CN109383773A - 一种可垂直起降的固定翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可垂直起降的固定翼飞行器，包括机翼、动力系统、控制系统以及机体连接和支撑机构。所述机翼采用高升阻比设计，用于水平飞行时提供升力。所述动力系统包括总数至少为4的偶数个螺旋桨以及相应的电动机，并对称固定于机翼的两侧。所述控制系统控制飞行器的正常飞行、垂直起降和飞行状态的转换。所述机体连接和支撑机构包括连接机翼和动力系统的机臂和支撑整个飞行器的起落架。根据本申请实施例提供的技术方案，飞行器采用类似多旋翼的方式起飞，然后将飞行器整体转换为水平飞行状态。由于水平飞行时由机翼提供升力，延长了飞行器的续航时间。除螺旋桨外，飞行器没有其他的活动机构，结构简单，可靠性高，并且节省能量。

Description

一种可垂直起降的固定翼飞行器

技术领域

本申请一般涉及航空飞行器技术领域。具体涉及可垂直起降的固定翼飞行器。

背景技术

固定翼飞行器具有飞行时间长和航程远的特点，但是起飞和降落一般需要进行长距离滑行的跑道，因此对使用环境有较大的限制。某些小型固定翼飞行器采用了弹射起飞或手抛起飞，降落伞辅助降落的方式，虽然不需要专门的跑道，但是起飞时需要专门的弹射器或者经过专业训练的操作人员，降落时虽然降落伞能够减缓飞行器落地的冲击力，仍然对飞行器有一定的损伤，显然也不是理想的方式。

垂直起降固定翼飞行器能够解决以上问题。现有的垂直起降固定翼飞行器主要包括以下几种形式。第一种为倾转旋翼类型，典型代表是美国的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机。起降时通过特殊机构改变旋翼的方向。第二种为尾座式，通过飞行器舵面偏转来实现飞行器实现水平飞行和垂直起降的状态转换。第三种广泛应用于现在的无人机设计中，这种类型的无人机分别具有水平和垂直方向的两套螺旋桨和动力系统。在起飞和降落时，垂直升力螺旋桨旋转，产生向上的升力，而水平方向飞行时，只有水平方向的螺旋桨旋转，产生水平方向的拉力，依靠机翼产生升力。

以上三种方式中，尾座式垂直起降飞行器在起飞和降落阶段由于速度低，舵面的效能有限，因此控制困难。第一种和第三种方式都需要额外的机构，增加了飞行器重量，降低了可靠性，缩短了飞行器的航程。

发明内容

为了解决以上背景技术的问题，本申请提出了一种结构简单、可以在水平和垂直飞行状态快速转换的固定翼飞行器。它可以实现垂直起降、悬停，也可以利用固定翼实现水平方向的低能耗飞行。

本申请提出的可垂直起降的固定翼飞行器包括：机翼，所述机翼可以是梯形、矩形或三角形等固定翼飞行器常用的类型，翼型设计可以采用固定翼飞行器机翼的设计理论和方法；动力系统，所述动力系统包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置，所述螺旋桨数目至少为4，并为2的倍数，对称安装在机翼两侧；所述螺旋桨驱动装置是电动机，通常是无刷直流电机；控制系统，所述控制系统包括飞行器姿态控制系统和控制电动机转速的控制模块；机体连接和支撑机构，所述机体连接和支撑机构包括连接机翼和动力系统的机臂和支撑整个飞行器的起落架。所述机臂之间平行或成‘X’形，穿过机翼固定于翼梁上。

可选的，机翼的设计可以添加副翼，以增加水平飞行状态控制滚转运动的能力。

可选的，机翼左右两端可以安装翼梢小翼，减小诱导阻力，进一步提高机翼的气动效率，有利于增加飞行器的续航时间。

可选的，所述机臂可以设计为可折叠形式，减少飞行器储存或者运输时占用的空间。

可选的，所述旋翼可以使用变桨距螺旋桨，在不同的飞行速度可以获得更高的效率。

本发明的有益效果：该飞行器通过简单的结构实现了固定翼飞行器的垂直起降功能，不需要额外的机构来改变旋翼的方向，也避免了通过机翼舵面来改变飞行方向时的控制困难的问题。起飞、降落或悬停时，与一般多旋翼飞行器的工作方式类似。水平飞行时，与一般固定翼飞行器方式一样，因此具有很高的可靠性和较长的续航时间和航程。在两种飞行状态转换时，不需要额外的活动机构，直接利用多个旋翼的速度差，从而产生拉力或升力的差，改变整个飞行器的飞行状态。

另外，支撑电动机和螺旋桨的机臂穿过机翼，固定于翼梁上，可以使所述飞行器在水平飞行状态时，重心位于机翼弦线的中间位置，更容易控制飞行姿态。

利用本发明所描述的可垂直起降的固定翼飞行器，不需要跑道和其他设施，就可以方便的起飞和降落，如果搭载不同功能的载荷，可以实现航拍、侦察、森林火灾探测、货物运输等多种任务。

附图说明

图1是本发明飞行器水平飞行状态时的立体图。

图2是本发明飞行器水平飞行状态时的侧视图。

图3是本发明飞行器垂直状态的俯视图。

图4是本发明飞行器垂直状态的前视图。

图5是本发明飞行器螺旋桨的‘X’安装方式。

图6是本发明飞行器螺旋桨数目为6的安装方式。

其中：飞行器起落架1、机翼2、机臂3、电动机4、螺旋桨5。控制系统和电池等位于机翼内部机舱中。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明的基本原理，而不是对本发明的限制。

本实施例提供的飞行器包括：机翼、动力系统、控制系统及机体连接和支撑机构。

动力系统包括螺旋桨5、电动机4。

控制系统包括飞行器姿态检测、姿态控制模块，以及分别控制每个电动机转速和方向的模块。

机体连接和支撑机构包括包括连接机翼和动力系统的机臂3和支撑整个飞行器的起落架1。

本发明的具体运行方式为:初始状态下，飞行器处于垂直状态放置于地面，控制系统控制所有的旋翼旋转，与四旋翼无人机类似，处于对角线位置的两个旋翼旋转方向相同，飞行器垂直升空。当飞行器达到一定高度和上升速度后，控制器控制机翼一侧的旋翼加速旋转，由于飞行器的机翼两侧旋翼的旋转速度差别，两侧旋翼产生的升力也不同，从而产生力矩差，使飞行器的飞行状态向水平方向过渡。

在水平飞行状态时，控制系统同样可以利用控制旋翼速度来达到控制飞行器姿态的目的。通过改变飞行器的机翼上下两组旋翼的转速，可以改变飞行器飞行器的俯仰角。通过改变飞行器的机翼左右两组旋翼的转速，可以改变飞行器的偏航角。通过改变飞行器的顺时针和逆时针方向两组旋翼的转速，可以改变飞行器的滚转角。通过改变飞行器的所有旋翼的转速，可以改变飞行器整体拉力的大小，从而改变飞行器的速度。

在飞行器降落时，飞行器在控制器的控制下减小飞行速度到一定值，然后控制器控制机翼下侧的旋翼加速旋转，上侧的旋翼减速，与飞行器起飞的过程相反，此时飞行器逐渐改变飞行状态到垂直飞行状态，再逐渐降低旋翼转速，降落到地面。

飞行器还可以实现悬停和垂直飞行状态的运动，其原理和多旋翼飞行器一致。

本发明提出的可垂直起降固定翼飞行器结构简单，结合了多旋翼和固定翼飞行器的优点，可以垂直起飞和降落，在垂直飞行状态可以实现悬停和六个自由度的运动。在水平飞行状态与一般固定翼飞行器一样。垂直飞行状态和水平飞行状态的转换不需要额外的机构，与以往的垂直起降固定翼飞行器相比，优势是非常明显的。

以上描述说明了本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域的普通技术人员可以理解，上述实施例是实施本发明的具体实施例。在实际应用中，可以在形式和细节上做出一定改变，而不偏离本发明的基本原理。

Claims (6)

1.一种可垂直起降的固定翼飞行器，其特征在于，包括：

机翼，所述机翼采用高升阻比设计，用于水平飞行时提供升力；动力系统，所述动力系统包括一组螺旋桨以及相应的电动机；控制系统，所述控制系统通过控制一组螺旋桨的转速来实现飞行器的水平飞行、垂直起降和飞行状态的转换；机体连接和支撑机构，所述机体连接和支撑机构包括连接机翼与动力系统的机臂以及支撑整个飞行器的起落架，所述机臂穿过机翼，并固定在翼梁上，所述起落架固定在机翼上。

2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述飞行器不需要水平和垂直尾翼等控制飞行姿态的结构。

3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述螺旋桨和相应的电动机通过机臂对称固定在机翼两侧，机臂之间平行或成‘X’形。

4.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述螺旋桨的总数目至少为4，并为2的倍数。

5.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：所述控制系统安装在机翼内部的控制仓中。

6.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：飞行器在水平飞行状态和垂直飞行状态的转换过程中，完全依靠机翼两侧螺旋桨的不同转速来形成力矩差，而不依靠其他的活动机构来实现。