CN108725777A - 一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器 - Google Patents

一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，至少包括有机体系统、飞机控制系统、推进系统；机体系统中增加了通过碳杆安装在机身两侧的左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)；飞机控制系统中增加了与左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)配合的涵道姿态控制指令；涵道风扇在机身上的安装距离为h＝30％×H，H表示机身长。通过控制涵道矢量的输出方向，从而控制飞行器的姿态和动力，实现飞行器的航行入水和出水以及潜行的功能，从而提高了两栖飞行器在复杂气象和陌生水文环境的运行能力。

Description

一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器
技术领域
本发明涉及一种两栖飞行器的外形，更特别地说，是指一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器。
背景技术
两栖无人飞行器作为一种空中水下无人智能移动平台，空中的机动性能已经相对成熟，水下的航行性能还有待成熟，大部分飞行器水下的驱动装置采用螺旋桨推进装置。目前，采用螺旋桨推进的传统的水下航行器，配备有一个尾浆和多组舵片。它们是通过控制电机和舵机来改变螺旋桨转速和舵片舵角，从而控制水下飞行器的姿态和位置。但是这种这种控制姿态方式及传统的水下飞行器造型增加了飞行器的自身负重，多套控制系统和动力系统在水下的恶劣环境中可靠性也不能得到很好的满足。
水上起降的水上飞机以及其他飞行器如地效飞行器和水翼船等(以下简称为“飞行器”)，都是利用了流体力学中的伯努利效应，即利用飞行器的一部分机体(如机翼、水翼或者浮子)沉浸在流体中的特定剖面，流体经过该剖面时产生上下部位的流速差，这个流速差产生压差，这个压差形成支撑飞行器离开地面(水面)，实现腾空和悬浮的动力。这种由流速差生成的动力的命名取决于流体的媒介形式，如果流体的媒介是空气，称之为空气动力；如果流体的媒介是水，称之为水动力。
但是现在的两栖飞行器面临着起飞入水以垂直起降为主，不够灵活，且有很大动力需求，使得发动机的成本居高不下等问题，同时，飞行器的动力多为螺旋桨或涡喷发动机，动力方向不可调，两栖性能不好。而且机身结构固定，同样的结构在水空两种环境存在矛盾的地方难以解决。
发明内容
针对以上问题，本发明是设计了一种基于涵道矢量推进的两栖飞行器外形设计，在飞行器的前端位置上通过碳杆放置了两个涵道，通过控制涵道矢量的输出方向，从而控制飞行器的姿态和动力，实现飞行器的航行入水和出水以及潜行的功能。
本发明的一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，至少包括有机体系统、飞机控制系统、推进系统；其特征在于：机体系统中增加了左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)；主翼(2)采用三角翼设计，无翼型，平板机翼，材质为玻纤，厚度1mm。
飞机控制系统中增加了与左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)配合的涵道姿态控制指令；采用可倾转的一对涵道风扇作为姿态调整和动力来源。
两栖飞行器上对称设有结构相同的左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)；涵道风扇安装距离h＝30％×H，H表示机身长。
推进系统为涵道矢量推进。
本发明的的基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，其涵道姿态控制指令包括有，
通过涵道控制两栖飞行器的入水姿态控制指令为F1d1＝Jα1；F1表示入水时涵道风扇的推进力；d1表示质心到F1作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α1表示入水时的角加速度；
通过涵道控制两栖飞行器的潜航姿态控制指令为F2d2-F浮2d3＝Jα2，且α2＝0；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α2表示潜航时的角加速度；F2表示潜航时涵道风扇的推进力；F浮2表示潜航时飞行器所受的浮力；d2表示质心到F2作用线的垂直距离；d3表示质心到F浮2作用线的垂直距离；
通过涵道控制两栖飞行器的出水姿态控制指令为F3d4+F浮3d5＝Jα3；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α3表示入水时的角加速度；F3表示入水时螺旋桨的推进力；F浮3表示入水时飞行器所受的浮力；d4表示质心到F3作用线的垂直距离；d5表示质心到F浮3作用线的垂直距离；
通过涵道控制两栖飞行器的飞行姿态控制指令为F4调整为方向通过质心，且α4＝0；α4表示飞行时的角加速度；F4表示飞行时涵道风扇的推进力。
本发明基于涵道矢量推进的两栖飞行器的优点在于：
①通过一组姿态调整的小涵道风扇，可以自由地进行出入水，减小了对机械结构和动力分配的要求。无翼型的轻量化的结构设计，保证了飞机良好的水空性能，在两个矛盾的理念中找到了一个比较适中的平衡点。
②涵道可倾转，降低了设计者的设计难度和使用者的操作难度，原理简单易懂，便于计算动力，具有使用简单、直观，低成本等优点。
③姿态控制的涵道风扇为模块化设计，电力驱动，便于机体安装，具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的结构图。
图1A是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的另一视角结构图。
图1B是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的仰视结构图。
图1C是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的俯视结构图。
图2是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的初始状态的正视图。
图3是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器在入水姿态时涵道的结构图。
图4是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器在潜航姿态时涵道的结构图。
图5是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的出水姿态时涵道的结构图。
图6是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的飞行姿态时涵道的结构图。
图7A是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器在入水姿态时的前视图。
图7B是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器在潜航姿态时的前视图。
图8A是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的出水姿态时的前视图。
图8B是本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器的飞行姿态时的前视图。
1.机身 2.主翼 3.右涵道风扇
4.左涵道风扇 5A.A舵机 5B.B舵机
5C.C舵机 6A.A升降舵 6B.B升降舵
6C.C升降舵 7.方向舵 8A.A滑撬
8B.B滑撬 9.碳杆 9A.左涵道固定架
9B.右涵道固定架
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
无人机系统包括地面系统、飞机系统、任务载荷和无人机的使用保障人员，参考2009年3月第1版第1次印刷《无人机系统及作战使用》第2-3页内容，魏瑞轩、李学仁编著。飞行器结构一般由机身、机翼、尾翼、起落架和操纵机构组成，参考2010年4月第1版《飞行器结构设计》第7-8页内容，余旭东、徐超、郑晓亚编著。
本发明设计了一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，除了基本的机身、机翼、尾翼、起落架和操纵机构以外，至少还包括有机体系统、飞机控制系统、推进系统；采用可倾转的一对涵道风扇作为姿态调整和动力来源；机体系统中增加了通过碳杆安装在机身两侧的左涵道风扇4和右涵道风扇3；飞机控制系统中增加了与左涵道风扇4和右涵道风扇3配合的涵道姿态控制指令。如图2所示涵道风扇在机身上的安装距离为h＝30％×H，H表示机身长。左涵道风扇4和右涵道风扇3统称为涵道，即涵道的用强度较高的碳棒来固定，运动通过飞机背部的舵机来控制；飞行器的仰俯和方向控制装置由尾部的十字舵来实现，十字舵的运动通过尾部的两个防水舵机来控制。最终通过重力块的配重实现了整个飞机在机身对称轴上。
参见图1、图1A、图1B、图1C所示的本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，机身1的前部设置有：碳杆9、左涵道固定架9A、右涵道固定架9B、左涵道风扇4、右涵道风扇3；碳杆9的两端固定有左涵道固定架9A、右涵道固定架9B；左涵道风扇4活动安装在左涵道固定架9A上，右涵道风扇3活动安装在右涵道固定架9B上。如图2所示涵道风扇在机身上的安装距离为h＝30％×H，H表示机身长。机身1的后部为常规设置，即主翼2、方向舵7、升降舵(A升降舵6A、B升降舵6B、C升降舵6C)及多个舵机(A舵机5A、B舵机5B、C舵机5C)。在本发明中，主翼2采用三角翼设计，无翼型，平板机翼，材质为玻纤，厚度1mm。值得说明的是本发明设计采用没有翼型，目的是为了减小排水量。
飞行控制系统是两栖无人机机上部分的核心，它监视、控制和指挥其他机载子系统，接受地面任务/监控系统的指令，协调机载各子系统的工作，并把无人机的状态及其他需要的信息发送经地面监控分系统。飞行控制系统是协调、管理和控制无人机各子系统的综合控制器，也是实现无人机飞行管理与控制的核心。在本发明中，涵道姿态控制指令包括有：
入水姿态控制指令：
参见图3所示，以涵道风扇作为推进装置，当入水状态时，涵道拉力线在质心之上，此时提供的翻转力矩是逆时针方向，使得机头产生了一个向下的作用力，迫使机头被压入水中，实现入水功能。两栖无人飞行器在受到向前的推力和向下的压力，前方的水流与涵道风扇(3、4)的下压力一起使两栖飞行器沉入水中。
在本发明中入水姿态控制指令为F1d1＝Jα1；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；G表示飞行器自身的重量；α1表示入水时的角加速度；F1表示入水时涵道风扇的推进力；F浮1表示入水时飞行器所受的作用力；d1表示质心到F1作用线的垂直距离。
潜航姿态控制指令：
参见图4所示，在水中潜航时候，机身翼型较薄，由于机身实体排水量较大致使受到的浮力远大于飞行器重力，而且浮力线在质心之前，所以潜航状态一直高于质心的拉力线产生的翻转力矩来平衡。调节拉力线的角度，使得拥有较大的向前方向的分力保证正常航行，通过方向舵和副翼的调节实现水中姿态的稳定。以无人飞行器的底面为水平线，当潜航时涵道风扇的推进力F2过涵道质心的作用线与水平线之间的夹角，记为涵道潜航俯视角δ2，一般地，较优的涵道潜航俯视角δ2为15度。
在本发明中潜航姿态控制指令为F2d2-F浮2d3＝Jα2，且α2＝0；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；G表示飞行器自身的重量；α2表示潜航时的角加速度；F2表示潜航时涵道风扇的推进力；F浮2表示潜航时飞行器所受的浮力；d2表示质心到F2作用线的垂直距离；d3表示质心到F浮2作用线的垂直距离。
出水姿态控制指令：
参见图5所示，两栖无人飞行器在受到向前的推力和向上的升力，涵道风扇(3、4)拉力线过重心，且涵道风扇吹出的风流过主翼2下表面，增大主翼2的升力，涵道风扇也提供一定的升力并使机身头部1A上扬，使得两栖飞行器快速短距离起飞。起飞初始阶段，由一个可倾转的涵道向下推进，拉力线在质心之下，此时提供的翻转力矩是顺时针方向，使得机头产生了一个向上的作用力，迫使机头抬头，实现出水功能。
在本发明中出水姿态控制指令为F3d4+F浮3d5＝Jα3；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；G表示飞行器自身的重量；α3表示入水时的角加速度；F3表示入水时螺旋桨的推进力；F浮3表示入水时飞行器所受的浮力；d4表示质心到F3作用线的垂直距离；d5表示质心到F浮3作用线的垂直距离。
飞行姿态控制指令：
参见图6所示，飞行状态时，涵道风扇提供的拉力线通过质心，不会产生翻转力矩，通过俯仰舵来调节飞行姿态，此时涵道风扇主要提供升力；称之为推进涵道风扇。以无人飞行器的底面为水平线，当飞行时涵道风扇的推进力F4过涵道质心的作用线与水平线之间的夹角，记为涵道飞行仰视角δ4，一般地，较优的涵道飞行仰视角δ4为15度。
在本发明中飞行姿态控制指令为F4调整为方向通过质心，且α4＝0；α4表示飞行时的角加速度；F4表示飞行时涵道风扇的推进力。
实施例1
涵道风扇(3、4)构成动力总成。起飞阶段涵道风扇(3、4)的拉力线拉到质心之下，飞行阶段涵道风扇(3、4)的拉力线过质心维持平衡，与水平大概15°(即潜航姿态时的δ2等于15°、飞行姿态时的δ4等于15°)，到达一定高度后，涵道风扇(3、4)进行倾转，拉力线拉到质心之上，机头降低向前飞行，扎入水中后，涵道风扇(3、4)拉力线保持水平，抵消浮力产生的力矩，并且提供向前的推力，由升降舵(6A、6B、6C)和方向舵7来进行升降转向和姿态控制。
本发明基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器采用简单纯机械结构，只利用一个简单的涵道转向机构，利用涵道矢量相对于质心变化，制导两栖飞行器航行姿态等运动状态信息。整机质量约4千克，体积约4升左右，表面积达1平方米。对飞行器的气动性能进行分析，飞行器的整体结构符合混合流体介质设计的要求。水面推进涵道风扇的优化设计，使本发明飞行器具有较大推力，较小直径的涵道风扇动力系统，同时解决发动机密封防水问题和水面航行时涵道风扇的防浪问题。涵道与电混合动力系统设计提供了潜航状态需要的电推进动力。

Claims (5)

1.一种基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，至少包括有机体系统、飞机控制系统、推进系统；其特征在于：机体系统中增加了左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)；
飞机控制系统中增加了与左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)配合的涵道姿态控制指令；
两栖飞行器上对称设有结构相同的左涵道风扇(4)和右涵道风扇(3)；涵道风扇安装距离h＝30％×H，H表示机身长。
2.根据权利要求1所述的基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，其特征在于：推进系统为涵道矢量推进。
3.根据权利要求1和2之一所述的基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，其特征在于：涵道姿态控制指令包括有，
通过涵道控制两栖飞行器的入水姿态控制指令为F1d1＝Jα1；F1表示入水时涵道风扇的推进力；d1表示质心到F1作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α1表示入水时的角加速度；
通过涵道控制两栖飞行器的潜航姿态控制指令为F2d2-F浮2d3＝Jα2，且α2＝0；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α2表示潜航时的角加速度；F2表示潜航时涵道风扇的推进力；F浮2表示潜航时飞行器所受的浮力；d2表示质心到F2作用线的垂直距离；d3表示质心到F浮2作用线的垂直距离；
通过涵道控制两栖飞行器的出水姿态控制指令为F3d4+F浮3d5＝Jα3；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α3表示入水时的角加速度；F3表示入水时螺旋桨的推进力；F浮3表示入水时飞行器所受的浮力；d4表示质心到F3作用线的垂直距离；d5表示质心到F浮3作用线的垂直距离；
通过涵道控制两栖飞行器的飞行姿态控制指令为F4调整为方向通过质心，且α4＝0；α4表示飞行时的角加速度；F4表示飞行时涵道风扇的推进力。
4.根据权利要求1和2之一所述的基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，其特征在于：主翼(2)采用三角翼设计，无翼型，平板机翼，材质为玻纤，厚度1mm。
5.根据权利要求1和2之一所述的基于涵道矢量推进的两栖无人飞行器，其特征在于：采用可倾转的一对涵道风扇作为姿态调整和动力来源。
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