CN109533319A - 一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统，包括机身、固定设置于机身左右两侧的一对机翼和固定设置于机身尾部的尾翼，其特征在于所述机翼包括上机翼、下机翼和搭接在上机翼和下机翼之间的搭接翼，还包括活动连接于搭接翼上的可倾转螺旋桨系统，所述可倾转螺旋桨系统包括倾转机构、电机和螺旋桨，所述倾转机构固定于搭接翼上，所述电机活动连接于倾转机构上，并可在倾转机构带动下绕搭接翼面的垂直中心线旋转，所述螺旋桨活动连接于电机上。本发明无人飞行器结构系统搭接翼结构刚度更好，能够降低旋翼对固定翼的气动弹性影响，同时能够在较短的展长下实现机翼面积的大幅增加，降低了结构重量，提高了巡航效率。

Description

一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统

技术领域

本发明属于无人飞行器总体技术领域，具体涉及一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统。

背景技术

传统的无人飞行器可分为固定翼和旋翼飞行器两种。固定翼飞行器飞行时升力由机翼提供，航时航程较大。通常来说固定翼飞行器的起降条件较为苛刻，滑跑起飞或降落需要较为平整的跑道，弹射起飞需要专门的弹射装置，手抛需要人员具有较为丰富的操作经验，撞网需要具有非常精确的导航控制系统等；此外，固定翼飞行器不能实现垂直起降，也无法在空中进行悬停。旋翼飞行器其升力由螺旋桨或涵道风扇提供，可以实现垂直起降，对起降场地要求较低，并且可以在空中稳定悬停；但是旋翼飞行器巡航平飞效率较低，同等条件下航时航程较小。无论是单纯的固定翼飞行器或是旋翼飞行器，均无法同时实现高效巡航平飞、空中悬停以及垂直起降，因此近年来出现了复合式垂直起降固定翼飞行器，即倾转旋翼飞行器，由于其同时兼备高效巡航平飞、空中悬停以及垂直起降，成为研究的热门。

从结构上看，倾转旋翼飞行器的两个旋翼位于机身两侧翼尖，起飞和降落类似于横列式直升机，前飞时，旋翼轴相对机体倾转，过渡到平飞时则像固定翼飞机一样，靠机翼产生升力，靠转轴近于水平的旋翼产生向前的推力。从性能上看，倾转旋翼飞行器结构系统既有普通直升机的垂直起降和空中悬停能力，又有固定翼飞行器的高速巡航功能。由于倾转旋翼飞行器的上述能力，大大增加了其使用范围和领域。在军用方面可作为突击运输机，以其速度快、航程远、在战场上能随处着陆的特点来实现战争的后勤保障工作。在民用方面，可作为快递公司实现各城市、乡村之间的货运的良好平台。

现有的倾转旋翼飞行器虽然具有相对于固定翼飞机和直升机的诸多优点，但由于布局上的局限性，仍具有较多缺点。从飞行器的总体布局上看，由于常规倾转旋翼机(如MV-22鱼鹰运输机)大多采用常规布局，有如下缺点：1.倾转旋翼飞行器在垂直飞行和低速飞行时类似于横列式直升机，机翼需要承受较大的结构载荷和气动载荷，因此对机翼刚度要求较高，且机翼气动弹性稳定性问题十分突出，再考虑实际对场地的适应性，常规倾转旋翼机翼展较小，滑翔性能差，出现空中发动机停车后较难利用飞行器结构系统滑翔安全迫降；2.较小的翼展使得其机翼面积较小，如鱼鹰运输机(MV-22)翼展仅14m，机翼面积28m²，飞行器升力难以保证；3.发动机置于翼尖，为克服垂直起降带来的复杂的气动弹性问题，需要保证机翼强度，对单翼结构强度要求高，这也限制了翼展，增加了翼载荷。

发明内容

针对现有大部分倾转旋翼飞行器固定翼翼面积小、机翼载荷高无法满足高效巡航平飞和大载荷的问题，本发明提供一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统，包括机身、固定设置于机身左右两侧的一对机翼和固定设置于机身尾部的尾翼，其特征在于所述机翼包括上机翼、下机翼和搭接在上机翼和下机翼之间的搭接翼，还包括活动连接于搭接翼上的可倾转螺旋桨系统，所述可倾转螺旋桨系统包括倾转机构、电机和螺旋桨，所述倾转机构固定于搭接翼上，所述电机活动连接于倾转机构上，并可在倾转机构带动下绕搭接翼面的垂直中心线旋转，所述螺旋桨活动连接于电机上，且由电机带动旋转，左右两侧螺旋桨转向相反，可实现自身力矩平衡。

优选地，所述上机翼、下机翼和搭接翼呈菱形搭接布局，上机翼具有下反角，下机翼具有上反角，上、下机翼前掠。

进一步地，所述尾翼为H型，所述H型尾翼的中间一横线为平尾，与所述机身尾部相连接，所述H型尾翼的两垂直线为两条垂尾，所述平尾和垂尾均采用对称翼型。

优选地，所述平尾上设置有方向舵，所述两条垂尾上也设置有方向舵。

优选地，所述上、下机翼和所述垂尾均为梯形翼布局。

优选地，所述上、下机翼截面采用正弯度翼型。

具体地，所述倾转机构还设置有连杆，所述动力装置为电机，电机和螺旋桨采用一体化集成设计(所述螺旋桨连接于所述电机转轴上，所述电机转轴带动螺旋桨旋转)，所述电机通过倾转机构的连杆与搭接翼(翼梢)连接，所述连杆带动电机可绕搭接翼(面)的垂直几何中心线倾转90°，左右两侧螺旋桨转向相反。

本发明的无人飞行器结构系统，可实现垂直起降、空中定点悬停与高效巡航平飞，动力装置既可以在起降和悬停过程中以旋翼飞行器动力形式提供升力，也可以在巡航平飞状态下以固定翼飞行器动力形式提供推力。由于采用了新型的搭接翼结构，上机翼安装于机身顶部，带有下反角，下机翼安装于机身底部，带有较大上反角，上下机翼在翼尖处搭接，取消了翼梢小翼。机翼在翼尖处搭接，翼尖的气动弹性发散不再成为问题，同时全机在纵向上总的横截面积更加平顺。搭接翼结构刚度更好，能够降低旋翼对固定翼的气动弹性影响，同时能够在较短的展长下实现机翼面积的大幅增加，降低了结构重量，提高了巡航效率。

附图说明

图1、图2为飞行器结构系统整体结构立体示意图；

图3为飞行器结构系统整体结构三视图；

图4为飞行器结构系统垂直起飞后转换过渡至平飞状态的示意图，包括起飞/悬停状态，采用旋翼模式飞行；倾转状态，为两种飞行模式之间的过渡模式；巡航平飞状态，采用固定翼模式飞行。

其中，1-机身，2-上机翼，3-下机翼，4-搭接翼，5-平尾，6-垂尾，7-电机，8-螺旋桨。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2所示，一种具有搭接翼的倾转旋翼飞行器结构系统，包括机身、固定设置于机身左右两侧的一对机翼和固定设置于机身尾部的尾翼，其特征在于所述机翼包括上机翼、下机翼和搭接在上机翼和下机翼之间的搭接翼，还包括活动连接于搭接翼面上的可倾转螺旋桨系统，所述可倾转螺旋桨系统包括倾转机构、动力装置和螺旋桨，所述倾转机构固定于搭接翼上，所述电机活动连接于倾转机构上，所述螺旋桨活动连接于动力装置上，本实施例中所述动力装置为电机。所述电机和螺旋桨采用一体化集成设计，电机带动螺旋桨旋转。所述倾转机构还设置有连杆，电机通过倾转机构的连杆与搭接翼(翼梢)连接，所述连杆能够带动电机绕搭接翼(面)的垂直几何中心线倾转90°。倾转机构还包括另一小电机，带动连杆旋转，另一小电机固定于搭接翼上。

左右两侧螺旋桨转向相反，可实现自身力矩平衡。

所述上机翼、下机翼和搭接翼呈菱形搭接布局，上机翼具有下反角，下机翼具有上反角，上、下机翼前掠。所述尾翼为H型，所述H型尾翼的中间一横线为平尾，与所述机身尾部相连接，所述H型尾翼的两垂直线为两条垂尾，所述平尾和垂尾均采用对称翼型。所述平尾上设置有方向舵，所述两条垂尾上也设置有方向舵。所述上、下机翼和所述垂尾均为梯形翼布局。

所述上、下机翼截面采用正弯度翼型。

如图1、图2、图3所示，具体地，本发明的一种具有搭接翼的倾转旋翼飞行器结构系统即包括机身、机翼、平尾、垂尾，其中机身为升力体外形，纵截面为带弯度翼型，以增加升力、降低阻力，翼型截面厚度不低于22％，为内部有效载荷、电源、飞行控制和航电系统提供安装空间，机身横截面为对称翼型截面，降低飞行阻力。机翼呈菱形搭接布局，具有四副机翼，下侧两副机翼上反，上侧两副机翼下反，上、下机翼前掠，相邻两副上机翼和下机翼之间搭接，既增强结构刚度，有起到翼梢小翼的作用，机翼截面采用正弯度翼型。H型尾翼，包括带方向舵的平尾和其两端垂直安装带方向舵的垂尾，平尾和垂尾均采用对称翼型，机翼和垂尾均为梯形翼布局。机翼、平尾和垂尾分别配有可偏转舵面，通过协调偏转可实现俯仰、滚转和偏航控制。机身、机翼采用碳纤维结构一体化成型。

所述两套可倾转螺旋桨系统，分别安装于搭接翼两侧搭接处的翼梢，在垂直起降和空中悬停状态，可倾转螺旋桨系统提供飞行器所需升力，而在巡航平飞状态，可倾转螺旋桨系统提供飞行器所需的推力。左右两侧螺旋桨转向相反，可实现自身力矩平衡。可倾转螺旋桨系统包括动力装置(电机)、螺旋桨和倾转机构。其中电机和螺旋桨采用一体化集成设计，通过倾转机构连杆与搭接翼翼梢连接固定。

飞行器还包括飞行控制系统和航电系统，控制飞行器的飞行轨迹、姿态以及实现同地面控制中枢的通信等，飞行控制系统和航电系统安装于机身结构内部，都是常规技术。

如图4所示，为飞行器的悬停、倾转和前飞三种飞行状态，分别采用了旋翼模式、过渡模式、固定翼模式三种飞行模式。其具体过程如下：首先飞行器采用类似横列式直升机方式停置于地面，两套可倾转螺旋桨系统的推力轴线均位于铅垂方向，起飞时两套可倾转螺旋桨系统产生升力，升力克服飞行器自身重力以实现飞行器的垂直起飞。当进行飞行模式的转换时，两套可倾转螺旋桨系统在倾转机构的带动下沿倾转轴向前倾转，在转动过程中，推力的水平分量使飞行器产生速度，从而使机翼产生一定升力，机翼上产生的升力和电动螺旋桨推力的竖直分量共同克服飞行器自身重力维持飞行器的高度。当过渡模式结束，整个转换过程完成之后，飞行器已具备巡航平飞需用速度，机翼产生的升力克服飞行器自身重力，两套可倾转螺旋桨系统产生的推力克服飞行器结构系统阻力。在巡航平飞过程中，由机翼、平尾和垂尾上的舵面共同控制飞行器的姿态。从巡航平飞状态转换至定点悬停或垂直降落模式过程同起飞过程相反，首先位于两套电动螺旋桨在倾转机构的带动下沿倾转轴向后倾转，转动过程中电动螺旋桨推力的竖直分量和机翼产生的升力共同克服飞行器自身重力。当转换过程结束时，两套电动螺旋桨推力轴线沿铅垂方向，推力克服飞行器自身重力实现定点悬停，当两套螺旋桨推力同时降低时，实现飞行器垂直降落。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有搭接翼的倾转旋翼无人飞行器结构系统，包括机身、固定设置于机身左右两侧的一对机翼和固定设置于机身尾部的尾翼，其特征在于所述机翼包括上机翼、下机翼和搭接在上机翼和下机翼之间的搭接翼，还包括活动连接于搭接翼上的可倾转螺旋桨系统，所述可倾转螺旋桨系统包括倾转机构、电机和螺旋桨，所述倾转机构固定于搭接翼上，所述电机活动连接于倾转机构上，所述螺旋桨活动连接于电机上。

2.根据权利要求1所述的无人飞行器结构系统，其特征在于，所述上机翼、下机翼和搭接翼呈菱形搭接布局，上机翼具有下反角，下机翼具有上反角，上、下机翼前掠。

3.根据权利要求1所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述尾翼为H型，所述H型尾翼的中间一横线为平尾，与所述机身尾部相连接，所述H型尾翼的两垂直线为两条垂尾，所述平尾和垂尾均采用对称翼型。

4.根据权利要求3所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述平尾上设置有方向舵，所述两条垂尾上也设置有方向舵。

5.根据权利要求3或4所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述上、下机翼和所述垂尾均为梯形翼布局。

6.根据权利要求1-4所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述上、下机翼截面采用正弯度翼型。

7.根据权利要求5所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述上、下机翼截面采用正弯度翼型。

8.根据权利要求1所述的无人飞行器结构系统，其特征在于所述倾转机构还设置有连杆，所述电机和螺旋桨采用一体化集成设计，所述电机通过倾转机构的连杆与搭接翼(翼梢)连接，左右两侧螺旋桨转向相反。