CN108725778A - 一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器 - Google Patents

一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，至少包括有机体系统、飞机控制系统、推进系统；机体系统中增加了左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；飞机控制系统中增加了与左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)配合的鸭翼姿态控制指令；在机身前端安装了左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；鸭翼安装距离h＝30％×H，H表示机身长。通过改进两栖飞行器的机翼控制使鸭翼的角度变化制导两栖飞行器航行姿态等运动状态信息，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

一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器
技术领域
本发明涉及一种飞行器外形设计，更特别地说，是指一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器。本发明旨在通过无人飞行器中的飞机控制系统(或称飞控系统)来控制鸭翼姿态实现调节无人飞行器的入水、出水飞行。
背景技术
两栖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，特别是在海底地形复杂，存在暗流、浪、涌的区域对水下飞行器的操纵性能提出较高要求。要完成海洋某些参数的测量，海底信息调查，定点考察作业任务，则要求水下飞行器在低速条件下应具有良好的机动性和稳定性。
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，本发明设计的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖飞行器解决以下问题：
(A)空气动力组件由两个方向可调的涵道风扇构成，水下动力组件由一个水下螺旋桨构成。这样就使得推力为矢量推力，更加方便空中和水中对推力的方向控制。
(B)机翼上反角可变，这样在空中和水下可调整相应的机翼上反角角度，来减小机翼升力对姿态控制的不利影响。
(C)通过鸭翼控制机身在水下和空中的姿态，更加灵活，控制力矩更大。
本发明的一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，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鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；结构相同的左主翼(2B)和右主翼(2A)为三角翼布局，薄翼型，且可变上反角。
飞机控制系统中增加了与左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)配合的鸭翼姿态控制指令；
两栖飞行器上对称设有结构相同的左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；鸭翼安装距离h＝30％×H，H表示机身长。
推进系统由涵道风扇动力和水下螺旋桨动力组成。
本发明的一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：鸭翼姿态控制指令包括有，
通过鸭翼控制两栖飞行器的入水姿态控制指令为F1d1+F2d2＝Jα1；F1表示入水时螺旋桨的推进力；d1表示质心到F1作用线的垂直距离；F2表示入水时鸭翼所受的作用力；d2表示质心到F2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；入水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的入水角为30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为下反角；
通过鸭翼控制两栖飞行器的潜航姿态控制指令为F3d3-F4d4＝Jα2，且α2＝0；F3表示潜航时螺旋桨的推进力；d3表示质心到F3作用线的垂直距离；F4表示潜航时鸭翼所受的作用力；d4表示质心到F4作用线的垂直距离；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；
通过鸭翼控制两栖飞行器的出水姿态控制指令为F6d6＝Jα3；F6表示出水时鸭翼所受的作用力；d6表示质心到F6作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α3表示出水时的角加速度；出水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的出水角为30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为上反角；
通过鸭翼控制两栖飞行器的飞行姿态控制指令为F7d7-F8d8＝Jα4，且α4＝0；F7表示飞行时螺旋桨的推进力；d7表示质心到F7作用线的垂直距离；F8表示飞行时鸭翼所受的作用力；d8表示质心到F8作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α4表示飞行时的角加速度；飞行姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时上扬8度～12度，并且机身头部(1A)上扬，两栖无人飞行器为仰角飞行。
本发明一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖飞行器的优点在于：
①本发明采用的涵道风扇+水浆的动力系统，可实现矢量推力控制，对于推力线的控制更加灵活，有利于实现姿态的控制(利用鸭翼控制姿态)。
②本发明采用的可变上反角主翼设计(即机翼的上反角可变)，可以在起飞时帮助机翼露出水面，有助于起飞；飞机入水时，机翼向下折叠，使得上反角为负，变为下反角，减小飞机机翼的升力对潜水的不利影响，有助于下潜。
③本发明采用鸭翼设计，能提供更大控制力矩，且可以帮助飞行器进行起飞和下潜，提供相应的支撑力和压力。
④本发明设计的两栖飞行器属于垂直起降固定翼无人机。
附图说明
图1是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的立体图。
图1A是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的另一视角立体图。
图1B是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的再一视角立体图。
图1C是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的俯视图。
图1D是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的左视图。
图2是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的入水姿态图。
图3是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的潜航姿态图。
图4是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的出水姿态图。
图5是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的飞行姿态图。
图6A是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的入水姿态前视图。
图6B是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的潜航姿态前视图。
图7A是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的出水姿态前视图。
图7B是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的飞行姿态前视图。
图8A是本发明右鸭翼的结构图。
图8B是本发明右鸭翼的另一视角结构图。
图9A是本发明左鸭翼的结构图。
图9B是本发明左鸭翼的另一视角结构图。
图10是本发明带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器的机翼上反角结构图。
1.机身 1A.机身头部 1B.机身尾部
2A.右主翼 2B.左主翼 3A.右涵道风扇
3B.左涵道风扇 4A.右鸭翼 4A1、右连杆
4A2.右鸭翼翼型体 4A3.右鸭翼翼底面板 4B.左鸭翼
4B1、左连杆 4B2.左鸭翼翼型体 4B3.左鸭翼翼底面板
5.水下电机及螺旋桨 6.方向舵
具体实施方式
下面将结合附图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。
本发明设计的一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，除了基本的机身、机翼、尾翼、起落架和操纵机构以外，还包括有右鸭翼4A、左鸭翼4B、右涵道风扇3A、左涵道风扇3B、水下电机及螺旋桨5。参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图6A、图6B、图7A、图7B所示，本发明设计的两栖无人飞行器包括有机身1、机翼(即右主翼2A和左主翼2B)、右涵道风扇3A、左涵道风扇3B、右鸭翼4A、左鸭翼4B、水下电机及螺旋桨5和方向舵6。在本发明中，采用可变上反角的主翼(2A、2B)设计，配合鸭翼(4A、4B)进行飞行器在空中和水中的姿态控制，推进系统采用涵道风扇动力和水下螺旋桨动力相结合的矢量动力。所述机翼(2A、2B)为三角翼布局，薄翼型，减小机身排水量，且可变上反角。
本发明设计的两栖无人飞行器采用鸭翼(4A、4B)实现出水、入水姿态控制，提供更大控制力矩，这是由鸭翼(4A、4B)的安装位置来决定的。将机身1的全长记为H，即机身头部1A至机身尾部1B的距离(如图1C所示，简称为机身长H)。将鸭翼(4B、4A)的安装距离记为h(如图1B、图1C所示，简称为鸭翼安装距离h)，鸭翼安装距离h也是机身头部1A与鸭翼(4A、4B)前端面的距离。为了实现出水、入水不同的姿态控制和提供更大控制力矩，鸭翼安装距离h＝30％×H。
参见图8A、图8B、图9A、图9B所示的鸭翼结构图能够得到，本发明设计的鸭翼是前厚后薄、离机身越远翼根越小的构型。
本发明是对现有两栖无人飞行器的改进，改进之处是在机身1的前端对称设计了结构相同的左鸭翼4B和右鸭翼4A。通过鸭翼(4A、4B)来控制不同姿态(入水、出水等)，达到主机翼(2A、2B)的上反角可以变，如图10所示。通过改进两栖飞行器的主机翼控制并配合鸭翼的姿态角度变化制导两栖飞行器航行姿态等运动状态信息，通过对姿态和动力的双重调整，完成纵向姿态和飞行速度的调整，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。
在本发明中，参见图1、图1A、图1B所示，机身1的前端称为机身头部1A，机身1的后端称为机身尾部1B。机身尾部1B上安装有水下电机及螺旋桨5。方向舵6安装在机身1的弦线上，且位于机身1的后端。机身以弦线分为左右，即右鸭翼4A、右涵道风扇3A和右主翼2A分布在机身1的右边，左鸭翼4B、左涵道风扇3B和左主翼2B分布在机身1的左边。
为了实现对本发明设计的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖飞行器进行姿态的控制，提供更大控制力矩，左鸭翼4B和右鸭翼4A对称安装在机身1的两侧，且位于靠近机身头部30％的机身位置，即h＝30％×H。
在本发明中，参见图1、图1A、图6A、图6B、图7A、图7B所示，右主翼2A与左主翼2B的结构相同，为三角翼布局。参见图1、图1A、图6A、图6B、图7A、图7B、图8A、图8B、图9A、图9B所示，右鸭翼4A与左鸭翼4B的结构相同，为前厚后薄、离机身越远翼根越小的构型。右鸭翼4A通过右连杆4A1与机身1固定，且通过右连杆4A1带去右鸭翼翼型体4A2向上或向下运动，以此达到入水或出水的变化。左鸭翼4B通过左连杆4B1与机身1固定，且通过左连杆4B1带去左鸭翼翼型体4B2向上或向下运动，以此达到入水或出水的变化。在空中飞行时，机身头部1A上扬，且鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时上扬8度～12度，这个鸭翼飞行角δ4，是以飞行时鸭翼翼底面板(图8B中右鸭翼翼底面板4B3、图9B中左鸭翼翼底面板4A3)与静止时机身1的底面板之间的夹角来定义的(图5所示)。本发明设计的两栖无人机在静止时，机身1的底面板与鸭翼翼底面板是保持平行的，飞行时由于鸭翼受控于飞控系统的指令控制，所以就有了上扬的角度。
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，鸭翼姿态控制指令包括有：
入水姿态控制指令：
参见图2所示，两栖无人飞行器在受到向前的推力和向下的压力，前方的水流流过鸭翼(4A、4B)时也会提供一个向下的下压力，与涵道风扇(3A、3B)的下压力一起使两栖飞行器沉入水中。入水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的入水角记为δ1，且δ1＝30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为下反角，可使重心下移，并减小升力，利于两栖飞行器下沉。
在本发明中，通过鸭翼(4A、4B)控制两栖飞行器的入水姿态控制指令为F1d1+F2d2＝Jα1，其中：
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；
F浮表示飞行器所受的浮力；
α1表示入水时的角加速度；
F1表示入水时螺旋桨的推进力；
F2表示入水时鸭翼所受的作用力；
d1表示质心到F1作用线的垂直距离；
d2表示质心到F2作用线的垂直距离。
潜航姿态控制指令：
参见图3所示，通过鸭翼(4A、4B)控制两栖飞行器的潜航姿态控制指令为F3d3-F4d4＝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；
F浮表示飞行器所受的浮力；
α2表示潜航时的角加速度；
F3表示潜航时螺旋桨的推进力；
F4表示潜航时鸭翼所受的作用力；
d3表示质心到F3作用线的垂直距离；
d4表示质心到F4作用线的垂直距离。
出水姿态控制指令：
参见图4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(3A、3B)拉力线过重心，且涵道风扇吹出的风流过主翼(2A、2B)下表面，增大主翼(2A、2B)的升力，鸭翼(4A、4B)也提供一定的升力并使机身头部1A上扬，三者共同左右使得两栖飞行器快速短距离起飞。出水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的出水角记为δ3，且δ3＝30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为上反角，可使重心上移，并增大升力，利于两栖飞行器起飞。
在本发明中，通过鸭翼(4A、4B)控制两栖飞行器的出水姿态控制指令为F6d6＝Jα3，在本发明中，由于飞机受到向前的推力和向上的升力，涵道风扇拉力线过重心点，因此F5不受力矩影响。
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；
F浮表示飞行器所受的浮力；
α3表示出水时的角加速度；
F5表示出水时螺旋桨的推进力；
F6表示出水时鸭翼所受的作用力；
d5表示质心到F5作用线的垂直距离；
d6表示质心到F6作用线的垂直距离。
飞行姿态控制指令：
参见图5所示，空中飞行姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时上扬8度～12度(优选为10度)，并且机身头部1A上扬，两栖无人飞行器为仰角飞行。在本发明中，8度～12度的角度是以飞行时鸭翼(4A、4B)的底面与机身的底面之间形成的夹角记为鸭翼飞行角δ4，且δ4＝8度～12度。
在本发明中，通过鸭翼(4A、4B)控制两栖飞行器的飞行姿态控制指令为F7d7-F8d8＝Jα4，且α4＝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；
F浮表示飞行器所受的浮力；
α4表示飞行时的角加速度；
F7表示飞行时螺旋桨的推进力；
F8表示飞行时鸭翼所受的作用力；
d7表示质心到F7作用线的垂直距离；
d8表示质心到F8作用线的垂直距离。

Claims (6)

1.一种带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，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鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；
飞机控制系统中增加了与左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)配合的鸭翼姿态控制指令；
两栖飞行器上对称设有结构相同的左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)；鸭翼安装距离h＝30％×H，H表示机身长。
2.根据权利要求1所述的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：推进系统由涵道风扇动力和水下螺旋桨动力组成。
3.根据权利要求1和2之一所述的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：鸭翼姿态控制指令包括有，
通过鸭翼控制两栖飞行器的入水姿态控制指令为F1d1+F2d2＝Jα1；F1表示入水时螺旋桨的推进力；d1表示质心到F1作用线的垂直距离；F2表示入水时鸭翼所受的作用力；d2表示质心到F2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；入水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的入水角为30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为下反角；
通过鸭翼控制两栖飞行器的潜航姿态控制指令为F3d3-F4d4＝Jα2，且α2＝0；F3表示潜航时螺旋桨的推进力；d3表示质心到F3作用线的垂直距离；F4表示潜航时鸭翼所受的作用力；d4表示质心到F4作用线的垂直距离；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；
通过鸭翼控制两栖飞行器的出水姿态控制指令为F6d6＝Jα3；F6表示出水时鸭翼所受的作用力；d6表示质心到F6作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α3表示出水时的角加速度；出水姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时与水面形成的出水角为30度～45度；同时，主翼(2A、2B)为上反角；
通过鸭翼控制两栖飞行器的飞行姿态控制指令为F7d7-F8d8＝Jα4，且α4＝0；F7表示飞行时螺旋桨的推进力；d7表示质心到F7作用线的垂直距离；F8表示飞行时鸭翼所受的作用力；d8表示质心到F8作用线的垂直距离；J表示飞行器相对于质心的转动惯量；α4表示飞行时的角加速度；飞行姿态的鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)同时上扬8度～12度，并且机身头部(1A)上扬，两栖无人飞行器为仰角飞行。
4.根据权利要求1和2之一所述的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：结构相同的左主翼(2B)和右主翼(2A)为三角翼布局，薄翼型，且可变上反角。
5.根据权利要求1和2之一所述的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：结构相同的左鸭翼(4B)和右鸭翼(4A)的结构相同，为前厚后薄、离机身越远翼根越小的构型。
6.根据权利要求1和2之一所述的带鸭翼的机翼上反角可变的两栖无人飞行器，其特征在于：空中飞行姿态为仰角飞行，且机身头部(1A)、鸭翼(4A、4B)和涵道风扇(3A、3B)保持上扬10度飞行。
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