CN111196346A - 一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器。飞行器采用三段机翼式固定翼总体布局，前、后机翼均采用两层布置，上下层机翼各设置有电推进涵道风扇，中机翼主要用于固定翼飞行时产生升力。涵道风扇作为动力系统，其产生的推力用于实现飞行器的垂直起降、空中悬停及固定翼巡飞，前后机翼和机身的结合处设置有倾转机构，以实现垂直起降和空中悬停模式与固定翼巡飞模式间相互切换。当飞行器具备巡飞需用速度时，完成从垂直起降和空中悬停模式过渡至固定翼模式。该发明采用了分布式电推进涵道风扇作为飞行器动力系统，减小了动力系统尺寸及重量，提高了动力系统冗余度及可靠性，固定翼巡飞时采用涵道风扇转速差动方式，可进一步提高控制效率。

Description

一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器

技术领域

本发明属于无人飞行器总体技术领域，具体涉及一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器。

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动力系统产生前进推力，机翼产生所需的升力抵消自身重力，航时航程较大；其起飞方式可分为手抛、弹射、滑跑等，降落回收时可采用撞网、伞降、滑跑等方式。固定翼飞行器的起降条件要求较高，滑跑起飞或降落时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。但是，固定翼飞行器不能实现垂直起降，也无法在空中进行悬停。旋翼飞行器飞行时升力由螺旋桨或涵道风扇提供，可以实现垂直起降及空中悬停，对起降场地要求较低。但是，旋翼飞行器巡飞效率较低，航时航程较小。无论是固定翼飞行器或是旋翼飞行器，均无法同时实现高效巡飞、垂直起降以及空中悬停，因此近年来出现了复合式垂直起降固定翼飞行器。

复合式垂直起降固定翼飞行器装置两套动力系统，分别用于垂直起降和空中悬停时提供升力、以及固定翼模式巡飞时提供推力。但是，固定翼模式巡飞时用于垂直起降和空中悬停的动力系统不作用，造成“死重”较多，影响飞行器总体性能。

基于复合式垂直起降固定翼飞行器，开展倾转旋翼飞行器研究，将垂直起降固定翼飞行器两套动力系统整合为一套，利用倾转机构实现动力系统倾转，已愈发成为研究热门。与此同时，倾转旋翼飞行器由于同时兼备高效巡航平飞、空中悬停以及垂直起降，可在军用领域作为突击运输机，适用远距离战场定点后勤保障工作；在民用领域，可作为货运平台及空中客车的解决方案。

发明内容

针对常规固定翼无法垂直起降和空中悬停、旋翼飞行器航时航程小、复合式垂直起降飞行器“死重”较多的问题，本专利提供一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器方案，可实现垂直起降、空中定点悬停与高效巡航平飞。该方案采用三段机翼式固定翼总体布局，前、后机翼均采用两层布置，上下层机翼各设置有电推进涵道风扇，中机翼主要用于固定翼飞行时产生升力。采用分布式电推进涵道风扇作为动力系统，在前后机翼与机身连接处设置有倾转机构，实现在起飞、降落和悬停时以旋翼飞行器动力形式提供升力，也可在巡航平飞时提供推力，提高了动力系统冗余度及可靠性。同时，分布式电推进涵道风扇产生的推力亦可作为固定翼模式姿态控制的作用力，提高控制效率，适用于飞行器大机动动作。

本发明专利所采用的技术方案为：一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，包括结构系统、动力系统、飞行控制系统和航电系统。

所述结构系统，包括机身、机翼。在机身上设置三段机翼，相对机身轴线对称；前、后机翼均采用两层布置，上下层机翼各设置有电推进涵道风扇，在前、后机翼与机身连接处设置有倾转机构；中机翼布置在机身中段位置，主要用于固定翼模式巡飞时产生升力。

所述动力系统，包括1套分布式电推进涵道风扇、倾转机构。电推进涵道风扇均匀分布在前后机翼的左右两侧，单边分布4～20个，每层布置2～10个。全套动力系统共可包括16～80个电推进涵道风扇。倾转机构设置在前、后机翼与机身的结合部位，以实现前、后机翼垂直和水平方向倾转，实现动力系统在提供旋翼模式升力与固定翼模式推力之间转换，实现飞行器垂直起降、空中悬停及巡航飞行。

所述飞行控制系统，实现飞行器航迹与姿态控制，以及实现旋翼模式与固定翼模式间切换。控制力由分布式电推进涵道风扇差动方式实现。

所述航电系统，实现飞行器飞行过程中供电、信号传输等，均安置于机身结构内部。

附图说明

图1为飞行器整体结构示意图；a)为前后机翼电推进涵道风扇为水平状态时的示意图；b)为前后机翼电推进涵道风扇为垂直状态时的示意图。

其中，1为中机翼，2为前机翼，3为后机翼，4为涵道风扇，5为前倾转机构，6为后倾转机构。

图2为飞行器整体结构三视图；a)为前视图；b)为侧视图；c)为俯视图；d)为立体图。

图3为飞行器垂直起飞后转换过渡至平飞状态的示意图。包括图3a)起飞/悬停状态，采用旋翼模式飞行；图3b)倾转状态，为两种飞行模式之间的过渡模式；图3c)巡航平飞状态，采用固定翼模式飞行。

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，以下结合附图及具体实施例，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。

本发明专利所采用的一个具体的技术方案为：一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，包括结构系统、动力系统、飞行控制系统和航电系统。

如图1所示，所述结构系统，包括机身、机翼。在机身上设置三段机翼，相对机身轴线对称；前、后机翼均采用两层布置，在本实施例中，上下层机翼各设置4个电推进涵道风扇，在前机翼2、后机翼3与机身结合处分别设置有前倾转机构5和后倾转机构6；中机翼1布置在机身中段位置，主要用于固定翼模式巡飞时产生升力。

所述动力系统，包括1套分布式电推进涵道风扇、倾转机构。电推进涵道风扇均匀分布在前后机翼的左右两侧，单边分布8个，每层布置4个。全套动力系统共包括32个电推进涵道风扇。倾转机构实现前、后机翼垂直和水平方向倾转，实现动力系统在提供旋翼模式升力与固定翼模式推力之间转换，实现飞行器垂直起降、空中悬停及巡航飞行。

本发明实施方式如图3所示，图3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(图3a))、过渡模式(图3b))、固定翼模式(图3c))三种飞行模式。其具体过程如下：首先飞行器采用旋翼方式停置于地面，前、后机翼位于铅垂方向，起飞时分布式电推进动力系统产生升力，用于克服飞行器自身重力，实现其垂直起飞。当进行飞行模式的转换时，布置与前、后机翼上的分布式动力系统在倾转机构的作用下沿倾转轴向前转动。在转动过程中，动力系统产生推力的水平分量使飞行器产生加速度。飞行器向前加速飞行时，机翼产生一定的升力，与动力系统推力的竖直分量共同克服飞行器自身重力。当飞行器速度达到最低巡飞速度时，倾转机构会倾转机翼至水平状态。此时，飞行器过渡模式结束，完全转换成固定翼模式，动力系统产生的推力抵消飞行器阻力，机翼产生的升力克服飞行器自身重力。在固定翼模式巡飞过程中，由分布式涵道风扇差动的方式控制飞行器的姿态。从巡飞状态转换至定点悬停或垂直降落过程同旋翼模式起飞切换固定翼巡飞过程相反，首先动力系统在倾转机构的作用下沿倾转轴向上转动，转动过程中动力系统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，推力的水平分量用于减小飞行器的速度。当转换过程结束时，动力系统推力轴线沿铅垂方向，推力克服飞行器重力实现定点悬停。当推力小于重力时，飞行器缓慢垂直降落。

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 (6)

1.一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，包括机身、机翼、动力系统、飞行控制系统和航电系统，其特征在于，采用三段式机翼总体布局，前机翼(2)、中机翼(1)、后机翼(3)；前、后机翼采用双层布置，在每层前后机翼上设置有涵道风扇(4)；前后机翼与机身结合部位设置有倾转机构。

2.根据权利要求1所述的一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，在每层前后机翼上设置的涵道风扇有2～10个。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，在每层前后机翼上设置的涵道风扇有4个。

4.根据权利要求1或2所述的一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，在前机翼与机身结合部位设置有前倾转机构，后机翼与机身结合部位设置有后倾转机构。

5.根据权利要求1或2所述的一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述动力系统、飞行控制系统和航电系统，安置于机身结构内部。

6.根据权利要求5所述的一种分布式电推进倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，采用前后倾转机构实现前后机翼整体倾转，实现动力系统在飞行器垂直起降和空中悬停模式提供升力，与固定翼巡飞模式提供推力之间互相转换，实现飞行器垂直起降、空中悬停及固定翼巡航飞行。

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