CN108622402A - 一种复合式垂直起降长航时无人机 - Google Patents

Abstract

一种复合式垂直起降长航时无人机，包括机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼、共轴双旋翼、涡轴发动机、离合器、重油发动机和螺旋桨。该无人机具有垂直起降和巡航飞行两种模态。在垂直起降模态，涡轴发动机通过离合器驱动共轴双旋翼转动，由共轴双旋翼产生升力，并进行飞行操纵，重油发动机不工作。在巡航飞行状态，涡轴发动机停止工作，离合器断开，共轴双旋翼桨盘向后倾斜，进入自转状态以减小飞行阻力。此时旋翼产生的升力较小，主要依靠机翼产生的升力。本发明具有垂直起降和悬停作业能力，在巡航前飞状态可实现长航时飞行。

Description

一种复合式垂直起降长航时无人机

技术领域

本发明涉及一种复合式垂直起降长航时无人机，属于垂直起降飞行器领域。

背景技术

常规直升机虽然具有垂直起降能力，但气动效率低，小时耗油率高，难以实现长航时飞行。常规固定翼飞行器通过采用较大展弦比的机翼，可以实现远高于直升机的气动效率，但常规固定翼飞行器不具备垂直起降能力。倾转旋翼飞行器具有垂直起降和高度前飞能力，但倾转旋翼飞行器为了避免高速飞行时发生结构动力学问题，一般采用展弦比较小的机翼以保证机翼刚度。这导致倾转旋翼飞行器气动效率不高，不能实现长航时飞行。倾转旋翼飞行器为了实现模态转换，还需要设计较复杂的倾转机构，增大了技术难度和复杂性。

采用单一动力系统难以同时兼顾垂直起降和长航时飞行的要求。垂直起降阶段需用功率较大，而巡航平飞状态则需要尽量减小需用功率以提高航时，巡航平飞状态的需用功率是垂直起降阶段的几分之一。动力系统既需要在垂直起降阶段输出大功率，又需要在巡航平飞小功率工作状态维持较低的耗油率。采用涡轴发动机、活塞发动机等单一动力系统难以同时满足这些要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种复合式垂直起降长航时无人机，具有垂直起降和悬停作业能力，且飞行航时明显高于常规直升机。

本发明采用的技术方案：

一种复合式垂直起降长航时无人机，包括：机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼、共轴双旋翼、涡轴发动机、离合器、重油发动机以及螺旋桨；

机翼设置在机身两侧，水平尾翼和垂直尾翼设置在机身尾部；涡轴发动机、离合器和重油发动机设置在机身内，共轴双旋翼位于机身背部，螺旋桨位于机身尾部；涡轴发动机通过离合器驱动共轴双旋翼转动，由共轴双旋翼产生升力，重油发动机驱动螺旋桨产生推力。

无人机具有垂直起降和巡航飞行两种模态。

在垂直起降模态，涡轴发动机通过离合器驱动共轴双旋翼转动，由共轴双旋翼产生升力，并进行飞行操纵，重油发动机不工作。

在巡航飞行状态，离合器断开，涡轴发动机停止工作，共轴双旋翼桨盘向后倾斜，进入自转状态以减小飞行阻力，此时依靠机翼产生升力，重油发动机驱动螺旋桨产生推力，克服飞行阻力。

共轴双旋翼与机身背部连接位置为无人机质心。

共轴双旋翼处于自转状态时，桨盘向后倾斜的角度不大于5°。共轴双旋翼处于自转状态时，升阻比不低于10。机翼展弦比不小于10。机翼的升阻比不小于20。重油发动机的单位耗油率不高于0.3kg/kW/h。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明提出的无人机，具有垂直起降和巡航前飞两种飞行模态，既具有类似直升机的垂直起降、悬停作业能力，又具有类似固定翼飞行器气动效率高的优点。

(2)本发明提出的无人机，巡航飞行状态时，气动效率明显高于常规直升机，有利于降低燃油消耗，能够实现长航时飞行。

(3)本发明采用的涡轴发动机仅用于需用功率较大的垂直起降状态，可充分发挥涡轴发动机攻重比高的优势，巡航前飞状态死重较少，也避免了涡轴发动机耗油率高的缺点。

(4)本发明采用的重油发动机用于需用功率较小的巡航前飞状态，可选用功率较小的重油发动机，可充分发挥重油发动机耗油率低的优势，又避免了重油发动机重量大的缺点。

(5)从垂直起降状态到巡航前飞状态的转换无需设计特殊机构，安全性较高。

附图说明

图1为本发明的无人机布局示意图；

具体实施方式

本发明采用复合式推进系统，具有垂直起降和巡航前飞两种飞行模态，既具有类似直升机的垂直起降和悬停作业能力，又具有类似固定翼飞行器气动效率高的优点，可实现长航时飞行。

如图1所示，本发明提出的复合式垂直起降无人机包括：机身1、机翼2、水平尾翼3、垂直尾翼4、共轴双旋翼5、涡轴发动机6、离合器7、重油发动机8、螺旋桨9；

机翼2设置在机身1两侧，水平尾翼3和垂直尾翼4设置在机身尾部；涡轴发动机6、离合器7和重油发动机8设置在机身1内，共轴双旋翼5位于机身1背部，螺旋桨9位于机身1尾部；涡轴发动机6通过离合器7驱动共轴双旋翼5转动，由共轴双旋翼5产生升力，重油发动机8驱动螺旋桨9产生推力

该无人机具有垂直起降和巡航飞行两种模态。在垂直起降模态，涡轴发动机6通过离合器7驱动共轴双旋翼5转动，由共轴双旋翼5产生升力，并进行飞行操纵，重油发动机8不工作。在巡航飞行状态，无人机以一定速度前飞，涡轴发动机6停止工作，离合器7断开，共轴双旋翼5桨盘向后倾斜，进入小升力自转状态以减小飞行阻力。此时主要依靠机翼2产生升力，重油发动机8驱动螺旋桨9产生推力，克服飞行阻力。巡航飞行状态全机升阻比较高，重油发动机耗油率较低，故小时耗油率较低。巡航飞行状态涡轴发动机为废重，但涡轴发动机攻重比较高，故该无人机仍可携带较多的燃油。本发明具有垂直起降和悬停作业能力，在巡航前飞状态可实现长航时飞行。

本发明的原理：本发明提出的无人机具有垂直起降和巡航飞行两种模态。该无人机在垂直起降模态类似共轴双旋翼直升机，由大功率涡轴发动机通过离合器驱动共轴双旋翼转动，提供飞行升力并通过旋翼变距进行飞行操纵。该无人机在巡航飞行状态类似固定翼飞行器，主要由机翼提供升力，由功率较小重油发动机驱动螺旋桨产生推力。在巡航前飞状态为了提高全机气动效率，涡轴发动机停止工作，共轴双旋翼桨盘向后倾斜进入小升力自转状态。巡航飞行状态利用副翼、升降舵和方向舵等常规气动操纵面进行飞行操纵。

本发明提出的无人机具有其他同类飞行器不具有的独特优点，具有垂直起降和悬停作业能力，且巡航飞行状态气动效率较高，可实现长航时飞行。

下面给出本发明实施例：

无人机起飞重量2700kg，所采用的1台涡轴发动机起飞功率626kW，重量131kg，所采用的1台重油发动机起飞功率160kW，耗油率不高于0.3kg/kW/h，本实施例耗油率参数定为0.22kg/kW/h。无人机携带的燃油重量为819kg。

无人机机翼面积31m²，机翼展弦比不小于10，本实施例机翼展弦比参数定为15。机翼升阻比不低于20，本实施例机翼升阻比为25。位于无人机机背的共轴双旋翼直径为11m。

在垂直起降模态，涡轴发动机驱动共轴双旋翼转动。共轴双旋翼消耗功率为565kW时，可产生克服无人机重力的阻力。

在巡航飞行状态，共轴双旋翼进入自转状态。共轴双旋翼后倒角不超过5°，本实施例为2.5°。共轴旋翼后倒角为2.5°时产生的升力为3153N，阻力为270N，升阻比为11.6。巡航飞行状态全机升阻比为17，半油状态巡航飞行时发动机需用功率为84kW。巡航飞行状态最大航时为29.6h，明显超过常规直升机的航时指标。

Claims (10)

1.一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于包括：机身(1)、机翼(2)、水平尾翼(3)、垂直尾翼(4)、共轴双旋翼(5)、涡轴发动机(6)、离合器(7)、重油发动机(8)以及螺旋桨(9)；

机翼(2)设置在机身(1)两侧，水平尾翼(3)和垂直尾翼(4)设置在机身尾部；涡轴发动机(6)、离合器(7)和重油发动机(8)设置在机身(1)内，共轴双旋翼(5)位于机身(1)背部，螺旋桨(9)位于机身(1)尾部；涡轴发动机(6)通过离合器(7)驱动共轴双旋翼(5)转动，由共轴双旋翼(5)产生升力，重油发动机(8)驱动螺旋桨(9)产生推力。

2.根据权利要求1所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：无人机具有垂直起降和巡航飞行两种模态。

3.根据权利要求2所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：在垂直起降模态，涡轴发动机(6)通过离合器(7)驱动共轴双旋翼(5)转动，由共轴双旋翼(5)产生升力，并进行飞行操纵，重油发动机(8)不工作。

4.根据权利要求2所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：在巡航飞行状态，离合器(7)断开，涡轴发动机(6)停止工作，共轴双旋翼(5)桨盘向后倾斜，进入自转状态以减小飞行阻力，此时依靠机翼(2)产生升力，重油发动机(8)驱动螺旋桨(9)产生推力，克服飞行阻力。

5.根据权利要求1所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：共轴双旋翼(5)与机身(1)背部连接位置为无人机质心。

6.根据权利要求4所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：共轴双旋翼(5)处于自转状态时，桨盘向后倾斜的角度不大于5°。

7.根据权利要求4所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：共轴双旋翼(5)处于自转状态时，升阻比不低于10。

8.根据权利要求1所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：机翼(2)展弦比不小于10。

9.根据权利要求1所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：机翼(2)的升阻比不小于20。

10.根据权利要求1所述的一种复合式垂直起降长航时无人机，其特征在于：重油发动机(8)的单位耗油率不高于0.3kg/kW/h。