CN108382578B - 一种高速混合布局垂直起降飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速混合布局垂直起降飞行器，所述飞行器包括有两个支架，分别位于机身两侧且伸展方向分别与机身纵轴平行，且连接在机身两侧固定翼机翼沿翼展方向的中部，每一支架的两端分别连接有整流罩、舵机、旋翼电机和旋翼，整流罩为可开合结构，具有固定部分和可动部分，旋翼安装于支架下方，舵机和位于整流罩内部的连杆结构控制整流罩的开合，旋翼电机用于控制旋翼的旋转，舵机、旋翼电机和旋翼均连接在整流罩内部，在整流罩完全闭合时，舵机、旋翼电机和旋翼能够位于整流罩内部。通过本发明所提供的高速混合布局垂直起降飞行器，能够解决外置电机和旋翼所带来的气动阻力问题，提高垂直起降和高速平飞的性能，增加使用寿命。

Description

一种高速混合布局垂直起降飞行器

【技术领域】

本发明涉及航空飞行器总体设计、结构设计与气动设计领域，特别是涉及一种高速混合布局垂直起降飞行器。

【背景技术】

常规的多旋翼飞行器，例如直升机，都是通过倾转机身和调节旋翼输出实现平飞，但这样使得前飞最大速度受到电机输出和平衡力矩的限制，因此最大巡航速度远远小于固定翼飞行器，而常见的固定翼飞行器则无法完成多旋翼飞行器的垂直起降，悬停和低速飞行等功能。因此混合布局飞行器在结合了多旋翼飞行器和固定翼飞行器的飞行特点后，兼具二者优势，其应用前景十分宽广，经济前景良好。

目前国内外现有成熟的垂直起降飞行器，例如CW-20混合布局无人机等，结合了多旋翼飞行器及固定翼飞行器的优点，兼具垂直起降及高速平飞性能。这种飞行器是将多旋翼与固定翼结合，其飞行状态转换由以下几个部分组成：在起飞时，与普通多旋翼无人机相似，由旋翼产生的升力实现垂直起飞；当到达一定高度后，逐渐增加前飞推进装置的推力，使飞行器获得一定的水平速度，同时减小旋翼转速；当平飞速度增至可以使固定翼的翼面产生足够的升力时，将旋翼转速降为零。目前这种布局的混合式飞行器已经成功实现了飞行，初步达到了垂直起降飞行和转换过渡飞行的效果。

但是由于旋翼外露以及电机外露导致平飞状态的气动阻力变大，电机以及旋翼负载也随之增大，所以现有飞行器产品难以实现高速飞行，且寿命较短。因此，对于目前较为成熟的混合式布局飞行器，其具有以下几点不足：

1、电机以及旋翼安装在支架上方而气流下吹，电机支架以及固定翼机翼对垂直起降阶段旋翼的拉力造成损耗，影响垂直起降性能。

2、高速平飞状态时，电机以及旋翼外露产生的附加气动阻力过大，影响高速飞行性能。

3、高速飞行过程中，气流对外露的电机以及旋翼的载荷较大，引起结构振动，降低其使用寿命。

基于以上情况，对于设计一种能够克服上述缺点，兼具垂直起降性能及稳定的高速平飞性能的旋翼固定翼复合式飞行器，是本领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高速混合布局垂直起降飞行器，在使用过程中能够解决外置电机和旋翼所带来的气动阻力问题，提高垂直起降和高速平飞的性能，增加使用寿命。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速混合布局垂直起降飞行器，包括机身、固定翼机翼、固定翼水平尾翼、固定翼垂直尾翼、固定翼电机、固定翼电机螺旋桨和起落架，还包括支架、整流罩、旋翼、旋翼电机、舵机和连杆结构。所述的支架有两个，分别位于机身两侧并固定在固定翼机翼上，两个支架的结构相同，每个支架的两端的下方连接整流罩，所述整流罩为可开合结构，内部设置旋翼、旋翼电机、舵机和连杆结构，旋翼电机和舵机连接在支架上，旋翼与旋翼电机连接，舵机通过连杆结构控制整流罩的开合。

在垂直起飞过程中，所述整流罩处于打开状态，位于所述支架下方的所述旋翼产生下吹气流，实现垂直起飞；在由平飞过程转换过渡至垂直降落过程中，所述舵机控制所述整流罩打开，露出旋翼电机以及所述旋翼，所述旋翼电机随后启动使所述旋翼旋转，实现垂直降落。所述整流罩打开后位于所述支架两侧不会对所述旋翼电机及所述旋翼造成影响，闭合后则包裹住所述旋翼电机以及旋翼，并且贴合在支架下方，不会对平飞性能产生影响。

本发明的优点在于：

1、提出了一种兼具多旋翼飞行器垂直起降性能及固定翼飞行器高速平飞性能的新概念旋翼固定翼复合式飞行器；

2、解决了现有混合布局飞行器垂直起降阶段机翼以及支架对旋翼下吹气流产生的扰动；

3、在平飞模式下，通过整流罩对电机以及旋翼进行整流，降低旋翼带来的附加气动阻力，使得飞行器可以达到较高的飞行速度。

【附图说明】

图1为本发明高速混合布局垂直起降飞行器垂直起降状态示意图；

图2为本发明高速混合布局垂直起降飞行器水平飞行状态示意图；

图3为本发明高速混合布局垂直起降飞行器垂直起降状态侧仰视图；

图4为本发明高速混合布局垂直起降飞行器水平飞行状态侧仰视图；

图5为整流罩完全开启状态示意图；

图6为整流罩在旋翼停转过渡状态示意图；

图7为整流罩完全闭合状态示意图；

图8为整流罩完全开启状态侧仰视示意图；

图9为整流罩在旋翼停转过渡状态侧仰视示意图；

图10为整流罩完全闭合状态侧仰视示意图；

图11为整流罩完全开启状态局部放大示意图；

图12为整流罩在旋翼停转过渡状态局部放大示意图；

图13为整流罩完全闭合状态局部放大示意图；

图14为整流罩打开状态内部连杆结构示意图；

图15为整流罩闭合状态内部连杆结构示意图；

图中：

1、支架； 2、整流罩； 3、固定翼机翼； 4、机身；

5、固定翼水平尾翼； 6、固定翼垂直尾翼； 7、固定翼电机； 8、舵机；

9、连接杆B； 10、整流罩连接螺栓； 11、旋翼； 12、固定翼电机螺旋桨；

13、舵机双头机臂； 14、连接杆槽A； 15、起落架； 16、旋翼电机；

17、连接杆A； 18、连接杆槽A＇； 19、连接杆槽B； 20、连接杆槽B＇。

【具体实施方式】

本发明的核心是提供一种高速混合布局垂直起降飞行器，由传统四旋翼与固定翼布局相结合，在使用过程中通过开闭整流罩来实现低气动阻力的垂直起降以及高速水平飞行。

为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1～图4所示，本发明提供的一种高速混合布局垂直起降飞行器，包括：机身4，与所述机身4中部连接的固定翼机翼3，位于所述机身4尾部的固定翼水平尾翼5，位于所述固定翼水平尾翼5两端的固定翼垂直尾翼6，以及位于所述机身4头部的固定翼电机7，位于机身4下方的起落架15；还包括支架1、整流罩2、旋翼11、旋翼电机16、舵机8和连杆结构。

所述固定翼电机7大部分内埋在所述机身4内，只露出所述固定翼电机7的头部，固定翼电机螺旋桨12连接在所述固定翼电机7头部上，与所述机身4成垂直分布；所述固定翼机翼3与所述固定翼水平尾翼5连接在机身4上，所述固定翼垂直尾翼6垂直连接在所述固定翼水平尾翼5上；起落架15连接在所述机身4下方。

支架1有两个，分别位于所述机身4两侧且连接在固定翼机翼3上沿翼展方向的中部位置；所述支架1的伸展方向分别与所述机身4纵轴平行，前后伸展长度相等；两个所述支架1的结构相同，每个所述支架1的两端的下方分别连接整流罩2，整流罩2内部设置旋翼电机16、旋翼11、舵机8及连杆结构，所述舵机8和连杆结构用于控制所述整流罩2的开闭，所述旋翼电机16用于控制所述旋翼11的旋转；所述舵机8、所述旋翼电机16和所述旋翼11均在所述整流罩2的内部，舵机8和旋翼电机16固定在支架1上；在所述整流罩2完全闭合时，所述舵机8、所述旋翼电机16和所述旋翼11能够完全位于所述整流罩2内部。

如图5～图10所示，以其中一个所述整流罩2的结构为例，所述整流罩2为可开合结构，具有固定部分和可动部分，所述整流罩2的固定部分与所述支架1通过整流罩连接螺栓10进行连接，所述旋翼11工作时，所述整流罩2打开在旋翼11上方，所述旋翼11停转后所述整流罩2也随后闭合，所述的旋翼11位于整流罩2内部。如图3所示，所述旋翼电机16位于所述整流罩2内部并且连接在所述支架1上。所述旋翼11连接在所述旋翼电机16上，每个所述旋翼11都由一个所述旋翼电机16单独控制，所述旋翼11的旋转直径小于所述整流罩2闭合时沿所述支架1方向的长度，所述旋翼11的旋转半径小于所述旋翼电机16到固定翼电机螺旋桨12的距离，且旋翼11的旋转半径小于所述旋翼电机16到固定翼垂直尾翼6的距离，因此不会产生旋转干涉。

如图14和图15所示，为位于任一所述支架1上任一所述整流罩2内部的连杆结构，所述舵机8位于所述整流罩2内部中间并连接在所述支架1上，舵机双头机臂13中部连接在所述舵机8上，由所述舵机8带动所述舵机双头机臂13旋转，所述舵机双头机臂13的两端分别连接有连接杆槽A＇18和连接杆槽B19，所述连接杆槽A＇18与连接杆A17的一端螺纹连接，所述连接杆A17的另一端与连接杆槽A14相连；所述连接杆槽B19与连接杆B9的一端连接，所述连接杆B9的另一端与连接杆槽B＇20相连。所述连接杆槽A14和所述连接杆槽B＇20分别与所述整流罩2的两个可动部分连接。所述舵机8带动所述舵机双头机臂13旋转，通过连接杆A17和连接杆B9的运动实现对整流罩2开闭的控制。

飞行器在垂直起降阶段由所述舵机8带动连杆结构使所述整流罩2处于打开状态，所述旋翼电机16再带动所述旋翼11工作，实现垂直起降；在平飞阶段由所述舵机8带动连杆结构让所述整流罩2处于闭合状态，所述旋翼电机16以及所述旋翼11位于所述整流罩2内部，降低了高速飞行时所产生的气动阻力，以保证垂直起降和高速平飞的性能。

如图1～图4所示，本发明所提供的飞行器在平飞时，所述固定翼机翼3产生向上升力，所述固定翼水平尾翼5保持俯仰平衡，所述固定翼垂直尾翼6保持横向稳定；垂直起降时由所述旋翼11控制，所述旋翼11由所述旋翼电机16提供旋转动力。如图3所示，所述旋翼电机16连接于所述支架1下方。所述支架1有两个，连接在固定翼机翼3下表面，并对称布置在所述机身4两侧，所述支架1沿所述机身4的长度与所述机身4长度相近，不能过长或者过短。两个所述支架1的结构相同，每个所述支架1位于所述固定翼机翼3的两端分别设置一个所述旋翼11和一个所述旋翼电机16，每个所述旋翼11由单独的所述旋翼电机16提供动力驱动。

在本发明提供的旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器垂直起飞的过程中，所述整流罩2处于图1、图3、图5、图8、图11和图14所示的打开状态，所述旋翼电机16工作，实现垂直起飞。

在垂直起飞过程向平飞过程转换的过程中，所述固定翼电机7增大推力，逐渐加大平飞速度，为所述旋翼电机16减载，所述旋翼电机16转速逐渐降为零，停止转动并被锁定在与所述支架1保持平行的位置，如图2和图4所示状态，随后，如图14和图15，所述舵机8带动所述舵机双头舵机臂13通过所述连接杆槽A＇18和所述连接杆槽B19分别拉动所述连接杆A17和所述连接杆B9，所述连接杆A17和所述连接杆B9再分别通过所述连接杆槽A14和所述连接杆槽B＇20拉动所述整流罩2的可动部分，使其逐渐由过渡状态(如图6、图9和图12所示状态)转为闭合状态(如图2，图4，图7，图10，图13和图15所示状态)，将所述旋翼11完全包裹在所述整流罩2内。此后飞行器完全由位于头部的所述固定翼电机7工作实现高速平飞，从而实现两种飞行过程的平稳切换。

在平飞过程向垂直降落过程转换中，所述舵机8带动所述舵机双头机臂13通过拉动所述连接杆A17和所述连接杆B9，使所述整流罩2由图2，图4，图7，图10，图13，图15所示闭合状态变为图1，3，5，8，11，14所示打开状态，随后所述旋翼电机16开始加速旋转产生升力和控制力矩，同时所述固定翼电机7输出动力逐渐降低直至降至0，通过调整所述旋翼11下置所述旋翼电机16的推力大小和俯仰方向可以控制飞行器的低速平飞，悬停以及垂直降落，起飞前以及降落时所述起落架15着地。

Claims (4)

1.一种高速混合布局垂直起降飞行器，包括：机身（4）、固定翼机翼（3）、固定翼水平尾翼（5）、固定翼垂直尾翼（6）、固定翼电机（7）、固定翼电机螺旋桨（12）和起落架（15），其特征在于，所述飞行器包括有两个支架（1），分别位于所述机身两侧并连接在所述固定翼机翼（3）上，所述支架（1）的伸展方向分别与所述机身（4）纵轴平行，且前后伸展长度相等，所述两个支架（1）的结构相同；每个所述支架（1）两端的下方分别连接整流罩（2），在所述的整流罩（2）内部设置有舵机（8）、旋翼电机（16）、旋翼（11）和连杆结构，所述整流罩（2）为可开合结构，具有固定部分和可动部分，所述舵机（8）和位于整流罩（2）内部的连杆结构控制所述整流罩（2）的开合，所述旋翼电机（16）用于控制所述旋翼（11）的旋转，所述旋翼（11）工作时，所述整流罩（2）打开在旋翼（11）上方，所述旋翼（11）停转后所述整流罩（2）也随后闭合；所述固定翼电机（7）位于所述机身（4）头部，所述固定翼电机螺旋桨（12）连接在所述固定翼电机（7）上，与所述机身（4）成垂直分布；

所述的连杆结构包括舵机双头机臂（13）、连接杆槽A（14）、连接杆槽A＇（18）、连接杆槽B（19）、连接杆槽B＇（20）、连接杆A（17）和连接杆B（9），所述舵机双头机臂（13）中部连接在所述舵机（8）上，所述舵机双头机臂（13）的两端分别连接有连接杆槽A＇（18）和连接杆槽B（19），所述连接杆槽A＇（18）与连接杆A（17）的一端连接，所述连接杆A（17）的另一端与连接杆槽A（14）相连；所述连接杆槽B（19）与连接杆B（9）的一端连接，所述连接杆B（9）的另一端与连接杆槽B＇（20）相连；所述连接杆槽A（14）和所述连接杆槽B＇（20）分别与所述整流罩（2）的可动部分连接；由所述舵机（8）带动所述舵机双头机臂（13）旋转，通过连接杆A（17）和连接杆B（9）的运动实现对整流罩（2）开闭的控制。

2.如权利要求1所述的一种高速混合布局垂直起降飞行器，其特征在于，所述旋翼电机（16）连接在所述支架（1）上，所述旋翼（11）连接在所述旋翼电机（16）上，每个所述旋翼（11）都由一个所述旋翼电机（16）单独控制。

3.如权利要求1所述的一种高速混合布局垂直起降飞行器，其特征在于，所述整流罩（2）的固定部分与所述支架（1）通过整流罩连接螺栓（10）进行连接。

4.如权利要求1所述的一种高速混合布局垂直起降飞行器，其特征在于，所述固定翼机翼（3）连接在所述机身（4）中部，所述固定翼水平尾翼（5）位于所述机身（4）尾部，所述固定翼垂直尾翼（6）位于所述固定翼水平尾翼（5）的两端，所述固定翼机翼（3）与所述固定翼水平尾翼（5）连接在机身（4）上，所述固定翼垂直尾翼（6）垂直连接在所述固定翼水平尾翼（5）上，起落架（15）连接在所述机身（4）下方。