CN107719671A - 一种涵道风扇推进全电动无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涵道风扇推进全电动无人机，属于无人机技术领域。本发明采用尾吊涵道风扇推进系统、机翼内安装高能量密度锂电池、下单翼、固定式起落架、H型尾翼布局设计，相对于传统活塞发动机，具有更环保、节能；更低振动和噪声；更高发动机可靠性；更高使用经济性及安全性；以及更高结构及气动效率。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，通过设计一种大载重、低噪声、高效率、抗风能力强且安全性能好的涵道风扇推进全电动无人机，应用于高分辨率对地观测、低振动低噪声特种飞行试验、高安全等级要求的飞行区域飞行、野生动物资源及大气环境监测。
背景技术
目前全电动汽车已经进入市场推广阶段，而多电飞机(如最新的波音B787及空客A350)已经进入民航开始运营，全电动飞机(空客E-Fan)也即将进入市场推广。由于电动飞机具有节能环保、低噪声、低振动、高可靠及高安全等特征，因此从未来发展趋势来看，小型电动飞机将是未来绿色航空的一个主要发展方向。
与传统活塞式或喷气式动力无人机相比，电动无人机具有低噪音、低振动、无污染、高可靠、高安全及低使用成本的特点，更加适用于完成高分辨率测绘、环境态势监控及特种摄影摄像、低振动低噪声特种飞行试验、野生动物资源及大气环境监测等任务。
发明内容
通过对国内外电动飞机的调研及分析，本发明提供一种涵道风扇推进全电动无人机，采用尾吊涵道风扇推进系统、机翼内安装高能量密度锂电池、下单翼、固定式起落架、H型尾翼布局设计，采用此布局的主要好处有：
(1)涵道风扇推进效率远高于螺旋桨推进，由于有涵道的遮蔽，噪声更低且更加安全；
(2)起落架可安装在机翼下方，因此起落架间距较大，有利于提高侧翻稳定性；
(3)全机采用复合材料以减轻重量；
(4)机翼及涵道风扇对平尾下洗影响降到最低；
(5)结构布置较容易，也有利于紧急情况时的迫降；
(6)机翼起降时的地效效果更明显。
本发明设计的涵道风扇推进全电动无人机具有以下优势：
(a)更环保、节能。
由于采用锂电池驱动电机，因此无人机在飞行过程中没有任何污染物排放。由于电机效率较传统活塞发动机更高，同时涵道风扇效率也远高于螺旋桨效率，因此本发明的无人机相对于传统活塞发动机驱动螺旋桨推进的无人机将会更节能。
(b)振动和噪声更低。
由于本发明的无人机采用电机驱动多叶片(8片动叶)涵道风扇推进，因此电机和风扇系统振动均较传统活塞发动机及螺旋桨要小很多。由于风扇叶片直径较传统螺旋桨小，因此风扇叶尖速度要低于螺旋桨桨尖速度，这样空气压缩性噪声将会大大降低；另外由于风扇转动时有涵道的包覆，因此风扇叶尖的涡流噪声也将大大降低；最后由于涵道对风扇噪声有一定的遮蔽和降噪效果，因此本发明的无人机的噪声将会远低于其他无人机。
(c)发动机可靠性更高。
由于传统航空活塞发动机的分系统很多(燃油系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、启动系统等)，因此相对于变频直流电机而言可靠性会低很多。另外本发明采用了2台涵道风扇发动机，因此当一台发动机失效后另外一台还可以保证飞机正常飞行，这样可靠性也将高于传统单台活塞发动机。
(d)使用经济性及安全性更高。
由于本发明的无人机采用高能量密度锂电池，因此使用成本将大大降低；由于没有燃油及产生高温的部件，因此使用安全性也将大大提升；最后由于涵道风扇有涵道的包覆，地勤人员的安全性也将较传统螺旋桨飞机高。
(e)结构及气动效率更高。
由于本发明的无人机采用全复合材料结构且采用大展弦比平直翼并配置高升阻比翼型，因此无人机的结构及气动效率将更高。
附图说明
图1A～1C是本发明的涵道风扇推进全电动无人飞机的三维结构示意图。
图2A和2B是涵道风扇结构示意图。
图3是机翼电池安装位置示意图。
图4是涵道对于风扇浆尖区域流场的影响示意图。
图5是桨剖面外形和涵道剖面外形对比图。
图6是桨叶沿径向扭角、相对厚度及相对(涵道内壁半径)弦长分布图。
图7为悬停状态单涵道风扇CFD计算压力分布以及流线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1A～1C是本发明提供的涵道风扇推进全电动无人机的三维结构示意图，所述的无人机包括机身1、涵道风扇推进系统2、机翼3、尾翼4和起落架5。所述机身1的外形沿轴线方向是均匀变化的，前机身可以安装任务载荷和电子设备，机头是全流线型外形以减小飞行阻力。机身1上从前到后依次布置机翼3、涵道风扇推进系统2和尾翼4。所述的机翼3为下单翼，采用高效大展弦比机翼，翼根翼梢采用不同翼型且带几何扭转，机翼3内侧安装高能量密度锂电池如图3所示，所述的锂电池均匀布置在机身两侧的机翼内部，靠近翼根。所述的尾翼4采用H型布局以减小涵道尾流的影响。所述的起落架5为带整流固定式起落架，安装在机翼4下方。
图2为涵道风扇推进系统2的结构示意图，包括涵道201、桨叶202、支撑片203和桨毂204，均为翼型结构。所述的涵道201采用尾吊式，在机身1两侧各布置一个。每个涵道201内均匀设置8个桨叶202和四个支撑片203，每个涵道201内的桨叶202分别由各自的电机驱动。所述的支撑片203的两端分别固定在桨毂204和涵道内壁，所述的桨叶叶尖尽量靠近涵道内壁但不接触。在涵道201内部安装支撑片203，一方面可以产生气动力来抵消桨叶旋转引起的反扭矩，另一方面将对前方来流变化极为敏感的旋转流场切碎，在支撑片203的尾部形成相对稳定的气流，增强无人机的控制性能。所述支撑片203的位置低于桨叶的位置。
图4是涵道对于风扇桨尖区域流场的影响示意图，由该图可知，开放的桨叶会将上下气流沟通，桨叶下方为高压区，桨叶上方为低压区，因此下方气流会翻转至上方产生自由涡，从而引起升力的损失。增加涵道可以阻碍桨叶上下气流的沟通，减少升力的损耗，因此在设计涵道的时候，桨尖也应尽量靠近涵道内壁，与此同时，将桨叶上方的涵道内壁面设计为流线型，同时尽量开阔，可以避免涵道束缚外部气流的流入，从而提高涵道效率。
图5为桨剖面外形和涵道剖面外形对比图，涵道翼型与桨叶翼型的x方向弦长相同，涵道翼型具有向侧为凸面。
图6为桨叶沿径向扭转角、相对厚度及相对(涵道内壁半径)弦长分布图，可以看出桨叶沿径向是非线性的复杂扭转曲面。所述相对厚度r/R，其中，r为桨叶的剖面半径，R为桨叶最大半径，相对厚度保持不变。
图7为悬停状态单涵道风扇CFD计算压力分布以及流线图。高速旋转的桨叶导致气流下洗，桨叶上方为低压区，下方为高压区，上下压差形成向上的正拉力。除此之外，在涵道唇口处为低压区，产生对涵道内壁的吸力，且在涵道内壁底端为高压区，二者同时对涵道整体产生额外的正拉力。
Claims (4)
1.一种涵道风扇推进全电动无人机，包括机身、机翼、起落架和尾翼；其特征在于：还包括涵道风扇推进系统和高能力密度锂电池；所述的涵道风扇推进系统包括涵道、桨叶、支撑片和桨毂，均为翼型结构；所述的涵道采用尾吊式，在机身两侧各布置一个；每个涵道内均匀设置8个桨叶和四个支撑片，每个涵道内的桨叶分别由各自的电机驱动，电机由高能量密度锂电池供电；所述的支撑片的两端分别固定在桨毂和涵道内壁，所述的桨叶叶尖尽量靠近涵道内壁但不接触。
2.根据权利要求1所述的一种涵道风扇推进全电动无人机，其特征在于：所述机身的外形沿轴线方向是均匀变化的；所述的机翼为下单翼，采用高效大展弦比机翼，翼根翼梢采用不同翼型且带几何扭转，机翼内侧安装高能量密度锂电池；所述的尾翼采用H型布局，所述的起落架为带整流固定式起落架，安装在机翼下方。
3.根据权利要求1所述的一种涵道风扇推进全电动无人机，其特征在于：所述支撑片的位置低于桨叶的位置。
4.根据权利要求1所述的一种涵道风扇推进全电动无人机，其特征在于：桨叶沿径向是非线性的复杂扭转曲面。
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