CN106927035B - 大机动性自转旋翼机及其控制方法 - Google Patents

大机动性自转旋翼机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大机动性自转旋翼机及其控制方法，大机动性自转旋翼机包括机身、变推力轴线动力装置、自转动旋翼装置、全动垂尾、垂尾传动装置、以及设置在机身两侧的第一机翼和第二机翼。变推力轴线动力装置包括动力装置、转动圆盘、定位杆、以及第一至第二推力变向舵机；转动圆盘一面与动力装置固定连接，另一面的圆心和定位杆的一端通过球铰链连接；定位杆的另一端和机身固定连接；第一至第二推力变向舵机均采用直线输出式舵机，用于调整动力装置的推力方向。工作时，自转动旋翼装置用于根据大机动性自转旋翼机的来流转动产生升力；全动垂尾设置在机身尾部，通过垂尾传动装置来调整其偏角。本发明结构简单、机动性好、安全系数高。

Description

大机动性自转旋翼机及其控制方法
技术领域
本发明涉及航空系统技术，尤其涉及一种大机动性自转旋翼机及其控制方法。
背景技术
固定翼飞机是由机身的固定机翼产生升力的航空器。虽然固定翼飞机相对于直升机、旋翼机具有速度快、安全舒适等特点，但其低速性能差，并且起降需要较长的跑道，对起降的条件要求比较苛刻。为解决起降条件要求比较苛刻的问题，在传统领域，可短距离/垂直起降的飞行器有两种：直升机、自转旋翼机。
自转旋翼机是一种以无动力自旋转翼面为升力面的螺旋类飞行器，代表机型为由美国NASA资助研制的CarterCopter旋翼机和GBA公司研制的Hawk-4旋翼机。由于自转旋翼依靠前方来流吹动而保持转动状态，因此，一旦机体失去动力，它依然可以依靠旋翼自转安全着陆；同时，具有超短距离起飞、点式着陆、结构简单等特点。尽管传统自转旋翼机的研究在现有的理论基础上已经比较成熟，但是由于其结构和动力上的特点，传统自转旋翼机巡航速度较低、机动性差，受到了很大的限制。
矢量推力技术是指发动机推力线方向不仅指向机身前进方向，而且还可以通过机械装置或喷管转向，偏转推力线方向，产生对机体的附加力与力矩，可辅助舵面产生的气动力对机体进行飞行控制。矢量推力技术对载人飞机的隐身性、机动性的改善已被广泛验证，因此矢量推力技术的应用已成为无人机发展的重要趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种大机动性自转旋翼机及其控制方法，结构简单、机动性好、安全系数高，既可以像传统自传旋翼机一样具有超短距离起降、也能够快速飞行。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种大机动性自转旋翼机，包括机身、第一至第二机翼、变推力轴线动力装置、自转动旋翼装置、全动垂尾和垂尾传动装置。
所述第一至第二机翼均为无舵面机翼，分别固定设置在所述机身两侧；
所述变推力轴线动力装置包括动力装置、转动圆盘、定位杆、以及第一至第二推力变向舵机；
所述动力装置用于产生推力；
所述转动圆盘一面与动力装置固定连接，另一面的圆心和所述定位杆的一端通过球铰链连接；
所述定位杆的另一端和所述机身固定连接；
所述转动圆盘能够通过所述球铰链自由转动；
所述第一至第二推力变向舵机均采用直线输出式舵机、均设置在所述机身上，输出端分别和所述转动圆盘设置有转动球头的一面通过球铰链连接，且第一推力变向舵机、第二推力变向舵机与转动圆盘的连接处和转动圆盘圆心的连线相互垂直；
所述第一至第二推力变向舵机用于调整所述动力装置的推力方向；
所述自转动旋翼装置用于根据大机动性自转旋翼机的来流转动产生升力；
所述全动垂尾设置在机身尾部，包含垂尾和转轴；
所述机身尾部沿垂直向上方向设有转轴孔洞，所述转轴孔洞内设有轴承；
所述转轴一端与所述垂尾固定相连，另外一端通过所述转轴孔洞内的轴承和机身转动连接；
所述垂尾传动装置用于调整所述全动垂尾的偏角。
作为本发明一种大机动性自转旋翼机进一步的优化方案，所述动力装置包括螺旋桨、发动机、油箱、油管和油门舵机；
所述螺旋桨与所述发动机的输出轴固定相连，用于产生推力；
所述油箱设置在所述机体内，通过所述油管与固定在所述转动圆盘上的发动机的进油口相连；
所述油门舵机设置在发动机上，用于控制所述发动机中油门开合程度。
作为本发明一种大机动性自转旋翼机进一步的优化方案，所述自转动旋翼装置包括固定轴管、转动座、T型转动杆、第一至第二旋翼舵机、转动轴和自旋转螺旋桨；
所述自旋转螺旋桨包含旋转盘和若干均匀设置在旋转盘周边的桨叶，其中，旋转盘的中心设有通孔，通孔内设有轴承；
所述自旋转螺旋桨通过旋转盘中心通孔内的轴承与所述转动轴的上端转动连接，能够相对于转动轴自由转动；
所述T型转动杆包含长杆以及一端和所述长杆中点固定相连的短杆，所述长杆的上端面和所述转动轴的下端固定相连，所述短杆的另一端和所述转动座的上端铰接；
所述固定轴管设置在机身的对称面内，下端与机身顶端固定相连，上端与所述转动座下端铰接；
所述T型转动杆相对于所述转动座转动的平面和所述转动座相对于所述固定轴管转动的平面相互垂直；
所述第一至第二旋翼舵机均采用直线输出式舵机、均固定在所述固定轴管上，输出端分别和所述T型转动杆长杆的两端通过球铰链连接；
所述第一旋翼舵机、第二旋翼舵机用于调整所述自旋转螺旋桨的桨叶迎角。
作为本发明一种大机动性自转旋翼机进一步的优化方案，所述垂尾传动装置包含电机、减速齿轮、输出齿轮和传动杆；
所述减速齿轮和输出齿轮啮合；
所述电机的输出端和所述减速齿轮的输入端固定相连；
所述输出齿轮的输出端通过所述传动杆和所述全动垂尾的转轴相连。
所述电机的输出角度通过减速齿轮减速后输出到输出齿轮上，再由传动杆传递给所述全动垂尾。
作为本发明一种大机动性自转旋翼机进一步的优化方案，所述机身、第一至第二机翼、自转动旋翼装置均采用碳素纤维制成。
本发明还公开了一种基于该大机动性自转旋翼机的控制方法，包含以下过程：
大机动性自转旋翼机启动时，控制变推力轴线动力装置产生向前的推力，使得自转旋翼机向前加速，此时，第一机翼、第二机翼产生升力，自转动旋翼装置的自旋转螺旋桨由于来流转动产生升力；
大机动性自转旋翼机的前进速度达到预设的速度阈值时，通过调节第一旋翼舵机和第二旋翼舵机使得自旋转螺旋桨的桨叶迎角减小至预设的角度阈值，此时，大机动性自转旋翼机的升力由变推力轴线动力装置、第一机翼、第二机翼产生；
需要大机动性自转旋翼机作低头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生正向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生正向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生正向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作抬头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生负向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生负向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生负向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作滚转/偏航运动时，控制第一推力变向舵机、第二推力变向舵机、电机输出同向力矩，使得变推力轴线动力装置中的螺旋桨和全动垂尾产生同向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨与全动垂尾产生异向偏转，进而使得自转动旋翼装置产生的拉力、变推力轴线动力装置产生的气动力、全动垂尾产生的气动力相对大机动性自转旋翼机的重心产生同向力矩。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.以传统自转旋翼机本身为基础，增加全动尾桨和无舵面机翼，使得整个机体不仅具有传统自传旋翼机短距离起降、发动机停车可安全着陆等特点的同时，更加安全，可靠性明显提高；
2.通过固连在机身对称面内的变推力轴线发动机倾转对本发明的飞行姿态进行辅助控制，可以获得更大的机动性，飞行平稳安全；
3.低速时自旋转桨叶、变推力轴线发动机和机翼共同提供升力，有效载荷较高；
4.通过变推力轴线发动机改变机体姿态，可使自旋转桨叶的迎角明显减小，此时仅由变推力轴线发动机和机翼提供升力，可实现高速飞行。
附图说明
图1为本发明大机动性自转旋翼机的侧视图；
图2为本发明大机动性自转旋翼机的俯视图；
图3为本发明大机动性自转旋翼机中变推力轴线动力装置的结构示意图；
图4为本发明大机动性自转旋翼机中自转动旋翼装置的结构示意图；
图5为本发明大机动性自转旋翼机中垂尾传动装置的结构示意图。
图中：1-机身、2-第一机翼、3-变推力轴线动力装置、4-自转动旋翼装置、5-全动垂尾、6-垂尾传动装置、7-转动圆盘、8-定位杆、9-第一推力变向舵机、10-螺旋桨、11-发动机、12-油箱、13-油管、14-第二推力变向舵机、15-油门舵机、16-固定轴管、17-第一旋翼舵机、18-第二旋翼舵机、19-转动轴、20-旋转盘、21-桨叶、22-“T”型转动杆、23-“U”型转动座、24-全动垂尾、25-电机、26-减速齿轮、27-电位器、28-输出齿轮、29-传动杆、30-转轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1和图2所示，本发明公开了一种大机动性自转旋翼机，包括机身、第一至第二机翼、变推力轴线动力装置、自转动旋翼装置、全动垂尾和垂尾传动装置。
所述第一至第二机翼均为无舵面机翼，分别固定设置在所述机身两侧；
如图3所示，所述变推力轴线动力装置包括动力装置、转动圆盘、定位杆、以及第一至第二推力变向舵机；
所述动力装置用于产生推力；
所述转动圆盘一面与动力装置固定连接，另一面的圆心和所述定位杆的一端通过球铰链连接；
所述定位杆的另一端和所述机身固定连接；
所述转动圆盘能够通过所述球铰链自由转动；
所述第一至第二推力变向舵机均采用直线输出式舵机、均设置在所述机身上，输出端分别和所述转动圆盘设置有转动球头的一面通过球铰链连接，且第一推力变向舵机、第二推力变向舵机与转动圆盘的连接处和转动圆盘圆心的连线相互垂直；
所述第一至第二推力变向舵机用于调整所述动力装置的推力方向；
所述自转动旋翼装置用于根据大机动性自转旋翼机的来流转动产生升力；
所述全动垂尾设置在机身尾部，包含垂尾和转轴；
所述机身尾部沿垂直向上方向设有转轴孔洞，所述转轴孔洞内设有轴承；
所述转轴一端与所述垂尾固定相连，另外一端通过所述转轴孔洞内的轴承和机身转动连接；
所述垂尾传动装置用于调整所述全动垂尾的偏角。
所述动力装置包括螺旋桨、发动机、油箱、油管和油门舵机；
所述螺旋桨与所述发动机的输出轴固定相连，用于产生推力；
所述油箱设置在所述机体内，通过所述油管与固定在所述转动圆盘上的发动机的进油口相连；
所述油门舵机设置在发动机上，用于控制所述发动机中油门开合程度。
如图4所示，所述自转动旋翼装置包括固定轴管、转动座、T型转动杆、第一至第二旋翼舵机、转动轴和自旋转螺旋桨；
所述自旋转螺旋桨包含旋转盘和若干均匀设置在旋转盘周边的桨叶，其中，旋转盘的中心设有通孔，通孔内设有轴承；
所述自旋转螺旋桨通过旋转盘中心通孔内的轴承与所述转动轴的上端转动连接，能够相对于转动轴自由转动；
所述T型转动杆包含长杆以及一端和所述长杆中点固定相连的短杆，所述长杆的上端面和所述转动轴的下端固定相连，所述短杆的另一端和所述转动座的上端铰接；
所述固定轴管设置在机身的对称面内，下端与机身顶端固定相连，上端与所述转动座下端铰接；
所述T型转动杆相对于所述转动座转动的平面和所述转动座相对于所述固定轴管转动的平面相互垂直；
所述第一至第二旋翼舵机均采用直线输出式舵机、均固定在所述固定轴管上，输出端分别和所述T型转动杆长杆的两端通过球铰链连接；
所述第一旋翼舵机、第二旋翼舵机用于调整所述自旋转螺旋桨的桨叶迎角。
如图5所示，所述垂尾传动装置包含电机、减速齿轮、输出齿轮和传动杆；
所述减速齿轮和输出齿轮啮合；
所述电机的输出端和所述减速齿轮的输入端固定相连；
所述输出齿轮的输出端通过所述传动杆和所述全动垂尾的转轴相连。
所述电机的输出角度通过减速齿轮减速后输出到输出齿轮上，再由传动杆传递给所述全动垂尾。
所述机身、第一至第二机翼、自转动旋翼装置均优先采用碳素纤维制成。
本发明还公开了一种基于该大机动性自转旋翼机的控制方法，包含以下过程：
大机动性自转旋翼机启动时，控制变推力轴线动力装置产生向前的推力，使得自转旋翼机向前加速，此时，第一机翼、第二机翼产生升力，自转动旋翼装置的自旋转螺旋桨由于来流转动产生升力；
大机动性自转旋翼机的前进速度达到预设的速度阈值时，通过调节第一旋翼舵机和第二旋翼舵机使得自旋转螺旋桨的桨叶迎角减小至预设的角度阈值，其目的是使得自转动旋翼装置在产生必要的气动升力时尽量减小气动阻力，此时，大机动性自转旋翼机的升力由变推力轴线动力装置、第一机翼、第二机翼产生；
需要大机动性自转旋翼机作低头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生正向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生正向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生正向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作抬头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生负向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生负向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生负向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作滚转/偏航运动时，控制第一推力变向舵机、第二推力变向舵机、电机输出同向力矩，使得变推力轴线动力装置中的螺旋桨和全动垂尾产生同向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨与全动垂尾产生异向偏转，进而使得自转动旋翼装置产生的拉力、变推力轴线动力装置产生的气动力、全动垂尾产生的气动力相对大机动性自转旋翼机的重心产生同向力矩。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大机动性自转旋翼机，其特征在于，包括机身、第一至第二机翼、变推力轴线动力装置、自转动旋翼装置、全动垂尾和垂尾传动装置；
所述第一至第二机翼均为无舵面机翼，分别固定设置在所述机身两侧；
所述变推力轴线动力装置包括动力装置、转动圆盘、定位杆、以及第一至第二推力变向舵机；
所述动力装置用于产生推力，包括螺旋桨、发动机、油箱、油管和油门舵机；
所述螺旋桨与所述发动机的输出轴固定相连，用于产生推力；
所述油箱设置在所述机身内，通过所述油管与固定在所述转动圆盘上的发动机的进油口相连；
所述油门舵机设置在发动机上，用于控制所述发动机中油门开合程度；
所述转动圆盘一面与动力装置固定连接，另一面的圆心和所述定位杆的一端通过球铰链连接；
所述定位杆的另一端和所述机身固定连接；
所述转动圆盘能够通过所述球铰链自由转动；
所述第一至第二推力变向舵机均采用直线输出式舵机、均设置在所述机身上，输出端分别和所述转动圆盘设置有转动球头的一面通过球铰链连接，且第一推力变向舵机、第二推力变向舵机与转动圆盘的连接处和转动圆盘圆心的连线相互垂直；
所述第一至第二推力变向舵机用于调整所述动力装置的推力方向；
所述自转动旋翼装置用于根据大机动性自转旋翼机的来流转动产生升力；
所述全动垂尾设置在机身尾部，包含垂尾和转轴；
所述机身尾部沿垂直向上方向设有转轴孔洞，所述转轴孔洞内设有轴承；
所述转轴一端与所述垂尾固定相连，另外一端通过所述转轴孔洞内的轴承和机身转动连接；
所述垂尾传动装置用于调整所述全动垂尾的偏角；
所述机身、第一至第二机翼、自转动旋翼装置均采用碳素纤维制成。
2.根据权利要求1所述的大机动性自转旋翼机，其特征在于，所述自转动旋翼装置包括固定轴管、转动座、T型转动杆、第一至第二旋翼舵机、转动轴和自旋转螺旋桨；
所述自旋转螺旋桨包含旋转盘和若干均匀设置在旋转盘周边的桨叶，其中，旋转盘的中心设有通孔，通孔内设有轴承；
所述自旋转螺旋桨通过旋转盘中心通孔内的轴承与所述转动轴的上端转动连接，能够相对于转动轴自由转动；
所述T型转动杆包含长杆以及一端和所述长杆中点固定相连的短杆，所述长杆的上端面和所述转动轴的下端固定相连，所述短杆的另一端和所述转动座的上端铰接；
所述固定轴管设置在机身的对称面内，下端与机身顶端固定相连，上端与所述转动座下端铰接；
所述T型转动杆相对于所述转动座转动的平面和所述转动座相对于所述固定轴管转动的平面相互垂直；
所述第一至第二旋翼舵机均采用直线输出式舵机、均固定在所述固定轴管上，输出端分别和所述T型转动杆长杆的两端通过球铰链连接；
所述第一旋翼舵机、第二旋翼舵机用于调整所述自旋转螺旋桨的桨叶迎角。
3.根据权利要求2所述的大机动性自转旋翼机，其特征在于，所述垂尾传动装置包含电机、减速齿轮、输出齿轮和传动杆；
所述减速齿轮和输出齿轮啮合；
所述电机的输出端和所述减速齿轮的输入端固定相连；
所述输出齿轮的输出端通过所述传动杆和所述全动垂尾的转轴相连。
4.基于权利要求1所述的大机动性自转旋翼机的控制方法，其特征在于，包含以下过程：
大机动性自转旋翼机启动时，控制变推力轴线动力装置产生向前的推力，使得自转旋翼机向前加速，此时，第一机翼、第二机翼产生升力，自转动旋翼装置的自旋转螺旋桨由于来流转动产生升力；
大机动性自转旋翼机的前进速度达到预设的速度阈值时，通过调节第一旋翼舵机和第二旋翼舵机使得自旋转螺旋桨的桨叶迎角减小至预设的角度阈值，此时，大机动性自转旋翼机的升力由变推力轴线动力装置、第一机翼、第二机翼产生；
需要大机动性自转旋翼机作低头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生正向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生正向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生正向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作抬头运动时，通过第一至第二推力变向舵机调节变推力轴线动力装置使其产生负向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨桨叶迎角产生负向偏转，使得控制变推力轴线动力装置推力和自转动旋翼装置产生的拉力相对大机动性自转旋翼机的重心产生负向力矩；
需要大机动性自转旋翼机作滚转/偏航运动时，控制第一推力变向舵机、第二推力变向舵机、电机输出同向力矩，使得变推力轴线动力装置中的螺旋桨和全动垂尾产生同向偏转，同时，通过第一至第二旋翼舵机调节自旋转螺旋装置使其自旋转螺旋桨与全动垂尾产生异向偏转，进而使得自转动旋翼装置产生的拉力、变推力轴线动力装置产生的气动力、全动垂尾产生的气动力相对大机动性自转旋翼机的重心产生同向力矩。
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