翼2上安装有支撑杆，则支撑杆后端、垂直尾翼3翼尖和机身1尾端构成五个支撑点，使飞行器竖直向上。
垂直起降、悬停和低速飞行阶段:是依靠动力装置4平衡飞行器重力，通过使周期变距螺旋桨的桨盘向前倾斜，产生的反扭矩由定距螺旋桨5抵消，使飞行器前进，反之亦然；通过使周期变距螺旋桨的桨盘向右倾斜，产生的反扭矩由定距螺旋桨5抵消，使飞行器向右行进，反之亦然；保持总拉力不变，定距螺旋桨5通过协调改变定距螺旋桨的转速，与周期变距螺旋桨产生的反扭矩相作用，可使飞行器左右偏航。
水平飞行阶段:是依靠机翼2产生的气动升力平衡重力，依靠动力装置4产生的推进力克服空气阻力高速前飞，可进行久航、远航飞行，机翼2上的升降副翼进行滚转控制和俯仰控制，垂直尾翼3上的方向舵进行偏航控制。
实施例二
参阅图3、图4，本实例可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，由机身1、机翼2、垂直尾翼3、动力装置4和定距螺旋桨5组成；其中，定距螺旋桨5位于机翼2翼尖处的涵道内，其余皆与实施例一相同。
定距螺旋桨5用于平衡动力装置4旋转时产生的反扭矩。定距螺旋桨5的驱动方式为:机身1内装有蓄电池，蓄电池驱动电机带驱动定距螺旋桨5。

Claims (2)

1.一种可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，其特征在于:包括机身、机翼、垂直尾翼、动力装置、定距螺旋桨，所述机身头部设置有动力装置，机身两侧机翼后缘设置有升降副翼，机身两侧机翼的翼尖上分别安装有定距螺旋桨，用于平衡动力装置旋转时产生的反扭矩，定距螺旋桨转轴与机身轴线相平行位于同一平面内，机身尾部的上方和下方分别设置有垂直尾翼，且上方垂直尾翼和下方垂直尾翼的中心线与机身轴线位于同一竖直平面内，垂直尾翼后缘安装有升降舵；机翼的翼尖、垂直尾翼的翼尖和机身的尾端共同构成五个支撑点，在停止状态时，五个支撑点使飞行器竖直向上地停靠在地面；
所述动力装置为周期变距螺旋桨，周期变距螺旋桨的转速由驱动电机的电调控制，或由驱动的活塞式发动机的油门控制，周期变距螺旋桨的桨距由舵机驱动倾斜盘控制，动力装置的转轴与机身的轴线位于同一直线。
2.根据权利要求1所述的可垂直起降的尾座式无尾布局飞行器，其特征在于:所述机身内装有蓄电池或活塞式发动机，蓄电池驱动电机带动动力装置，或由活塞式发动机驱动动力装置。
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