CN111055989A - 一种小型多矢量飞艇 - Google Patents

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宋海洋
余传东
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Abstract

本发明属于浮空器领域，提出一种小型多矢量飞艇。在常规小型飞艇总体布局的基础上加入多矢量动力装置，使得飞艇克服最小飞行速度的限制，实现垂直起降姿态可控、空中悬停、超低速飞行等功能，增大飞艇的适用范围，显著提高飞艇的使用效能，降低使用成本。

Description

一种小型多矢量飞艇
技术领域
本发明属于浮空器领域，特别涉及一种小型多矢量飞艇。
背景技术
常规小型飞艇总体布局形式为：气囊橄榄形单囊体布局形式，以囊体为主体，外露布置头锥、动力装置、尾翼及设备吊舱等，并采用“X”形或“+”形布置的梯形尾翼。动力装置为两台发动机，对称布置在气囊底部的吊舱两侧，发动机可以上下90度翻转，用以实现飞艇的垂直起降。
常规小型飞艇总体布局形式的不足：常规小型飞艇的动力装置布置在飞艇底部吊舱两侧，发动机推力仅能提供飞艇前进的动力和飞艇垂直起降时的推力，飞艇的姿态控制主要靠安装在尾部的尾翼控制。该布局形式存在一个很大的不足，飞艇尾翼仅在飞艇的飞行速度达到一定的数值之上时才能发挥作用，即存在最小飞行速度，当飞行速度低于此数值后，飞艇姿态控制困难，严重将失去稳定性导致坠毁。在垂直起降时，由于飞艇飞行速度接近零，因此尾翼无法发挥作用，飞艇姿态控制需要事先配平，对飞艇的起降场地、环境以及起降时间都有严格要求，否则会带来飞艇姿态失控的风险。综上，常规飞艇布局形式仅靠飞艇尾翼进行姿态控制，存在最小飞行速度限制这一硬伤，使得飞艇的适用范围受到很大限制，在出勤率、控制精度等方面都不理想，不能完全发挥飞艇的应有作用；且飞艇对起降场地平整度以及空域等都有限制，加上出勤率低,都会增加飞艇的使用成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种小型多矢量飞艇，使得飞艇可以克服最小飞行速度的限制。
本发明采用的技术方案是：
一种小型多矢量飞艇，包括：气囊和吊舱，吊舱设置在气囊中段底部，用于承载飞艇主要设备，所述飞艇还包括两台主动力装置、尾部动力装置和两台头部动力装置组成的多矢量动力系统；
所述两台主动力装置分别安装在吊舱两侧，可上下偏转，用于提供所述飞艇垂直起降和前进的动力；
所述尾部动力装安装在气囊尾部，可上下偏转，用于控制所述飞艇俯仰；
所述两台头部动力装置安装在气囊头部，用于控制所述飞艇的左右偏航。
本发明的技术特点及进一步改进为：
1、所述两台主动力装置可沿航向上下120°偏转，并且当偏转超过90°时, 所述两台主动力装置用于刹车；所述尾部动力装置可上下90°偏转。
2、所述两台头部动力装置分别安装在气囊头部上方和下方,且所述两台头部动力装置的作用方向相反，一台向左一台向右。
3、所述气囊采用软式囊体结构，气囊内还设置有软式副气囊。
4、所述飞艇还包括设置于气囊尾部的尾翼，所述尾翼为硬式的翼面结构。
5、所述尾翼为“X”形布置的梯形尾翼，尾翼设置有舵面，所述舵面偏转角度为-30°～30°，所述舵面用于飞艇的航向控制。
6、所述飞艇还包括设置于气囊头部的头锥，所述头锥为硬式的伞状结构，所述头锥用于飞艇的地面牵引。
7、所述飞艇还包括设置于吊舱下方的起落架，所述起落架为单点式，所述起落架用于飞艇起降时的缓冲。
本发明在常规小型飞艇总体布局的基础上加入多矢量动力装置，使得飞艇克服最小飞行速度的限制，实现垂直起降姿态可控、空中悬停、超低速飞行等功能，增大飞艇的适用范围，显著提高飞艇的使用效能，降低使用成本。
附图说明
图1为一种小型多矢量飞艇的示意图；
图2位飞艇无控速状态高度控制仿真曲线；
图3为飞艇无控速状态各控制量仿真曲线；
图4为飞艇无控速状态下等角速率仿真控制曲线；
图中，1—头锥，2—头部动力装置，3—吊舱，4—主动力装置，5—起落架， 6—气囊，7—副气囊，8—尾翼，9—尾部动力装置。
具体实施方式
如图1所示，多矢量飞艇采用单囊体布局形式，以囊体为主体，外露布置头锥1、动力装置、尾翼8及设备吊舱3等，并采用“X”形布置的梯形尾翼，舵面偏转角度-30°～30°。主要结构部件包括气囊6、副气囊7、吊舱3、起落装置5、尾翼8、头锥1等。
气囊6采用软式囊体结构形式，气囊6内设置软式副气囊7，气囊6是飞艇的主体结构部件，提供飞艇的浮力并用于安装其它结构部件和设备。
尾翼8为硬式的翼面结构，安装于气囊尾部，用于飞艇的航向控制。
头锥1为硬式的伞状结构，安装于气囊前部，用于飞艇的地面牵引。
吊舱3为外置式，吊舱设置在气囊中段底部，是飞艇主要设备的承载体，其上装安装航电设备和动力装置。
起落架5为单点式，设置于吊舱下方，用于飞艇起降时的缓冲。
动力装置安装于吊舱两侧、头上下和尾部，共5台。其中主动力装置4安装在吊舱两侧可上下120°偏转，用于提供飞艇垂直起降和前进的动力，并且翻转超过90°时还可以起到刹车的作用。尾部动力装置9可上下90°偏转，用以辅助控制飞艇俯仰。两台头部动力装置2为固定侧向安装，分别用于飞艇的左右偏航控制。
仿真结果:
1)纵向控制仿真
设置初始状态速度0m/s，俯仰姿角5°，其余姿态角均为0°，高度0m，目标高度300m，仿真时间250s。仿真得到的飞艇响应见图2。
由图2可知，飞行约150s后高度平稳到达300m高度并保持稳定，由于此模式下主发动机的力垂直于艇身，没有提供纵向前进动力，飞行速度基本上处于很低的状态。
飞艇各控制量仿真曲线见图3，尾桨参与了姿态控制将俯仰角快速的稳定在5°并保持，爬升率最大为2.6m/s，整个升空过程较平稳，表明这种控制方式也能够良好的实现飞艇的升空和高度的保持。
2)横向控制仿真
设置航向角速率4°/s，其余姿态角均为0°，高度100m，仿真时间 200s。图4为初始速度5m/s情况下的仿真结果，整个仿真过程方向舵几乎一直处于最大舵偏，头部上侧桨参与控制，使得航向角速率在3s内达3.5°
/s，25s内达到设定值保持稳定。整个仿真过程航向角在-180°至180°之间均匀变化。表明在飞艇小速度或者垂直升空的状态下也能够对航向的角速率进行控制。

Claims (8)

1.一种小型多矢量飞艇，包括：气囊和吊舱，吊舱设置在气囊中段底部，用于承载飞艇主要设备，其特征在于，所述飞艇还包括两台主动力装置、尾部动力装置和两台头部动力装置组成的多矢量动力系统；
所述两台主动力装置分别安装在吊舱两侧，可上下偏转，用于提供所述飞艇垂直起降和前进的动力；
所述尾部动力装置安装在气囊尾部，可上下偏转，用于控制所述飞艇俯仰；
所述两台头部动力装置安装在气囊头部，用于控制所述飞艇的左右偏航。
2.根据权利要求1所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述两台主动力装置可沿航向上下120°偏转，并且当偏转超过90°时,所述两台主动力装置用于刹车；所述尾部动力装置可上下90°偏转。
3.根据权利要求2所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述两台头部动力装置分别安装在气囊头部上方和下方,且所述两台头部动力装置的作用方向相反。
4.根据权利要求1所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述气囊采用软式囊体结构，气囊内还设置有软式副气囊。
5.根据权利要求1所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述飞艇还包括设置于气囊尾部的尾翼，所述尾翼为硬式的翼面结构。
6.根据权利要求5所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述尾翼为“X”形布置的梯形尾翼，尾翼设置有舵面，所述舵面偏转角度为-30°～30°，所述舵面用于飞艇的航向控制。
7.根据权利要求1所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述飞艇还包括设置于气囊头部的头锥，所述头锥为硬式的伞状结构，所述头锥用于飞艇的地面牵引。
8.根据权利要求1所述的小型多矢量飞艇，其特征在于：所述飞艇还包括设置于吊舱下方的起落架，所述起落架为单点式，所述起落架用于飞艇起降时的缓冲。
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