CN110979635A - 一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，包括机身，机身的两侧对称设置有机翼，每个机翼的后缘设置一副翼，每个机翼翼梢的顶部设置一翼梢小翼，翼梢小翼与机翼垂直设置，通过翼梢小翼重新调整了翼尖涡流，降低飞行阻力，有效的减少了无人机飞行时的阻力和燃料消耗，利用垂直方向舵和副翼的协调联动，可有效减小无人机的转弯半径，改善了无人机的飞行性能。通过简单的机械设计避免复杂的控制解耦过程，降低了飞翼无人机控制系统的设计难度。

Description

一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机

技术领域

本发明属于无人机设计领域，尤其涉及一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机。

背景技术

随着无人机的迅猛发展，无人机在设计上提出了新的挑战，气动布局也多种多样。飞翼布局的无人机依靠其在结构和气动上的优越性能在新型无人机中成为优先选择。

虽然飞翼无人机有很多优点，但是对于常见的飞翼无人机一般仅有水平方向的舵面控制飞行姿态，但是缺少平尾导致水平控制面的效率降低，对其航向稳定性产生不良影响。特别是在转弯动作时，飞翼无人机的飞行性能较差，转弯半径过大，且需要复杂的飞行控制方法对其运动进行解耦，飞行控制方法的设计仍是飞翼无人机设计过程中的一项挑战。一般无人机的飞行控制方法是基于线性小扰动理论建立的，而对于飞翼布局的无人机需要更加复杂的鲁棒控制系统。

发明内容

针对现有缺少平尾导致水平控制面的效率降低，航向稳定性差的问题，本发明提供一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，翼梢小翼有效改善无人机在低速时的气动特性，同时将其一部分作为垂直方向舵面，控制无人机的偏航姿态，提高航向静稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，包括机身，机身的两侧对称设置有机翼，每个机翼的后缘设置一副翼，每个机翼翼梢的顶部设置一翼梢小翼，翼梢小翼与机翼呈夹角设置。

优选的，所述翼梢小翼平面形状为梯形，翼梢小翼的下端与机翼翼梢的边缘固连，翼梢小翼的上端向机翼的顶部延伸。

优选的，所述翼梢小翼的参考弦长C_t为机翼2的翼尖弦长的80％，尖削比λ_wl为0.5至0.7，前缘后掠角Λ_wl为35°，高度h_wl为飞机翼展展长的10％。

优选的，所述翼梢小翼的与机翼的夹角为90°-120°。

优选的，所述翼梢小翼的参考弦长为机翼的参考弦长的1/4-1/3。

优选的，所述翼梢小翼的后缘转动设置有垂直方向舵。

优选的，所述垂直方向舵5的转动范围±15°。

优选的，所述翼梢小翼和垂直方向舵的翼型为低雷诺数翼型。

优选的，优选的，所述垂直方向舵的参考弦长为翼梢小翼的参考弦长的1/4-1/3。

优选的，所述垂直方向舵的面积占翼梢小翼参考面积的15％-25％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，翼梢小翼重新调整了翼尖涡流，阻碍了机翼上下表面的空气绕流，从而减小涡流的强度，有效的减少了无人机飞行时的阻力和燃料消耗，可以有效地降低无人机的诱导阻力，从而可以显著地减小无人机的飞行阻力；另一方面，翼梢小翼在流场中同样会产生向上和向前地的分力，从而提高推力和升力。对于机翼，翼梢小翼使得无人机的实际正反角变大，从而增强无人机的飞行稳定性，优化了无人机的升阻特性。该无人机继承飞翼无人机的翼身融合特点，提高升力，降低了诱导阻力和干扰阻力，提升了升阻比，气动性能优异；机身内部空间大，机载设备在内部分布紧凑，载荷分布合理。

进一步，垂直方向舵面加装在翼梢小翼上，结构简单，操控可靠，进一步为无人机提供控制横向稳定的方法，弥补了飞翼无人机缺少垂尾的缺陷，提高了无人机的静稳定性。对于无人机的航向力矩，垂直方向舵的航向力矩作用点与无人机的质点的距离远大于副翼的航向分力矩作用点与无人机质点的距离；故对于航向力矩的贡献，垂直方向舵大于副翼；对于控制无人机航向角的舵面效率，垂直方向舵远大于副翼。无人机转弯时改变航向角，利用垂直方向舵和副翼的协调联动，可有效减小无人机的转弯半径，改善了无人机的飞行性能。通过简单的机械设计避免复杂的控制解耦过程，降低了飞翼无人机控制系统的设计难度。

附图说明

图1为本发明飞翼无人机的结构图；

图2为本发明飞翼无人机翼梢小翼的结构图；

图3为本发明飞翼无人机和现有无人机在飞行转弯试验中的滚转角和偏航角变化的对比图；

图4为本发明飞翼无人机和现有无人机在飞行转弯试验中舵面偏转量变化的对比图。

图5为本发明翼梢小翼的设计图。

图中：1机身、2机翼、3副翼、4翼梢小翼、5垂直方向舵、6推进装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，包括机身1、机翼2、副翼3、翼梢小翼4、垂直方向舵5和推进装置6。

所述推进装置6设置在机身1的后端，两个机翼2对称设置在机身1的两侧，每个机翼2的后缘设置一副翼3，每个机翼2翼梢的顶部设置一翼梢小翼4，翼梢小翼4的后缘转动设置有垂直方向舵5。

参阅图2，翼梢小翼4为梯形小翼，翼梢小翼4的参考弦长为机翼参考弦长的1/4-1/3之间，翼梢小翼4和垂直方向舵5的翼型相同，均为机翼翼型的延伸；翼梢小翼4垂直于机翼2所在的平面，与机翼2通过碳管连接固定。

翼梢小翼4和垂直方向舵5的翼型可以为低雷诺数翼型，比如Selig5010、Selig-Donovan7062，本发明中采用S5010翼型

翼梢小翼4的参考弦长C_t为机翼2的翼尖弦长的80％，尖削比λ_wl为0.5至0.7，前缘后掠角Λ_wl为35°，高度h_wl为飞机翼展展长的10％。

翼梢小翼4与机翼2的角度90°至120°，本发明实施例采用90°。

垂直方向舵5与机翼2的顶面垂直设置，垂直方向舵5能够绕连接处在翼梢小翼4所在平面上活动，通过提供飞机的航向力矩，实现航向控制。垂直方向舵5参考弦长占翼梢小翼4参考弦长的1/4-1/3之间，面积占翼梢小翼4参考面积的15％-25％之间。

垂直方向舵5的转动范围±15°。

该飞翼无人机起飞时，可用手抛起飞，不受限于跑道，由推进装置6产生推力，无人机转弯时，通过操控垂直方向舵5左右从动产生的横向力矩主导控制无人机改变航向，同时只需操控副翼3的较小偏转，调整无人机的飞行姿态就可以达到协调转弯的目的。

盘旋过程中，对于转弯动作，由垂直方向舵5的偏转产生的航向力矩控制飞机航向变化；由副翼3偏转产生的横纵向力矩控制飞机姿态角，从而做到协调转弯。对比没有垂直方向舵5的无尾飞翼无人机，仅由水平舵面控制航向和姿态，本发明的飞翼无人机由偏航舵面效率更高的垂直方向舵5和滚转舵面效率更高的副翼3分别控制航向角和横纵向姿态角，降低了单一舵面控制多变量的耦合程度，进一步降低飞行控制方法的设计难度，从而获得较好的飞行性能。

下面结合图3和图4对本发明的翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机的飞行性能进行详细的阐述

本发明提供的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机进行了自由飞行试验，并记录了无人机转弯时的飞行数据，参阅图3，飞行转弯试验中的滚转角和偏航角变化的对比图。

图3中201和203曲线分别指本发明提供的飞翼无人机在飞行转弯工况下的滚转角和偏航角的变化。

202和204曲线分别没有翼梢小翼4和垂直方向舵5的无人机，即常规构型的飞翼布局无人机在相同工况下的滚转角和偏航角的变化。

由201和202曲线的对比可以看出，本发明提供飞翼无人机相较于常规构型的飞翼布局无人机，滚转角的响应更快，舵面作用幅度更大，飞行姿态收敛更迅速。

203和204曲线的对比可以看出，本发明提供的飞翼无人机相较于常规构型的飞翼布局无人机，航向角收敛更加迅速。

由图3所示曲线对比，本发明提供的实施例相较于常规构型的飞翼布局无人机转弯性能更优秀，横向静稳定性和航向静稳定性更佳，飞行机动性能更好。

如图4所示，301和303曲线分别是本发明飞翼无人机在飞行转弯工况下的副翼3和垂直方向舵5的舵面偏转变化。302曲线是现有的飞翼布局无人机在相同工况下的副翼舵面偏转量变化。301和303曲线中，本发明的飞翼无人机的副翼3作用范围为±4°；垂直方向舵5的作动范围为±6°。302曲线表示常规构型的飞翼布局无人机的副翼作动范围为±7°。由图4中301和302的对比得出以下结论：垂直方向舵5可以有效地补偿副翼的效果，以垂直舵面产生的偏航力矩使得飞机获得更大的偏航角，提升了本实施例的飞行性能；增加翼梢小翼4和垂直方向舵5的实施例相较于常规构型的飞翼布局无人机具有更大的升力系数，更佳的气动性能。

进一步地，结合图2和图3所示，本发明提供的飞翼无人机相较于常规构型的飞翼布局无人机以更小的舵面偏转量获得更大的姿态角变化，更快的姿态角收敛。说明本发明提供的飞翼无人机相较于常规构型的飞翼布局无人机的舵面作用效率更高。尤其对于侧风情况下，环境对无人机产生一个横侧向的扰动，使得无人机产生侧滑角。可以通过操控垂直方向舵5的偏转有效修正无人机的航向角，使得无人机不继续偏离既定航线。翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机相对常规构型的飞翼无人机具有更强的航向静稳定性。

本发明提供的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，在机翼上增加翼梢小翼，并在翼梢小翼上增加垂直方向舵，通过翼梢小翼重新调整了翼尖涡流，有效的减少了无人机飞行时的阻力和燃料消耗，可以有效地降低无人机的诱导阻力，从而可以显著地减小无人机的飞行阻力。利用垂直方向舵5和副翼3的协调联动，可有效减小无人机的转弯半径，改善了无人机的飞行性能。通过简单的机械设计避免复杂的控制解耦过程，降低了飞翼无人机控制系统的设计难度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，包括机身(1)，机身(1)的两侧对称设置有机翼(2)，每个机翼(2)的后缘设置一副翼(3)，每个机翼(2)翼梢的顶部设置一翼梢小翼(4)，翼梢小翼(4)与机翼(2)呈夹角设置。

2.根据权利要求1所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)平面形状为梯形，翼梢小翼(4)的下端与机翼(2)翼梢的边缘固连，翼梢小翼(4)的上端向机翼的顶部延伸。

3.根据权利要求1所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)的参考弦长C_t为机翼2的翼尖弦长的80％，尖削比λ_wl为0.5至0.7，前缘后掠角Λ_wl为35°，高度h_wl为飞机翼展展长的10％。

4.根据权利要求1所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)的与机翼(2)的夹角为90°-120°。

5.根据权利要求1所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)的参考弦长为机翼(2)的参考弦长的1/4-1/3。

6.根据权利要求1所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)的后缘转动设置有垂直方向舵(5)。

7.根据权利要求6所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述垂直方向舵5的转动范围±15°。

8.根据权利要求6所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述翼梢小翼(4)和垂直方向舵(5)的翼型为低雷诺数翼型。

9.根据权利要求6所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述垂直方向舵(5)的参考弦长为翼梢小翼(4)的参考弦长的1/4-1/3。

10.根据权利要求6所述的一种翼梢小翼带有垂直方向舵面的飞翼无人机，其特征在于，所述垂直方向舵(5)的面积占翼梢小翼(4)参考面积的15％-25％。

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