CN110001949A - 一种共轴式复合自转无人直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴式复合自转无人直升机，包括无尾电动共轴式无人直升机、活塞式发动机、后推螺旋桨，其中，所述无尾电动共轴式无人直升机包括：传动系统、机身、旋翼、操纵系统、电源；所述活塞式发动机安装于所述机身后部，所述活塞式发动机上的油门通过油门舵机进行控制；所述后推螺旋桨安装在所述活塞式发动机输出轴的外端。本发明克服了现有固定翼垂直起降飞行器悬停效率低、功率载荷小、两种升力系统及操纵系统并存的问题，利用了电动驱动旋翼的振动小、易于精准控制的优点以及活塞式发动机加螺旋桨推进的油耗小航时长、速度高的优势，可提高悬停效率、重量效率、简化操纵机构、简化飞控系统。

Description

一种共轴式复合自转无人直升机

技术领域

本发明涉及航空器设计技术领域，更具体的说，涉及一种共轴式复合自转无人直升机。

背景技术

直升机具有垂直起降、空中悬停、低空低速的飞行功能，但其前飞下的气动效率远小于固定翼飞机。因此，提高直升机的速度及航时、航程成为航空飞行器的重要发展趋势。目前，已在应用的高速垂直起降飞行器有，以美国V-22“鱼鹰”为代表的倾转旋翼机，及在无人机上大量采用的固定翼加多旋翼形式(简称“固定翼垂起”)两种方式。上述两种形式总的来说都属于直升机与固定翼的复合形式，这种复合式飞行器在起飞状态以倾转旋翼或多旋翼为升力系统，通过倾转和开动推力装置进入前飞状态。这种倾转旋翼和多旋翼的特征接近螺旋桨，其悬停效率偏低。因此，这种飞行器是以牺牲直升机的悬停效率及重量效率为代价的，是以固定翼为主要工作状态的。

国内大量出现的固定翼垂起，是以电动多旋翼作为垂直起降、悬停的升力系统，在前飞时停转多旋翼，启动后推螺旋桨，完全以固定翼形式飞行。因此，表现为重量效率偏低、垂直起降及悬停时间很短，且此阶段的抗风能力较差，其操纵系统需要多旋翼和固定翼两副操纵系统，包括机械部分和飞控导航部分。

上述这种飞行器的优点是在前飞下以固定翼方式飞行，从而达到高速及航时长的目的。其不足之处在于，悬停效率较低；重量效率较低；具有两套操纵机构：直升机操纵机构及飞控、固定翼操纵机构及飞控。

因此，如何在现有飞行器的结构上进行改进以克服上述技术缺陷，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为了克服上述技术上的不足，本发明提供了一种共轴式复合自转无人直升机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种共轴式复合自转无人直升机，包括无尾电动共轴式无人直升机、活塞式发动机、后推螺旋桨，其中，

所述无尾电动共轴式无人直升机包括：

传动系统，所述传动系统包括外轴、内轴、盒体、外轴电机、内轴电机、外轴皮带传动装置、内轴皮带传动装置，所述外轴为中空轴，所述内轴同轴套设于所述外轴内，所述外轴固定于所述盒体内的中部，所述外轴电机和内轴电机固定于所述盒体内的两端，所述外轴电机与所述外轴之间连接所述外轴皮带传动装置，所述内轴电机与所述内轴之间连接所述内轴皮带传动装置；

机身，所述机身相对于所述外轴和内轴前后、左右对称且所述机身上不设尾翼和尾桨，所述机身内侧板及内侧板间的支撑件固定支撑所述盒体；

旋翼，所述外轴和内轴上分别固定一所述旋翼，所述旋翼包括上旋翼和下旋翼；

操纵系统，所述操纵系统为上下旋翼总距分控系统，包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统，所述上旋翼操纵系统包括上旋翼伺服舵机、上旋翼拉杆组件、上旋翼自动倾斜器，所述上旋翼伺服舵机通过所述上旋翼拉杆组件操纵所述上旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过所述上旋翼拉杆组件传递给所述上旋翼产生所述上旋翼的变距运动；所述下旋翼操纵系统包括下旋翼伺服舵机、下旋翼拉杆组件、下旋翼自动倾斜器，所述下旋翼伺服舵机通过所述下旋翼拉杆组件操纵所述下旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过所述下旋翼拉杆组件传递给所述下旋翼产生所述下旋翼的变距运动；

电源，所述电源用于为所述外轴电机和内轴电机提供工作电压；

所述活塞式发动机安装于所述机身后部，所述活塞式发动机上的油门通过油门舵机进行控制；

所述后推螺旋桨安装在所述活塞式发动机输出轴的外端。

通过采用上述技术方案，本发明在无尾电动共轴式无人直升机后部增加后推螺旋桨，使该飞行器在飞行中有两种工作状态：在垂直起飞、悬停、下降的飞行状态时，采用电机驱动的直升机模式；在小速度前飞时采用以油动螺旋桨推进为主，电机驱动为辅的模式，在达到最小需用功率速度及高速飞行状态下，完全采用油动螺旋桨推进模式，共轴双旋翼处于自转状态，此时电机不工作。

而且本发明一种共轴式复合自转无人直升机采用一套旋翼操纵系统及一个活塞式发动机油门舵机控制。通过上述控制系统达到全过程飞行控制。

本发明克服了现有固定翼垂直起降飞行器悬停效率低、功率载荷小、两种升力系统及操纵系统并存的问题，利用了电动驱动旋翼的振动小、易于精准控制的优点以及活塞式发动机加螺旋桨推进的油耗小航时长、速度高的优势，可提高悬停效率、重量效率、简化操纵机构、简化飞控系统。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述外轴皮带传动装置和所述内轴皮带传动装置均为二级皮带传动装置。

有益效果：电机将动力输送至共轴式无人直升机的旋翼，需要通过具有较大减速比的外轴皮带传动装置和内轴皮带传动装置，一级减速不能满足减速要求，为了保证结构紧凑，减小建构重量，本发明中的外轴皮带传动装置和内轴皮带传动装置均为二级皮带减速的布局形式。

外轴皮带传动装置和内轴皮带传动装置中的两级皮带传动结构均采用往复结构设计，能够充分地利用有限空间，使得电动共轴式无人直升机传动系统结构极为紧凑，减小了结构重量。

优选的，所述后推螺旋桨通过法兰盘与所述活塞式发动机输出轴连接。

优选的，所述上旋翼和下旋翼的变距运动分别独立控制，通过上下旋翼操纵控制的配合，形成共轴式无人直升机纵向、横向、总距和航向的四个控制。

优选的，所述上旋翼和下旋翼分别通过所述上旋翼伺服舵机和下旋翼伺服舵机进行纵向、横向、总距操纵，其航向操纵通过上下旋翼总距差动实现。

优选的，所述活塞式发动机的功率应与共轴式复合自转无人直升机的重量及速度匹配。

优选的，所述后推螺旋桨的大小尺寸应与所述活塞式发动机的功率及转速匹配。

优选的，所述后推螺旋桨中心轴线与所述外轴和内轴的轴向方向相垂直，所述后推螺旋桨中心轴线(推力线)通过直升机机体重心，从而使后推螺旋桨产生的推力对机体只起到推进作用，不产生绕机体重心的纵向或横向的滚转力矩。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种共轴式复合自转无人直升机，在起飞悬停时，采用无尾电动共轴式无人直升机形式；进入前飞后，启动油动的活塞式发动机及后推螺旋桨，克服前飞阻力，使飞行器产生相对速度，而直升机上的旋翼始终作为升力部件，驱动旋翼旋转的动力一部分来自于电机驱动(直升机状态)，一部分来自后推螺旋桨产生速度后的前飞气流驱动(风车状态)。随速度增加，该旋翼可完全转换为共轴自转形式，成为自转旋翼机状态，大大减小了电机驱动的功率。而且本发明一种共轴式复合自转无人直升机采用一套旋翼操纵系统及一个活塞式发动机油门舵机控制，通过上述控制系统即可达到全过程飞行控制。因此，本发明具有提高悬停效率、重量效率、简化操纵机构、简化飞控系统的有益效果。

本发明解决了现有垂直起降固定翼及倾转旋翼机的悬停效率低，重量效率低的问题，在直升机状态下，采用电机驱动，克服了油机驱动导致的振动大，不易维护、发动机工作环境恶劣的问题。在前飞状态下，采用油动活塞发动机加后推螺旋桨作为前飞动力，在自转和半自转状态下巡航飞行，此时的活塞发动机处于良好的工作环境，机体处于振动小的工作环境，利用油机的特点，提高了飞行器的速度、航时、航程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种共轴式复合自转无人直升机的轴测图；

图2为本发明一种共轴式复合自转无人直升机的主视图；

图3为本发明一种共轴式复合自转无人直升机的左视图；

图4为本发明一种共轴式复合自转无人直升机的右视图；

图5为本发明一种共轴式复合自转无人直升机的俯视图；

其中，图中：

100-无尾电动共轴式无人直升机，

110-传动系统，120-机身，130-旋翼，140-操纵系统，150-电源；

200-活塞式发动机；

300-后推螺旋桨；

400-起落架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明实施例公开了一种共轴式复合自转无人直升机，包括无尾电动共轴式无人直升机100、活塞式发动机200以及后推螺旋桨300。

其中，无尾电动共轴式无人直升机包括：传动系统110、机身120、旋翼130、操纵系统140、电源150，

传动系统110包括外轴、内轴、盒体、外轴电机、内轴电机、外轴皮带传动装置、内轴皮带传动装置，外轴为中空轴，内轴同轴套设于外轴内，外轴固定于盒体内的中部，外轴电机和内轴电机固定于盒体内的两端，外轴电机与外轴之间连接外轴皮带传动装置，内轴电机与内轴之间连接内轴皮带传动装置，外轴皮带传动装置和内轴皮带传动装置均为二级皮带传动装置。关于本发明中的传动系统110结构更为具体技术方案介绍，请参考专利号为201810564605.1，专利名称为一种电动共轴式无人直升机传动系统的发明专利，该发明专利的申请日为2018年06月04日，公开日为2018年10月16日。

机身120相对于外轴和内轴前后、左右对称且机身120上不设尾翼和尾桨，机身120内侧板及内侧板间的支撑件固定支撑盒体；

在外轴和内轴上分别固定有一个旋翼130，旋翼130包括上旋翼和下旋翼，即外轴上若固定上旋翼，则内轴上固定下旋翼；外轴上若固定下旋翼，则内轴上固定上旋翼。

操纵系统140为上下旋翼总距分控系统，包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统，上旋翼操纵系统包括上旋翼伺服舵机、上旋翼拉杆组件、上旋翼自动倾斜器，上旋翼伺服舵机通过上旋翼拉杆组件操纵上旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过上旋翼拉杆组件传递给上旋翼产生上旋翼的变距运动；下旋翼操纵系统包括下旋翼伺服舵机、下旋翼拉杆组件、下旋翼自动倾斜器，下旋翼伺服舵机通过下旋翼拉杆组件操纵下旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过下旋翼拉杆组件传递给下旋翼产生下旋翼的变距运动。上旋翼和下旋翼的变距运动分别独立控制，通过上下旋翼操纵控制的配合，形成共轴式无人直升机纵向、横向、总距和航向的四个控制。具体的，上旋翼和下旋翼分别通过上旋翼伺服舵机和下旋翼伺服舵机进行纵向、横向、总距操纵，其航向操纵通过上下旋翼总距差动实现。关于本发明中的操纵系统结构更为具体技术方案介绍，请参考专利号为201410751635.5，专利名称为一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统的发明专利，该发明专利的申请日为2014年12月10日，公开日为2016年11月30日。

电源150连接外轴电机和内轴电机，用于为外轴电机和内轴电机提供工作电压。

机身120下方设有用于支撑整个直升机的起落架400。

活塞式发动机200安装于机身120后部，活塞式发动机200上的油门通过油门舵机进行控制，活塞式发动机200的功率应与共轴式复合自转无人直升机的重量及速度匹配。

后推螺旋桨300安装在活塞式发动机输出轴的外端，后推螺旋桨300通过法兰盘与活塞式发动机输出轴的外端连接，而且后推螺旋桨300的大小尺寸应与活塞式发动机200的功率及转速匹配。

为了进一步优化技术方案，后推螺旋桨300中心轴线与外轴和内轴的轴向方向相垂直，后推螺旋桨300的中心轴线通过直升机机体重心。

本发明一种共轴式复合自转无人直升机的具体工作过程为：

如图1-5所示，本发明一种共轴式复合自转无人直升机在飞行中有两种工作状态：

起飞、悬停状态：飞行器处于直升机工作状态，共轴的两个旋翼130(上旋翼和下旋翼)通过电机(外轴电机和内轴电机)经二级皮带传动装置(外轴皮带传动装置和内轴皮带传动装置)减速驱动，同时操纵系统140通过上下旋翼操纵控制的配合，实现对共轴式无人直升机纵向、横向、总距和航向的操纵。此时，活塞式发动机200及后推螺旋桨300不工作或处于怠速(低速)状态，为纯电动飞行状态。

前飞状态：活塞式发动机200带动后推螺旋桨300加大转速，推力随转速增加而增加。转速和推力大小通过一个油门舵机控制。前飞状态时对该飞行器的操纵为：共轴式无人直升机的纵向、横向、航向、总距及活塞式发动机200的油门操纵。

随前飞速度增加，旋翼130需用功率中的诱导功率下降，废阻功率增加，废阻功率是与前飞速度和废阻系数相关的。由于废阻功率这部分由活塞式发动机200和后推螺旋桨300产生的推力平衡，因此，大大减小了电机驱动的功率，即减小了电池的供电消耗。并且，由于该飞行状态下的功率主要由活塞式发动机200和后推螺旋桨300平衡，从而增加了航时和速度。

当该飞行器进入悬停及降落状态时，其主要动力又过渡到电机驱动旋翼130的直升机状态，此时，活塞式发动机200处于怠速或停转状态。

在该飞行器的整个飞行中，上下旋翼的总距及纵、横向周期变距以及发动机油门均参与控制，其控制策略为，在前飞状态下，尽量使活塞发动后推螺旋桨300推进系统平衡需用功率。从而发挥油动长航时的优势。

在前飞状态下，该飞行器通过调整速度，使其在最小需用功率下工作，此时的需用功率会降到起飞悬停时的一半以下，完全可能使其飞行器的旋翼130进入自转，旋翼130处于后倾风车状态，动力完全由活塞式发动机200和后推螺旋桨300提供，此时处于纯油动飞行状态，从而完全发挥油动长航时的优势，为悬停和起降提供更多的电池能量储备，提高悬停效率、重量效率。

本发明在任何飞行状态下，只需一套旋翼操纵系统和一个发动机油门舵机操纵，无其他操纵机构和气动面。通过上述控制系统即可达到全过程飞行控制。因此，本发明具有简化操纵机构、简化飞控系统的有益效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明设计思想的一个实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的设计方案实施修改，或对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：包括无尾电动共轴式无人直升机、活塞式发动机、后推螺旋桨，其中，

所述无尾电动共轴式无人直升机包括：

传动系统，所述传动系统包括外轴、内轴、盒体、外轴电机、内轴电机、外轴皮带传动装置、内轴皮带传动装置，所述外轴为中空轴，所述内轴同轴套设于所述外轴内，所述外轴固定于所述盒体内的中部，所述外轴电机和内轴电机固定于所述盒体内的两端，所述外轴电机与所述外轴之间连接所述外轴皮带传动装置，所述内轴电机与所述内轴之间连接所述内轴皮带传动装置；

机身，所述机身相对于所述外轴和内轴前后、左右对称且所述机身上不设尾翼和尾桨，所述机身内侧板及内侧板间的支撑件固定支撑所述盒体；

旋翼，所述外轴和内轴上分别固定一所述旋翼，所述旋翼包括上旋翼和下旋翼；

操纵系统，所述操纵系统为上下旋翼总距分控系统，包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统，所述上旋翼操纵系统包括上旋翼伺服舵机、上旋翼拉杆组件、上旋翼自动倾斜器，所述上旋翼伺服舵机通过所述上旋翼拉杆组件操纵所述上旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过所述上旋翼拉杆组件传递给所述上旋翼产生所述上旋翼的变距运动；所述下旋翼操纵系统包括下旋翼伺服舵机、下旋翼拉杆组件、下旋翼自动倾斜器，所述下旋翼伺服舵机通过所述下旋翼拉杆组件操纵所述下旋翼自动倾斜器运动，该运动又通过所述下旋翼拉杆组件传递给所述下旋翼产生所述下旋翼的变距运动；

电源，所述电源用于为所述外轴电机和内轴电机提供工作电压；

所述活塞式发动机安装于所述机身后部，所述活塞式发动机上的油门通过油门舵机进行控制；

所述后推螺旋桨安装在所述活塞式发动机输出轴的外端。

2.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述外轴皮带传动装置和所述内轴皮带传动装置均为二级皮带传动装置。

3.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述后推螺旋桨通过法兰盘与所述活塞式发动机输出轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述上旋翼和下旋翼的变距运动分别独立控制，通过上下旋翼操纵控制的配合，形成共轴式无人直升机纵向、横向、总距和航向的四个控制。

5.根据权利要求4所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述上旋翼和下旋翼分别通过所述上旋翼伺服舵机和下旋翼伺服舵机进行纵向、横向、总距操纵，其航向操纵通过上下旋翼总距差动实现。

6.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述活塞式发动机的功率应与共轴式复合自转无人直升机的重量及速度匹配。

7.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述后推螺旋桨的大小尺寸应与所述活塞式发动机的功率及转速匹配。

8.根据权利要求1所述的一种共轴式复合自转无人直升机，其特征在于：所述后推螺旋桨中心轴线与所述外轴和内轴的轴向方向相垂直，所述后推螺旋桨中心轴线通过直升机机体重心。