CN107244415A - 一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机 - Google Patents

一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机 Download PDF

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Abstract

一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，包括机头可转向的机身，固定机翼，平尾和垂尾，机头布置主螺旋桨，机翼上共布置四副螺旋桨，动力包括一套活塞发动机和一套电池组。本发明通过调整机头的状态，高效灵活利用活塞发动机驱动的螺旋桨提供的拉力：在起降阶段，如果只靠电池和电机驱动的螺旋桨提供向上拉力，由于电池组尺寸和重量较大，无人机设计需要更大的机身和起飞重量才能包容这套电池电机机构，若机头不能倾转，则在起降阶段，这部分机构将是死重，额外需要耗费更多的电能，更进一步加大电池组重量和尺寸；在飞行状态，无人机处于正常布局，固连于机翼的四副螺旋桨调整姿态迎来流顺桨，可产生部分升力，近一步提高升阻比，增大航程和航时。

Description

一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机
所属技术领域
本发明提供了一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，属于无人机设计领域,主要应用于倾转多旋翼无人机。
背景技术
倾转旋翼无人机利用倾转机构改变螺旋桨拉力方向，当拉力向上时以直升机模式飞行，可实现悬停、低速飞行和垂直飞行，较高速度时以螺旋桨飞机模式前飞，从而兼顾低速与高速飞行性能。从现有技术水平来看，倾转旋翼无人机多是对正常布局的固定翼飞机上加以改造，实现旋翼倾转功能，V-22鱼鹰倾转旋翼机采用油机将一对螺旋桨动力布置于机翼两端，实现倾转功能，还有其他放置于机翼中间，平尾两端的总体布局等。但这种布局会引起一些问题，例如需对机翼部分进行加强产生足够的强度和刚度，来应对机翼变形，螺旋桨在起降时，下洗气流产生涡环，破坏飞机对称气流，容易造成破坏。另外只采用电动螺旋桨驱动的多旋翼无人机，会受限于电池的重量和功率，其航程航时一般只能维持不超过一个小时，而前置螺旋桨在起降阶段则会变成死重。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，实现了可垂直起降又能满足一定航程和航时的倾转旋翼无人机。
本发明的技术解决方案是：
一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，包括：主螺旋桨、副螺旋桨、倾转机构以及驱动装置；在固定翼无人机的机身头部安装有倾转机构以及驱动装置，主螺旋桨安装在倾转机构上，在驱动装置的驱动下主螺旋桨进行°倾转，个副螺旋桨分别安装在固定翼无人机的固定机翼上，每个固定机翼前后各安装一个副螺旋桨。
动力包括一套活塞发动机和一套电池组。
所述活塞发动机用于驱动主螺旋桨，电池组用于驱动副螺旋桨。
主螺旋桨的两个工作状态分别为：平行于四个副螺旋桨组成的平面、沿机身方向垂直于四个副螺旋桨组成的平面。
无人机在空中飞行时，主螺旋桨沿机身方向垂直于四个副螺旋桨组成的平面，提供向前拉力；无人机处于起降状态时，倾转机构竖起，主螺旋桨平行于四个副螺旋桨组成的平面，提供升力。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供了一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，在起降和悬停阶段，利用油机带动的螺旋桨和电机带动的螺旋桨同时产生向上拉力，则在满足设计重量同时，可大大降低携带蓄电池的重量和结构尺寸，而油机带动的螺旋桨可承担较大一部分拉力，从而可减轻电机螺旋桨设计重量和尺寸，并可减小相应承力部件的设计强度。在高速飞行阶段，可利用油动螺旋桨拉力和常规固定翼飞机布局正常飞行，电机螺旋桨则后倾一定角度，迎风顺桨产生一定升力，减轻机翼载荷，提高升阻比，实现了可垂直起降同时又能满足一定航程和航时，动力部分不含死重，性价比较高。
附图说明
图1为本发明总体布局示意图；
图2为本发明高速飞行总体布局示意图；
图3为本发明垂直起降总体布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明提出的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，包括：主螺旋桨5、副螺旋桨6、倾转机构7以及驱动装置8；在固定翼无人机的机身1头部安装有倾转机构7以及驱动装置8，主螺旋桨5安装在倾转机构7上，在驱动装置8的驱动下主螺旋桨5进行90°倾转，4个副螺旋桨6分别安装在固定翼无人机的固定机翼2上，每个固定机翼2前后各安装一个副螺旋桨6。
动力包括一套活塞发动机和一套电池组。所述活塞发动机用于驱动主螺旋桨5，电池组用于驱动副螺旋桨6。
主螺旋桨5进行90°倾转，即主螺旋桨5的两个工作状态分别为：平行于四个副螺旋桨6组成的平面、沿机身方向垂直于四个副螺旋桨6组成的平面。
无人机在空中飞行时，主螺旋桨5沿机身方向垂直于四个副螺旋桨6组成的平面，提供向前拉力；无人机处于起降状态时，倾转机构7竖起，主螺旋桨5平行于四个副螺旋桨6组成的平面，提供升力。
工作原理：
起飞前，利用倾转机构将机头调整到竖直状态，使无人机处于直升机模式，如图3所示，同时启动油动螺旋桨和电机螺旋桨，油动螺旋桨调至最大转速输出最大功率，电动螺旋桨前后转速可不一致，保证足够垂直起飞拉力且无人机前后左右力矩平衡。待无人机垂直升起至安全高度，则可利用倾转机构将机身缓慢过渡到水平状态，如图2所示，随着无人机前向速度增加，将油动螺旋桨转速调至巡航状态，同时关停电动螺旋桨，并让螺旋桨向后仰一定角度，随着来流，螺旋桨顺桨并产生一定拉力，减轻翼载提高升阻比。待巡航结束，启动电动螺旋桨，且调至最大功率输出，利用倾转机构调整机头缓慢过渡到竖直状态，如图3所示，同时增大油动螺旋桨至最大功率输出，前进速度逐渐减小到0，无人机安全着陆后，则关闭所有动力，完成本次飞行任务。
与现有技术相比，本发明通过调整机头的状态，高效灵活利用活塞发动机驱动的螺旋桨提供的拉力：在起降阶段，如果只靠电池和电机驱动的螺旋桨提供向上拉力，由于电池组尺寸和重量较大，无人机设计需要更大的机身和起飞重量才能包容这套电池电机机构，若机头不能倾转，则在起降阶段，这部分机构将是死重，额外需要耗费更多的电能，更进一步加大电池组重量和尺寸；在飞行状态，无人机处于正常布局，固连于机翼的四副螺旋桨调整姿态迎来流顺桨，可产生部分升力，近一步提高升阻比，增大航程和航时。
实施例：
为满足航时和速度要求，对正常布局的飞机总体参数做如下设置，如图2所示。
起飞重量100kg，设置其翼载为40kg/m2，巡航升阻比为12，最大升力系数为0.9，展弦比为10，电动螺旋桨功率载荷为9kg/kw，则空机重量系数为0.65，燃油重量系数为0.2。
活塞发动机可用功率为11kw，配1.2m直径桨叶，可产生静拉力50kg，巡航状态8kg拉力。
在起降状态，活塞发动机驱动螺旋桨通过倾转结构实现静拉力向上，则剩余50kg拉力由电机螺旋桨来负担。每个螺旋桨直径1米，可实现向上14kg拉力。能满足垂直起降拉力要求。
机身长度3m，机头最大直径0.15m，机身最大直径0.35m，机尾最大直径0.1m。
机翼面积为2.54m2，展长5.06m，平均气动弦长0.5m，根稍比0.8，根弦长0.57m，尖弦长0.45m，前缘后略角0°，机翼安装角为0°。
水平尾翼尾容0.5，平尾展弦比5，平尾根梢比0.8，平尾面积1.5m2，平尾后略角5°，平尾力臂1.5m，平尾展长1.47m，平尾根弦长0.32m，平尾尖弦长0.26m。
垂直尾翼尾容0.03，垂尾展弦比1.6，垂尾根梢比0.49，垂尾面积0.17m2，垂尾后略角20°，垂尾力臂1.5m，垂尾高度0.53m，垂尾根弦长0.44m，垂尾尖弦长0.22m。
上述实施例中的无人机，其能够实现的主要技术指标为：巡航高度≥1000m，巡航速度≥100km/h，续航时间≥7h，起飞重量≥100kg，有效载荷≥15kg。现有技术中纯电动的复合翼无人机的续航时间一般不超过1h，且电池组重量较大，远远重于本发明技术方案中的电池组的重量，通过对比，本发明技术方案中电池的重量可以减轻80％以上。相比单纯使用油动发动机的固定翼无人机，没有场地的限制，可以在很狭窄的舰船、楼顶等场所实现垂直起降，更灵活和方便。

Claims (10)

1.一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于包括：主螺旋桨(5)、副螺旋桨(6)、倾转机构(7)以及驱动装置(8)；在固定翼无人机的机身(1)头部安装有倾转机构(7)以及驱动装置(8)，主螺旋桨(5)安装在倾转机构(7)上，在驱动装置(8)的驱动下主螺旋桨(5)进行90°倾转，4个副螺旋桨(6)分别安装在固定翼无人机的固定机翼(2)上，每个固定机翼(2)前后各安装一个副螺旋桨(6)。
2.根据权利要求1所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：动力包括一套活塞发动机和一套电池组。
3.根据权利要求2所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：所述活塞发动机用于驱动主螺旋桨(5)，电池组用于驱动副螺旋桨(6)。
4.根据权利要求1所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：主螺旋桨(5)的两个工作状态分别为：平行于四个副螺旋桨(6)组成的平面、沿机身方向垂直于四个副螺旋桨(6)组成的平面。
5.根据权利要求4所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：无人机在空中飞行时，主螺旋桨(5)沿机身方向垂直于四个副螺旋桨(6)组成的平面，提供向前拉力；无人机处于起降状态时，倾转机构(7)竖起，主螺旋桨(5)平行于四个副螺旋桨(6)组成的平面，提供升力。
6.根据权利要求1所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：无人机起飞重量100kg，其翼载为40kg/m2，巡航升阻比为12，最大升力系数为0.9，展弦比为10，副螺旋桨(6)功率载荷为9kg/kw。
7.根据权利要求6所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：主螺旋桨(5)的桨叶直径为1.2m，活塞发动机可用功率为11kw，主螺旋桨(5)产生静拉力为50kg，无人机处于巡航状态时，主螺旋桨(5)提供8kg拉力。
8.根据权利要求6所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：副螺旋桨(6)直径1米，每个副螺旋桨(6)均实现14kg升力。
9.根据权利要求1所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：固定翼无人机的固定机翼(2)面积为2.54m2，展长5.06m，平均气动弦长0.5m，根稍比0.8，根弦长0.57m，尖弦长0.45m，前缘后略角0°，机翼安装角为0°。
10.根据权利要求1所述的一种机身可倾转的复合动力旋翼无人机，其特征在于：固定翼无人机的水平尾翼(3)尾容0.5，平尾展弦比5，平尾根梢比0.8，平尾面积1.5m2，平尾后略角5°，平尾力臂1.5m，平尾展长1.47m，平尾根弦长0.32m，平尾尖弦长0.26m；
垂直尾翼(4)尾容0.03，垂尾展弦比1.6，垂尾根梢比0.49，垂尾面积0.17m2，垂尾后略角20°，垂尾力臂1.5m，垂尾高度0.53m，垂尾根弦长0.44m，垂尾尖弦长0.22m。
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