CN108045569A - 一种半环翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半环翼飞行器，包括舵机、推进器、机身、尾翼和与机身连接的半环翼，所述推进器通过控制器控制飞行姿态，所述半环翼设有四套，对称安装在机身两侧，所述前排半环翼边缘上分别设置有副翼，所述推进器通过旋转装置对应安装于半环翼上方，所述控制器通过旋转装置控制推进器角度，所述尾翼包括升降舵和方向舵，升降舵控制飞行器的俯仰姿态、方向舵控制飞行器的偏航姿态，本发明提供的飞行器结构简单，所述半环翼产生的升力远远大于直升机机翼的升力，本飞行器同时具备载重量大、飞行速度快、航程远、噪声小、能耗低等特点。

Description

一种半环翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种飞行器，具体涉及一种半环翼飞行器。

背景技术

飞行器是一种能够在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械，飞行器主要包括旋翼类和固定翼类，常见的比如直升飞机和固定翼飞机以及多旋翼飞行器。

直升飞机因为能够垂直起降，对起降条件，尤其是跑道要求很低，因而受到广泛应用，比如观光旅游、火灾救援、海上急救、缉私缉毒、消防、商务运输、医疗救助、通信以及喷洒农药杀虫剂消灭害虫、探测资源等国民经济的各个部门。但直升飞机缺点也很明显，例如载重量小，实用升限低，特别是速度低，因而也限制了其使用范围。

固定翼飞机出现早于直升飞机，因其载重量大，续航能力强，实用升限高，安全舒适等一系列优点而大量运用在运输、观测、军事等领域，但其价格昂贵、对机场要求高等缺点也很明显。

多旋翼飞行器是近年来出现的一种飞行器，多是四旋翼、六旋翼或八旋翼无人飞行器，其具有小巧、操控方便、结构简单、机械稳定性好、成本低廉、性价比很高等特征，但因其载重量较小，留空时间短，因此多是在玩具、航模、农业等少数领域使用。

在航空历史上还出现过一种半环形机翼（Half ring wing）飞行器，拥有一种外观为半环形，相当于环形机翼一半，分置于飞机两侧的机翼，这种机翼拥有良好的升力，短距起降优势非常明显，但是由于种种原因，这种半环翼机翼的飞行器并没有大规模推广使用。

近年来随着美国V22鱼鹰倾转旋翼机的兴起，各国都在加强倾转旋翼机的研究，V22既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有固定翼飞机的高速巡航飞行的能力，优势是相当明显的，但是V22的缺点也相当明显，结构复杂，维护成本高，翼载荷高，垂直起降时富余动力不足，导致故障频发。

发明内容

针对背景技术各类飞行器的不足，本发明研究开发了一种结构简单，翼载荷低，动力充沛的可以垂直短距起降半环翼飞行器。

本发明的技术解决方案：

一种半环翼飞行器，包括舵机、推进器、机身、尾翼和与机身连接的半环翼，所述推进器通过控制器控制飞行姿态，其特征在于：所述半环翼设有四套，对称安装在机身两侧，所述前排半环翼边缘上分别设置有副翼，所述推进器通过旋转装置对应安装于半环翼上方，所述控制器通过旋转装置控制推进器角度，所述尾翼包括升降舵和方向舵，升降舵控制飞行器的俯仰姿态、方向舵控制飞行器的偏航姿态。

所述旋转装置转动范围为0到180度。

所述控制器包括联轴器、减速组和减速组安装座，联轴器与旋转装置连接，并通过减速组安装在减速组安装座上。

所述推进器为活塞式航空发动机，燃气涡轮发动机或冲压发动机。

所述旋转装置为中空结构的转轴，转轴中设置有为推进器提供动力的油路或电路，一段连接推进器，另一端连接机身油箱或电源。

所述推进器为活塞式航空发动机，其螺旋桨直径大于半环翼宽度。

所述副翼为可折叠结构，可以折叠收放在半环翼的下方。

所述副翼后部内侧边缘设有后缘襟翼。

本发明的有益效果：

本发明通过将半环翼和可以调整角度的推进器设计相结合，具有如下优点：

1.速度快，直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，极限速度低，而本飞行器平飞时和串列固定翼相同，飞行速度更快；

2.噪声小，倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞行器的方式飞行，因此噪声比直升机小得多；

3.航程远，倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞行器的方式飞行，因此航程比直升机远得多；

4.载重量大，相比较直升机和v22，多旋翼具有更多的动力机构，可以提供更大的升力，因此载重量更大；

5.能耗低，本发明在巡航飞行时，半环翼产生的升力远远大于直升机机翼的升力，且旋翼转速较低，所以能耗比直升机低；

6.翼载荷低，串列翼加半环翼的设计，机翼面积增加，因此翼载荷更低；空中姿态更稳定，利用附壁效应增加升力系数，可以用一般飞机不能允许的小速度做大坡度盘旋，失速特性平和；可靠性及安全性更高，因为动力机构向比较v22更多，在应付极端突发状况时富余动力更足安全性更高。

附图说明

图1:本发明结构原理示意图。

图2:本发明控制器结构原理示意图。

图3:本发明旋转装置为0°时结构原理示意图。

图4:本发明旋转装置为90°时结构原理示意图。

图5:本发明旋转装置为180°时结构原理示意图。

图6:本发明飞行器控制原理示意图。

图7:本发明飞行器控制电路示意图。

其中：1 机身 、2 旋转装置 、2-1 前旋转装置、 2-2 后旋转装置、 3 半环翼 、3-1 左前半环翼 、3-2 右前半环翼、 3-3 左后半环翼、 3-4 右后半环翼、 4 推进器、 4-1左前推进器、 4-2 右前推进器、 4-3 左后推进器、 4-4 右后推进器、 5 联轴器、 5-1 前联轴器、 5-2 后联轴器、6 减速组、6-1前减速组、6-2后减速组、 7 减速组安装座、7-1 前减速组安装座、 7-2 后减速组安装座 、8 副翼 、8-1 左副翼 、8-2 右副翼 、9 襟翼 9-1左襟翼 9-2 右襟翼、10 尾翼 、10-1 升降舵、10-2 方向舵、11 发射机、12 接收机、13 辅助控制器、14 角度传感器、15 固定翼飞控模块、16 多旋翼飞控模块、17 8路联动单刀双掷模拟开关、18 舵机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步描述：

如图1至7所示，一种半环翼飞行器，包括舵机18、推进器4、机身1、尾翼10和与机身1连接的半环翼3，所述推进器4通过控制器控制飞行姿态，所述控制器包括联轴器5、减速组6和减速组安装座7，联轴器5与旋转装置2连接，并通过减速组6安装在减速组安装座7上，所述半环翼3设有四套，对称安装在机身1两侧，所述前排半环翼边缘上分别设置有副翼8，所述副翼8为可折叠结构，可以折叠收放在半环翼3的下方，所述副翼8后部内侧边缘设有后缘襟翼9。所述推进器4通过旋转装置对应安装于半环翼3上方，所述控制器通过旋转装置2控制推进器4角度，所述旋转装置2转动范围为0到180度，所述旋转装置2为中空结构的转轴，转轴中设置有为推进器4提供动力的油路或电路，一段连接推进器4，另一端连接机身1油箱或电源，所述推进器4为活塞式航空发动机，燃气涡轮发动机或冲压发动机，当推进器4为活塞式航空发动机，其螺旋桨直径大于半环翼宽度，所述尾翼10包括升降舵10-1和方向舵10-2，升降舵10-1控制飞行器的俯仰姿态、方向舵10-2控制飞行器的偏航姿态。

具体控制原理和过程：

当旋转装置2为0°时，飞行器为固定翼飞控模式，当旋转装置2为90°时，飞行器为多旋翼飞控模式。

本发明通过控制系统控制飞行器的飞行状态，控制系统包括发射机11、辅助控制器13、接收机12、角度传感器14、舵机18和8路联动单刀双掷模拟开关17，所述辅助控制器13、接收机12、角度传感器14和舵机18位于机身1内部，所述发射机11位于地面，所述发射机11与接收机12通过2.4G无线模块通讯，控制操作指令通过发射机11传送给接收机12，所述接收机12与固定翼飞控模块15、多旋翼飞控模块16连接，所述多旋翼飞控模块16通过8路联动单刀双掷模拟开关17的通道与推进器4连接，所述固定翼飞控模块15通过8路联动单刀双掷模拟开关17与舵机18连接，舵机18用来控制飞行器的副翼、升降舵10-1和方向舵10-2，从而控制飞行器的飞行姿态，所述辅助控制器13分别与8路联动单刀双掷模拟开关17、角度传感器14、减速组6、接收机12连接，所述角度传感器14与减速组6连接。

地面手动操作指令通过发射机11转为无线的模拟量信号，接收机12接收到模拟量信号转换为pwm信号通过信号线传给多旋翼飞控模块16、固定翼飞控模块15和辅助控制器，辅助控制器13根据接收机12信号，控制8路单刀双掷模拟开关17的通道选择和减速组6的控制，角度变化信号传输给辅助控制器13，辅助控制器13根据设定的角度决定8路单刀双掷模拟开关17通道选择，从而完成多旋翼飞控模式和固定翼飞控模式的切换。

例如：垂直起飞时，默认设定为多旋翼飞控模式，飞手推发射机11油门输出远程模拟量信号，接收机12接收到模拟量信号后变为PWM信号，两路飞控同时接到油门增加的信号，因为默认在多旋翼飞控模式，所以只有多旋翼飞控输出控制信号接入给推进器4，推进器4按照飞控指令工作，飞控设定为姿态自稳，飞行器垂直起飞。但飞手拨飞行模式切换按钮时，信号通过发射机11到接收机12到辅助控制器13，辅助控制器13接到信号后调整减速组6，推进器4的倾斜角度开始变化，此时仍然由多旋翼模式飞控模块16控制姿态，只是因为拉力角度的变化飞行器开始前飞，多旋翼飞控模块16调节油门保持当前高度，角度传感器14负责检测倾斜角度变化，当角度到达设定值时，辅助控制器控制8路单刀双掷模拟开关切换通道，固定翼模式飞控的控制信号接入推进器4和舵机18，此时飞行器按照固定翼模式飞行。

实施例1：起飞

一、滑跑模式

利用起落架在跑道上滑跑起飞，舵机18控制襟翼9向下翻，增大升力，此时旋转装置2角度位于0°位置，推进器4产生向后的推力，舵机18控制升降舵10-1向下翻，飞行器产生一个抬头力矩，飞行器离地，随着飞行器飞行速度逐渐升高，舵机18控制升降舵10-1向上翻，飞行器产生一个低头力矩，将飞行器的姿态调平，舵机18控制襟翼9收起，从而进入平飞状态。

二、短距起飞

通过控制器调整旋转装置2角度，通常在0°到90°之间，舵机18控制襟翼9向下翻，增大升力，此时推进器4产生的推力向斜后下方，推力可以分解为向后、向下两个方向的力，舵机18控制升降舵10-1向下翻，飞行器产生一个抬头力矩，同时飞行器向前方滑跑，当向上的力和半环翼3产生的升力之和大于飞行器重量时，飞行器离地起飞，舵机18控制襟翼9收起，舵机18控制升降舵10-1向上翻，飞行器产生一个低头力矩，此模式旋转装置2角度越接近90°，滑行距离越短。

三、垂直起飞

通过控制器调整旋转装置2角度，此时旋转装置2处于90°位置，推进器4产生的推力垂直拉升机身，当推力大于飞行器重量的时候，飞行器起飞，舵机18控制襟翼9收起。

实施例2：空中姿态

一、悬停

通过控制器调整旋转装置2角度，此时旋转装置2处于90°位置，推进器4产生的推力垂直向下，当控制推力与飞行器重量相同时，飞行器处于悬停状态。

二、空中筋斗

在悬停姿态时，通过增加飞行器左侧推进器（4-1、4-3）推力，同时减少右侧推进器（4-2、4-4）推力，同时舵机18控制方向舵10-2向右翻，因飞行器两侧的动力差对飞行器产生一个向右的偏航力矩，反之则产生向左的偏航力矩，亦可以前后翻筋斗。

三、正常飞行

与滑跑起飞相同，飞行器的旋转装置2角度位于0°位置，推进器4产生向后的推力，此时飞行器处于平飞状态，通过调整飞行器推进器4动力大小来调整速度，通过升降舵10-1控制飞行器的俯仰状态，通过方向舵10-2来控制飞行器的偏航状态。

四、低速飞行

1.与正常飞行模式相同，通过降低推进器4动力来实现，因半环翼3升力大的特点，此时飞行器可以保持相对较低的速度；

2. 通过控制器调整旋转装置2角度，通常在0°到90°之间，再通过控制推进器4推力来实现飞行器的低速飞行。

五、倒飞

通过控制器调整旋转装置2角度，通常在90°到180°之间，此时推进器4产生的推力向斜前方，推力可以分解为向后、向上两个方向的力，再通过控制推进器4推力来实现飞行器的向后飞行。

实施例3：降落

一、垂直降落

通过调整旋转装置2角度，此时旋转装置2处于90°位置，推进器4产生的推力垂直向下，通过减小推力，使推力逐渐小于飞行器重量，实现飞行器垂直降落。

二、短距着落

通过控制器调整旋转装置2角度，通常在0°到90°之间，此时推进器4产生的推力向斜后方，推力可以分解为向前、向上两个方向的力，然后逐渐降低推进器4推力，同时舵机18控制升降舵10-1向上翻，飞行器产生一个低头力矩，实现飞行器短距着陆。

三、滑跑降落

此时旋转装置2角度位于0°位置，推进器4产生向后的推力，逐渐降低推进器4的动力，半环翼的升力也逐渐减小，舵机18控制升降舵10-1向上翻，飞行器产生一个低头力矩，飞行器向下飞行，随着飞行器飞行速度逐渐降低，打开起落架，着陆后关闭推进器4，利用起落架在跑道上滑跑，速度逐渐降低直至停止。

除上述实施例，本飞行器还可以通过控制推进器动力和倾角实现其它多种姿态。

综上，本发明达到预期目的。

Claims (8)

1.一种半环翼飞行器，包括舵机、推进器、机身、尾翼和与机身连接的半环翼，所述推进器通过控制器控制飞行姿态，其特征在于：所述半环翼设有四套，对称安装在机身两侧，所述前排半环翼边缘上分别设置有副翼，所述推进器通过旋转装置对应安装于半环翼上方，所述控制器通过旋转装置控制推进器角度，所述尾翼包括升降舵和方向舵，升降舵控制飞行器的俯仰姿态、方向舵控制飞行器的偏航姿态。

2.如权利要求1所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述旋转装置转动范围为0到180度。

3.如权利要求1所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述控制器包括联轴器、减速组和减速组安装座，联轴器与旋转装置连接，并通过减速组安装在减速组安装座上。

4.如权利要求1所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述推进器为活塞式航空发动机，燃气涡轮发动机或冲压发动机。

5.如权利要求1或2所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述旋转装置为中空结构的转轴，转轴中设置有为推进器提供动力的油路或电路，一段连接推进器，另一端连接机身油箱或电源。

6.如权利要求4所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述推进器为活塞式航空发动机，其螺旋桨直径大于半环翼宽度。

7.如权利要求1所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述副翼为可折叠结构，可以折叠收放在半环翼的下方。

8.如权利要求1所述的半环翼飞行器，其特征在于：所述副翼后部内侧边缘设有后缘襟翼。