CN108177777B - 一种基于翼尖涡流增升的飞行器 - Google Patents

一种基于翼尖涡流增升的飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞行器领域，公开了一种基于翼尖涡流增升的飞行器，包括机身和固定在机身上的主机翼，主机翼上安装有主机翼动力组，主机翼动力组包括主机翼电机与主机翼螺旋桨，其特征在于，还包括固定在机身上的鸭翼，以及安装在鸭翼上的鸭翼动力组，鸭翼动力组包括鸭翼电机与鸭翼螺旋桨，其中，鸭翼位于主机翼的上方，鸭翼螺旋桨位于鸭翼的翼尖，且鸭翼螺旋桨的旋向与所在鸭翼的翼尖涡流的旋向一致。本发明通过在鸭翼的翼尖设置与翼尖涡旋向相同的鸭翼螺旋桨，增强鸭翼的翼尖涡旋以向主机翼提供涡升力，从而达到增升的效果，提升了飞行器的升阻比，增加了飞行器载重与续航能力。

Description

一种基于翼尖涡流增升的飞行器
技术领域
本发明涉及飞行器领域，尤其是涉及无人飞行器领域。
背景技术
随着技术的发展，无人机在物流运输、高压电线巡检、油气管道巡检、地质勘探、环境监控、深林防火、精准农业、边防巡逻等领域的应用潜力广阔。
固定翼飞行器是飞行器中的一种，指通过固定在机身上的机翼产生升力，固定翼产生升力的原理在于上下翼面之间的压力差，该压力差除了会产生升力之外，还会在机翼的翼尖产生翼尖涡流，所谓翼尖涡流是指下翼面的气流绕过翼尖流向上翼面后卷绕形成的漩涡，该漩涡向后流出即形成翼尖涡流，翼尖涡流会造成航空器的不稳定，同时会削弱所在翼面的升力，因此现有技术中的飞行器均以削弱翼尖涡流为主，而没有尝试通常通过加强翼尖涡流以增加升力的方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于翼尖涡流增升的飞行器，用于打破现有技术中的误区，实现翼尖涡流的有效利用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于翼尖涡流增升的飞行器，包括机身和固定在机身上的主机翼，主机翼上安装有主机翼动力组，主机翼动力组包括主机翼电机与主机翼螺旋桨，其特征在于，还包括固定在机身上的鸭翼，以及安装在鸭翼上的鸭翼动力组，鸭翼动力组包括鸭翼电机与鸭翼螺旋桨，其中，鸭翼位于主机翼的上方，鸭翼螺旋桨位于鸭翼的翼尖，且鸭翼螺旋桨的旋向与所在鸭翼的翼尖涡流的旋向一致。
作为上述方案的进一步改进方式，机身的上表面包括向机身外部方向凸出的第一弧形面，机身的下表面包括第五弧形面，第一弧形面的曲率大于第五弧形面的曲率。
作为上述方案的进一步改进方式，机身的下表面还包括与第五弧形面的前端连接的第二弧形面，以及与第五弧形面的后端连接的第三弧形面，第一弧形面的前端与第二弧形面之间，以及第一弧形面的后端与第三弧形面之间的切线的夹角不大于90°。
作为上述方案的进一步改进方式，第一弧形面至第五弧形面的间距沿机身的中轴线至两侧的方向依次减小。
作为上述方案的进一步改进方式，机身的侧面包括向机身外部方向凸出的第四弧形面，且两侧第四弧形面的间距由机身的前端至后端的方向依次增加。
作为上述方案的进一步改进方式，鸭翼动力组位于飞行器的重心的上方，主机翼动力组位于飞行器的重心的下方。
作为上述方案的进一步改进方式，通过主机翼螺旋桨与鸭翼螺旋桨之间的推力差产生用于降低鸭翼负载的抬头力矩。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括固定在机身上的竖直尾翼，竖直尾翼在机身处于垂直起降状态时支撑机身。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括转动连接在竖直尾翼上的调节舵面。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括安装在主机翼的翼尖位置的翼尖螺旋桨，翼尖螺旋桨的旋向与所在主机翼的翼尖涡流的旋向相反。
本发明的有益效果是：
本发明通过在鸭翼的翼尖设置与翼尖涡旋向相同的鸭翼螺旋桨，增强鸭翼的翼尖涡旋以向主机翼提供涡升力，从而达到增升的效果，提升了飞行器的升阻比，增加了飞行器载重与续航能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的立体示意图；
图2是本发明一个实施例的正视图；
图3是本发明一个实施例的侧视图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
参照图1至图3，分别示出了本发明一个实施例的立体示意图、正视图与侧视图。如图所示，飞行器包括机身1、主机翼2、鸭翼3、主机翼动力组与鸭翼动力组。
本发明的机身1除了作为连接机翼的承载结构之外，还可以作为升力体辅助提供升力。具体地，机身1包括上表面、下表面以及连接上、下表面的侧面，其中，下表面包括第五弧形面15，上表面包括向机身1外部方向凸出的第一弧形面11，第一弧形面11的曲率大于第五弧形面15的曲率，类似于机翼上、下翼面的构造，通过压力差提供升力。
为了减少风阻，机身的下表面还包括与第五弧形面15的前端连接的第二弧形面12，以及与第五弧形面15的后端连接的第三弧形面13，第一弧形面11的前端与第二弧形面12之间，以及第一弧形面11的后端与第三弧形面13之间的切线的夹角不大于90°，使得机身整体成流线体。
此外，机身的侧面包括向机身外部方向凸出的第四弧形面14，且两侧第四弧形面14的间距由机身1的前端至后端的方向依次增加。第一弧形面11至第五弧形面15的间距沿机身1的中轴线至两侧的方向依次减小。
本发明的机身结构在保证有足够的载物空间的基础上，还能够提供一定的升力，形成机身1、主机翼2、鸭翼3共同提供升力以分担整机重量的分散性结构。
主机翼2作为输出升力的主要部件，可以采用公知的机翼结构。主机翼2对称的固定在机身1的两侧，其上安装有主机翼动力组，主机翼动力组包括主机翼螺旋桨4与主机翼电机5，主机翼动力组同样对称分布。本实施例中一侧主机翼2上安装有一个主机翼动力组，但这不应视为对本发明的限制，在其他的实施例中，也可以是在一侧主机翼2上安装多个主机翼动力组，以形成分布式推进，主机翼螺旋桨4的转动方向根据需要可以调节。
主机翼2的后侧还设有主机翼舵面21，主机翼舵面21与主机翼2转动连接，并通过未示出的舵机驱动，两侧的主机翼舵面21独立控制。
鸭翼3对称的固定在机身1的两侧，其相对主机翼2位于机身1的前端，并位于主机翼2的上方。鸭翼3上安装有鸭翼动力组，鸭翼动力组包括鸭翼螺旋桨6与鸭翼电机7，鸭翼动力组同样对称分布。
本发明中鸭翼3的长度短于主机翼2，鸭翼动力组安装在鸭翼3的翼尖位置，且鸭翼螺旋桨6的旋向与所在鸭翼3的翼尖涡流的旋向一致，即从图2中所示而言，右侧的鸭翼螺旋桨6沿逆时针方向转动，左侧的鸭翼螺旋桨6沿顺时针转动。
本发明通过在鸭翼3的翼尖设置与翼尖涡旋向相同的鸭翼螺旋桨6，可以增加翼尖涡流的强度，当翼尖涡流向后流动至主机翼2的上翼面时可以向主机翼2提供涡升力，虽然翼尖涡流会对鸭翼3的升力造成一定的影响，但是由于主机翼2所提供的升力大于鸭翼3，从整体上来看，翼尖涡流对主机翼2的升力提升大于对鸭翼3的升力削弱，即通过合理增强鸭翼3上的翼尖涡流，可以对飞行器的整体升力进行提升。
为保证稳定性，飞行器的重心位置应在整机气动中心之前的范围内变化，且越靠前稳定性越好，然而对于传统的鸭式布局飞机而言，重心太靠前将加大鸭翼的升力负担，从而迫使鸭翼的迎角增加，阻力也随之增加。基于此，本发明中的鸭翼动力组位于飞行器的重心的上方，主机翼动力组位于飞行器的重心的下方，两者对重心形成的力矩，从而具有调节机身俯仰的作用，比如在鸭翼负载太大的情况下，可以通过增加主机翼动力组的推力，减少鸭翼动力组的推力产生抬头力矩，从而抵消部分的低头力矩，减小鸭翼的负载，进而减小阻力，降低对重心位置的依赖程度，扩展飞行包线，使得飞行器能够更加灵活的承载物体。
鸭翼3的后侧设有鸭翼舵面31，鸭翼舵面31与鸭翼3转动连接，并由未示出的舵机驱动，两侧的鸭翼舵面31独立控制。主机翼舵面21、鸭翼舵面31、主机翼动力组与鸭翼动力组共同实现对飞行器飞行姿态的控制，具体地，鸭翼舵面31与主机翼舵面21的差动完成飞行器绕Y轴的俯仰操作，而机身两侧舵面的差动完成飞行器绕X轴的滚转，另外机身两侧动力组的推力差完成飞行器绕Z轴的偏航操作，本发明的飞行器可以采用任何已知的且可配合螺旋桨工作的姿态调节系统，对此不作具体限定。
优选地，鸭翼舵面31位于鸭翼螺旋桨6的后方，主机翼舵面21位于主机翼螺旋桨4的后方，利用鸭翼螺旋桨6、主机翼螺旋桨4对空气的扰动强化舵面的操控能力。
本发明优选还设置有竖直尾翼8，竖直尾翼8固定在机身1的上下两侧，其一方面起到偏航稳定的作用，另一方面也可以作为支撑结构，用于在飞行器处于竖直状态时支撑机身，实现本发明的垂直起降。
进一步地，本发明还可以包括转动连接在竖直尾翼上的调节舵面(未示出)，使得尾翼也起到偏航调节的作用。
此外，为了弱化主机翼2上的翼尖涡流对升力的不利影响，本发明还可以包括安装在主机翼2的翼尖位置的翼尖螺旋桨(未示出)，翼尖螺旋桨的旋向与所在主机翼的翼尖涡流的旋向相反，以抵消翼尖涡流。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于翼尖涡流增升的飞行器，包括机身和固定在所述机身上的主机翼，所述主机翼上安装有主机翼动力组，所述主机翼动力组包括主机翼电机与主机翼螺旋桨，其特征在于，还包括固定在所述机身上的鸭翼，以及安装在所述鸭翼上的鸭翼动力组，所述鸭翼动力组包括鸭翼电机与鸭翼螺旋桨，其中，所述鸭翼位于所述主机翼的上方，所述鸭翼螺旋桨位于所述鸭翼的翼尖，且所述鸭翼螺旋桨的旋向与所在鸭翼的翼尖涡流的旋向一致，用于增加翼尖涡流的强度，当翼尖涡流向后流动至所述主机翼的上翼面时向所述主机翼提供涡升力；
所述鸭翼动力组位于所述飞行器的重心的上方，所述主机翼动力组位于所述飞行器的重心的下方；
通过所述主机翼螺旋桨与所述鸭翼螺旋桨之间的推力差产生用于降低所述鸭翼负载的抬头力矩；
还包括安装在所述主机翼的翼尖位置的翼尖螺旋桨，所述翼尖螺旋桨的旋向与所在主机翼的翼尖涡流的旋向相反。
2.根据权利要求1所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，所述机身的上表面包括向机身外部方向凸出的第一弧形面，所述机身的下表面包括第五弧形面，所述第一弧形面的曲率大于所述第五弧形面的曲率。
3.根据权利要求2所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，所述机身的下表面还包括与所述第五弧形面的前端连接的第二弧形面，以及与所述第五弧形面的后端连接的第三弧形面，所述第一弧形面的前端与所述第二弧形面之间，以及所述第一弧形面的后端与所述第三弧形面之间的切线的夹角不大于90°。
4.根据权利要求2所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，所述第一弧形面至所述第五弧形面的间距沿所述机身的中轴线至两侧的方向依次减小。
5.根据权利要求1所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，所述机身的侧面包括向机身外部方向凸出的第四弧形面，且两侧所述第四弧形面的间距由所述机身的前端至后端的方向依次增加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，还包括固定在所述机身上的竖直尾翼，所述竖直尾翼在所述机身处于垂直起降状态时支撑所述机身。
7.根据权利要求6所述的基于翼尖涡流增升的飞行器，其特征在于，还包括转动连接在所述竖直尾翼上的调节舵面。
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