CN110920881A - 一种垂直起降无人运输机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种垂直起降无人运输机及其控制方法，所属航空领域，无人运输机包括机身、机翼、尾翼、起落架、发动机舱、货舱；本发明无人运输机采用升力风扇在垂直起降时提供升力并辅助平衡，同时通过对飞机结构和气动布局的设计，降低飞行器的控制难度，增大飞行器的载货空间，有效解决现有垂直起降无人飞行器的控制困难与载重量小的问题，以实现垂直和短距离起降，具有飞行灵活平稳、适用范围广、载重量大等优点。

Description

一种垂直起降无人运输机及其控制方法

技术领域

本发明属于航空领域，特别涉及一种垂直起降无人运输机及其控制方法。

背景技术

近年来，无人机技术飞速发展，无人机在航拍、运输、巡检、植保等领域有着极大的应用价值，无人机现在已广泛应用于军事和民用的各个领域，其中垂直起降无人机作为一类特殊的无人机，能以零速度起飞并着陆，无需开辟专门的起降跑道。与常规无人机相比，垂直起降无人机具有起降方式灵活、发射回收方便、机动性好等优点，同时也具备常规无人机的一般功能。研发新型垂直起降无人机，对于赢得未来战场的主动权具有较高的实用价值。

目前，垂直起降技术主要有三种，第一种是倾转旋翼，通过倾转发动机和旋翼实现垂直起降和平飞的转换，但倾转旋翼机悬停和低速能力及经济性还远不如同档次直升机，前飞能力又远不如同档次固定翼飞机，但是它的存在填补了两者之间的空白，给航空界带来了新的思路；第二种是复合式布局，既具有旋翼无人机可垂直起降、空中悬停的功能，又具备常规无人机出色的巡航功能，二者合二为一地体现在同一架无人机身上，在使用中，具有便捷性和灵活性，而且平飞速度、续航力、升限、巡航性能、航程等项技术指标均优于旋翼无人机，但是其载重量很有限，只适用于中小型无人机；第三种是倾转发动机喷口或搭配升力风扇实现垂直起降，通过倾转发动机喷口，将其推力从平行方向引向其它方向，推力矢量技术除了可以提供垂直起降或短距起降能力外，还能在空战中为飞机提供额外的机动力，但是其对控制系统要求较高，不仅控制硬件众多，控制软件也非常复杂。因此，目前需要一种新的垂直起降飞行器，以有效解决上述问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种垂直起降无人运输机及其控制方法，采用升力风扇在垂直起降时提供升力并辅助平衡，同时通过对飞机结构和气动布局的设计，降低飞行器的控制难度，增大飞行器的载货空间，有效解决现有垂直起降无人飞行器的控制困难与载重量小的问题，以实现垂直和短距离起降，具有飞行灵活平稳、适用范围广、载重量大等优点，其具体技术方案如下：

一种垂直起降无人运输机，包括机身1、机翼2、尾翼6、起落架8、发动机舱10、货舱20，其特征在于，所述机身1两侧设置有机翼2，机身1与机翼2为翼身融合体；所述机身1和机翼2下方共设置有三支起落架8；所述机翼2后端设置有一片副翼3和两片襟翼4，机翼2尖端设置有翼梢小翼5；所述机身1尾部设置有尾翼6，所述尾翼6为单垂尾，尾翼6设置有方向舵7；所述机翼2接近于机身1的内侧设置有发动机舱10，所述发动机舱10前端设置有发动机舱进气口9，发动机舱10后端设置有发动机舱出气口11；所述机身1的头部设置有机头升力风扇气道13，所述机头升力风扇气道13内设置有机头升力风扇12，所述机头升力风扇气道13上下分别设置有机头升力风扇气道上舱门14和机头升力风扇气道下舱门15；所述机翼2设置有机翼升力风扇气道17，所述机翼升力风扇气道17内设置有机翼升力风扇16，所述机翼升力风扇气道17上下分别设置有机翼升力风扇气道上舱门18和机翼升力风扇气道下舱门19；如图1-4所示；

所述机翼2后缘垂直于机身1纵向中轴线，机翼2的翼展与机身1总长的比值为(1.6～1.8):1；

所述翼梢小翼5为单上小翼，翼梢小翼5的高度为半翼展的10％～15％，倾斜角度为15～20度；

所述机头升力风扇12的几何中心到机头顶点的距离为机身总长的25％～27％；所述机翼升力风扇16的几何中心到机身1中轴线的距离为半翼展的42％～43％，机翼升力风扇16的几何中心到机翼2后缘的距离为机身1总长的20％～22％；

所述机身1内部设置有货舱20，所述货舱20俯视轮廓面积为飞机总体俯视轮廓面积的15％～20％，货舱20上表面最大凸起高度为飞机总长的10％～15％，且不小于发动机舱10上表面最大凸起高度；

所述垂直起降无人运输机共安装有五台发动机，三台分别与机头升力风扇12和机翼升力风扇16连接为一体，提供垂直起降动力；两台分别安装机翼2处的发动机舱10内，提供水平推力；

所述机头升力风扇12与机翼升力风扇16呈等腰三角形分布；

所述三支起落架8呈等腰三角形分布；所述机身1处的起落架8设置在机头升力风扇12与机头顶点之间的区域；所述机翼2处的起落架8设置在机翼升力风扇16、发动机舱10、发动机舱出气口11和襟翼4之间的区域；

上述的一种垂直起降无人运输机的控制方法，包含如下阶段：

阶段一，垂直起飞——空中悬停，或短距滑跑起飞：

将三个升力风扇气道的上舱门和下舱门同时打开，三台升力风扇同时启动，此时三台升力风扇同时产生垂直向下的推力，当升力风扇的总推力大于飞机总重力时，飞机垂直离开地面，达到一定高度后逐渐减速，直到升力风扇的推力等于飞机自身重力，实现垂直起飞——空中悬停；

当载重量较大，飞机总重量大于三台升力风扇的最大推力时，进行短距滑跑起飞，将三台升力风扇和两台水平推力发动机同时启动，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道上舱门和下舱门，实现短距滑跑起飞；

阶段二，空中悬停——平飞：

启动水平推力发动机，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道的上舱门和下舱门，此时完成空中悬停到水平飞行的过程；

阶段三，平飞：

通过控制两侧的副翼3和襟翼4同时向上或向下偏转，得到飞机的俯或仰力矩，实现飞机平飞过程中的俯或仰运动；通过控制左侧的副翼3向上或向下偏转，同时右侧的副翼3向下或向上偏转，得到飞机的左或右滚转力矩，实现飞机平飞过程中的滚转运动；通过控制尾翼6上的方向舵7向左或向右偏转，得到飞机的左或右偏航力矩，实现飞机平飞过程中的偏航运动；

阶段四，平飞——空中悬停：

逐渐关闭水平推力发动机，飞机逐渐减速，两侧的副翼3和襟翼4同时向下偏转90°，将机头升力风扇气道上舱门14和机头升力风扇气道下舱门15同时打开，启动机头升力风扇12，通过控制机头升力风扇12推力，使飞机减速的同时保持机身水平稳定，当副翼3和襟翼4产生的气动力逐渐减弱时，将机翼升力风扇气道上舱门18和机翼升力风扇气道下舱门19同时打开，启动机翼升力风扇16，两侧的副翼3和襟翼4同时复位，通过控制三台升力风扇产生推力，保持机身水平稳定，直到飞机速度为零，实现空中悬停；

阶段五，空中悬停——垂直降落：

通过控制三台升力风扇推力逐渐减弱，保持机身水平稳定的同时，使飞机逐渐降落至地面，将三个升力风扇气道上舱门和下舱门同时关闭，并将三台升力风扇同时关闭，实现垂直降落。

本发明的一种垂直起降无人运输机及其控制方法，与现有技术相比，有益效果为：

一、垂直起降能力：本发明的无人运输机可以实现稳定的垂直起飞和降落，缩小了飞行场地面积；本发明使用三台升力风扇作为垂直起降动力，相比于倾转旋翼和倾转发动机喷口，控制难度相对较低；相比于复合式布局，飞机的载重量大大提高；本发明无人运输机的垂直起降功能，可以让飞机完成在军舰甲板上或地面状况复杂的环境下的起飞和降落，增加了飞机的应用范围。

二、气动外形优势：本发明的无人运输机为翼身融合体飞机，把机翼与机身的前部融合在一起，能够降低自重、增升减阻，大大的提高空气动力效率和结构效率，机体内部使用空间更大，此外，由于机身机翼连接处以平滑曲面过渡，没有明显折角，消除了二面体反射效应，有效减少雷达波反射面积、提高了飞机的隐身性能。

三、虽然本发明无人运输机承载5台发动机，其造价及重量较大，但有利于其垂直起飞和降落具的稳定性，且载重量大，在运载飞行过程中能够良好的保证飞行安全。

综上所述，本发明的一种垂直起降无人运输机及其控制方法，与现有大型运输机相比，增加了垂直起降功能，可以让飞机完成在军舰甲板上或地面状况复杂的环境下的起飞和降落，缩小了飞行场地面积，增加了飞机的应用范围；相比于倾转旋翼机和倾转发动机喷口飞机，控制难度相对较低；相比于复合式布局运输机，飞机的载重量大大提高。

附图说明

图1为本发明的一种垂直起降无人运输机的结构示意图；

图2为本发明的一种垂直起降无人运输机的俯视图；

图3为本发明的机头升力风扇和机头升力风扇气道结构示意图；

图4为本发明的机翼升力风扇和机翼升力风扇气道结构示意图；

图中：1-机身，2-机翼，3-副翼，4-襟翼，5-翼梢小翼，6-尾翼，7-方向舵，8-起落架，9-发动机舱进气口，10-发动机舱，11-发动机舱出气口，12-机头升力风扇，13-机头升力风扇气道，14-机头升力风扇气道上舱门，15-机头升力风扇气道下舱门，16-机翼升力风扇，17-机翼升力风扇气道，18-机翼升力风扇气道上舱门，19-机翼升力风扇气道下舱门，20-货舱。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

一种垂直起降无人运输机，包括机身1、机翼2、尾翼6、起落架8、发动机舱10、货舱20，其特征在于，所述机身1两侧设置有机翼2，机身1与机翼2为翼身融合体；所述机身1和机翼2下方共设置有三支起落架8；所述机翼2后端设置有一片副翼3和两片襟翼4，机翼2尖端设置有翼梢小翼5；所述机身1尾部设置有尾翼6，所述尾翼6为单垂尾，尾翼6设置有方向舵7；所述机翼2接近于机身1的内侧设置有发动机舱10，所述发动机舱10前端设置有发动机舱进气口9，发动机舱10后端设置有发动机舱出气口11；所述机身1的头部设置有机头升力风扇气道13，所述机头升力风扇气道13内设置有机头升力风扇12，所述机头升力风扇气道13上下分别设置有机头升力风扇气道上舱门14和机头升力风扇气道下舱门15；所述机翼2设置有机翼升力风扇气道17，所述机翼升力风扇气道17内设置有机翼升力风扇16，所述机翼升力风扇气道17上下分别设置有机翼升力风扇气道上舱门18和机翼升力风扇气道下舱门19；如图1-4所示；

所述机翼2后缘垂直于机身1纵向中轴线，机翼2的翼展与机身1总长的比值为(1.6～1.8):1；

所述翼梢小翼5为单上小翼，翼梢小翼5的高度为半翼展的10％～15％，倾斜角度为15～20度；

所述机头升力风扇12的几何中心到机头顶点的距离为机身总长的25％～27％；所述机翼升力风扇16的几何中心到机身1中轴线的距离为半翼展的42％～43％，机翼升力风扇16的几何中心到机翼2后缘的距离为机身1总长的20％～22％；

所述机身1内部设置有货舱20，所述货舱20俯视轮廓面积为飞机总体俯视轮廓面积的15％～20％，货舱20上表面最大凸起高度为飞机总长的10％～15％，且不小于发动机舱10上表面最大凸起高度；

所述垂直起降无人运输机共安装有五台发动机，三台分别与机头升力风扇12和机翼升力风扇16连接为一体，提供垂直起降动力；两台分别安装机翼2处的发动机舱10内，提供水平推力；

所述机头升力风扇12与机翼升力风扇16呈等腰三角形分布；

所述三支起落架8呈等腰三角形分布；所述机身1处的起落架8设置在机头升力风扇12与机头顶点之间的区域；所述机翼2处的起落架8设置在机翼升力风扇16、发动机舱10、发动机舱出气口11和襟翼4之间的区域；

本实施例制作一个模型机，基本参数为：机身1长度为4米，机身1高度1.2米，机翼2的翼展7米，机翼2面积12.4平方米，飞机空重410千克，最大起飞重量1450千克，发动机采用F112涡扇发动机，水平推力2×3.26千牛，竖直推力3×3.26千牛。

本实施例的一种垂直起降无人运输机的控制方法，包含如下阶段：

阶段一，垂直起飞——空中悬停，或短距滑跑起飞：

将三个升力风扇气道的上舱门和下舱门同时打开，三台升力风扇同时启动，此时三台升力风扇同时产生垂直向下的推力，当升力风扇的总推力大于飞机总重力时，飞机垂直离开地面，达到一定高度后逐渐减速，直到升力风扇的推力等于飞机自身重力，实现垂直起飞——空中悬停；

当载重量较大，飞机总重量大于三台升力风扇的最大推力时，进行短距滑跑起飞，将三台升力风扇和两台水平推力发动机同时启动，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道上舱门和下舱门，实现短距滑跑起飞；

阶段二，空中悬停——平飞：

启动水平推力发动机，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道的上舱门和下舱门，此时完成空中悬停到水平飞行的过程；

阶段三，平飞：

通过控制两侧的副翼3和襟翼4同时向上或向下偏转，得到飞机的俯或仰力矩，实现飞机平飞过程中的俯或仰运动；通过控制左侧的副翼3向上或向下偏转，同时右侧的副翼3向下或向上偏转，得到飞机的左或右滚转力矩，实现飞机平飞过程中的滚转运动；通过控制尾翼6上的方向舵7向左或向右偏转，得到飞机的左或右偏航力矩，实现飞机平飞过程中的偏航运动；

阶段四，平飞——空中悬停：

逐渐关闭水平推力发动机，飞机逐渐减速，两侧的副翼3和襟翼4同时向下偏转90°，将机头升力风扇气道上舱门14和机头升力风扇气道下舱门15同时打开，启动机头升力风扇12，通过控制机头升力风扇12推力，使飞机减速的同时保持机身水平稳定，当副翼3和襟翼4产生的气动力逐渐减弱时，将机翼升力风扇气道上舱门18和机翼升力风扇气道下舱门19同时打开，启动机翼升力风扇16，两侧的副翼3和襟翼4同时复位，通过控制三台升力风扇产生推力，保持机身水平稳定，直到飞机速度为零，实现空中悬停；

阶段五，空中悬停——垂直降落：

通过控制三台升力风扇推力逐渐减弱，保持机身水平稳定的同时，使飞机逐渐降落至地面，将三个升力风扇气道上舱门和下舱门同时关闭，并将三台升力风扇同时关闭，实现垂直降落。

本实施例的模型机经飞行测试：最大速度为0.65马赫，垂直起降有效载荷为480千克，短距滑跑有效载荷940千克，实用升限3500米，最大航程1580千米，推重比4.56:1。

本实施例的模型机与X-48B无人机模型机相比，最大速度提高了264.95％，最大航程提高了624.77％。

Claims (4)

1.一种垂直起降无人运输机，包括机身(1)、机翼(2)、尾翼(6)、起落架(8)、发动机舱(10)、货舱(20)，其特征在于，所述机身(1)两侧设置有机翼(2)，机身(1)与机翼(2)为翼身融合体；所述机身(1)和机翼(2)下方共设置有三支起落架(8)；所述机翼(2)后端设置有一片副翼(3)和两片襟翼(4)，机翼(2)尖端设置有翼梢小翼(5)；所述机身(1)尾部设置有尾翼(6)，所述尾翼(6)为单垂尾，尾翼(6)设置有方向舵(7)；所述机翼(2)接近于机身(1)的内侧设置有发动机舱(10)，所述发动机舱(10)前端设置有发动机舱进气口(9)，发动机舱(10)后端设置有发动机舱出气口(11)；所述机身(1)的头部设置有机头升力风扇气道(13)，所述机头升力风扇气道(13)内设置有机头升力风扇(12)，所述机头升力风扇气道(13)上下分别设置有机头升力风扇气道上舱门(14)和机头升力风扇气道下舱门(15)；所述机翼(2)设置有机翼升力风扇气道(17)，所述机翼升力风扇气道(17)内设置有机翼升力风扇(16)，所述机翼升力风扇气道(17)上下分别设置有机翼升力风扇气道上舱门(18)和机翼升力风扇气道下舱门(19)；

所述机翼(2)后缘垂直于机身(1)纵向中轴线，机翼(2)的翼展与机身(1)总长的比值为(1.6～1.8):1；

所述翼梢小翼(5)为单上小翼，翼梢小翼(5)的高度为半翼展的10％～15％，倾斜角度为15～20度；

所述机头升力风扇(12)的几何中心到机头顶点的距离为机身总长的25％～27％；所述机翼升力风扇(16)的几何中心到机身(1)中轴线的距离为半翼展的42％～43％，机翼升力风扇(16)的几何中心到机翼(2)后缘的距离为机身(1)总长的20％～22％；

所述机身(1)内部设置有货舱(20)，所述货舱(20)俯视轮廓面积为飞机总体俯视轮廓面积的15％～20％，货舱(20)上表面最大凸起高度为飞机总长的10％～15％，且不小于发动机舱(10)上表面最大凸起高度；

所述垂直起降无人运输机共安装有五台发动机，三台分别与机头升力风扇(12)和机翼升力风扇(16)连接为一体，提供垂直起降动力；两台分别安装机翼(2)处的发动机舱(10)内，提供水平推力。

2.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人运输机，其特征在于，所述机头升力风扇(12)与机翼升力风扇(16)呈等腰三角形分布。

3.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人运输机，其特征在于，所述三支起落架(8)呈等腰三角形分布；所述机身(1)处的起落架(8)设置在机头升力风扇(12)与机头顶点之间的区域；所述机翼(2)处的起落架(8)设置在机翼升力风扇(16)、发动机舱(10)、发动机舱出气口(11)和襟翼(4)之间的区域。

4.权利要求1所述的一种垂直起降无人运输机的控制方法，其特征在于，包含如下阶段：

阶段一，垂直起飞——空中悬停，或短距滑跑起飞：

将三个升力风扇气道的上舱门和下舱门同时打开，三台升力风扇同时启动，此时三台升力风扇同时产生垂直向下的推力，当升力风扇的总推力大于飞机总重力时，飞机垂直离开地面，达到一定高度后逐渐减速，直到升力风扇的推力等于飞机自身重力，实现垂直起飞——空中悬停；

当载重量较大，飞机总重量大于三台升力风扇的最大推力时，进行短距滑跑起飞，将三台升力风扇和两台水平推力发动机同时启动，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道上舱门和下舱门，实现短距滑跑起飞；

阶段二，空中悬停——平飞：

启动水平推力发动机，达到一定速度后，翼身融合体机身产生的气动升力等于飞机自身重力时，关闭三个升力风扇，同时关闭三个升力风扇气道的上舱门和下舱门，此时完成空中悬停到水平飞行的过程；

阶段三，平飞：

通过控制两侧的副翼(3)和襟翼(4)同时向上或向下偏转，得到飞机的俯或仰力矩，实现飞机平飞过程中的俯或仰运动；通过控制左侧的副翼(3)向上或向下偏转，同时右侧的副翼(3)向下或向上偏转，得到飞机的左或右滚转力矩，实现飞机平飞过程中的滚转运动；通过控制尾翼(6)上的方向舵(7)向左或向右偏转，得到飞机的左或右偏航力矩，实现飞机平飞过程中的偏航运动；

阶段四，平飞——空中悬停：

逐渐关闭水平推力发动机，飞机逐渐减速，两侧的副翼(3)和襟翼(4)同时向下偏转90°，将机头升力风扇气道上舱门(14)和机头升力风扇气道下舱门(15)同时打开，启动机头升力风扇(12)，通过控制机头升力风扇(12)推力，使飞机减速的同时保持机身水平稳定，当副翼(3)和襟翼(4)产生的气动力逐渐减弱时，将机翼升力风扇气道上舱门(18)和机翼升力风扇气道下舱门(19)同时打开，启动机翼升力风扇(16)，两侧的副翼(3)和襟翼(4)同时复位，通过控制三台升力风扇产生推力，保持机身水平稳定，直到飞机速度为零，实现空中悬停；

阶段五，空中悬停——垂直降落：

通过控制三台升力风扇推力逐渐减弱，保持机身水平稳定的同时，使飞机逐渐降落至地面，将三个升力风扇气道上舱门和下舱门同时关闭，并将三台升力风扇同时关闭，实现垂直降落。

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