CN111332465B - 一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器及飞行方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人机飞行器及飞行方式。该方案采用串列式布局，分前、后两段机翼；前、后机翼上装置6个以上涵道风扇，以及四个螺旋桨。前、后两段机翼固定，螺旋桨可通过倾转机构实现水平和垂直倾转。倾转机构仅倾转螺旋桨，螺旋桨采用流线型外形和折叠桨叶设计，同时螺旋桨尾端可作为起落架。垂直起降或悬停时，涵道风扇不工作，倾转机构使螺旋桨倾转至竖直方向，螺旋桨克服重力实现垂起或悬停；巡飞时，倾转机构使螺旋桨转动至水平方向，桨叶折叠以及流线外形实现减阻，涵道风扇在边界层吸入效应下大大提升机翼的升阻比，降低巡航功耗，进而提升飞行器的续航能力及负载能力。

Description

一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器及飞行 方式

技术领域

本发明属于无人飞行器总体技术领域，具体涉及一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器及飞行方式。

背景技术

垂直起降飞行器因对起降条件要求低而得到广泛的应用。从军用角度看，垂直起降飞行器可以在航母舰船、小型岛礁、山地深林等特殊条件下执行飞行任务。从民用角度看，垂直起降飞行器在治安监控、地震救灾、为了安全城市空中交通等方面具有很大的应用空间。

直升机和多旋翼飞行器虽然能够实现垂直起降，但是由于没有固定翼等增升装置，在整个飞行过程中其自身重力完全由动力系统克服，续航能力受到了很大的限制。

倾转式垂直起降固定翼飞行器在垂直起降或悬停时，动力系统倾转至垂直机体方向产生推力或拉力直接克服飞行器重力。巡飞时，动力系统倾转至平行机体方向产生推力或拉力克服飞行器前飞阻力，机翼产生升力克服重力。常规倾转式垂直起降固定翼飞行器装置一套螺旋桨作为动力系统，或者一套涵道风扇作为动力系统，螺旋桨力效高，涵道风扇能提高机翼升阻比。单一采用螺旋桨作为动力系统的倾转式垂直起降固定翼飞行器能以较高的力效、较低的功耗实现垂起，但无法提升巡航升阻比、巡航功耗大。单一采用涵道风扇作为动力系统的倾转式垂直起降固定翼飞行器能以较大的升阻比、较低的功耗实现巡航，但垂直力效低、功耗大。

发明内容

针对常规倾转旋翼无人机无法同时解决高效起降、高效巡航的问题，本专利提供一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器及飞行方式，可实现高效起降及巡航飞行。

本发明所说的技术方案采用串列式布局，分前、后两段机翼。前机翼上装置4个以上涵道风扇，以及两个(左右各1个)螺旋桨。后机翼上装置2个以上涵道风扇，以及两个(左右各1个)螺旋桨。前、后两段机翼固定，螺旋桨可通过倾转机构实现水平和垂直倾转。倾转机构仅倾转螺旋桨，可减小尺寸和重量，螺旋桨采用流线型外形和折叠桨叶设计减阻，同时螺旋桨尾端可作为起落架。垂直起降或悬停时，涵道风扇不工作，倾转机构使螺旋桨倾转至竖直方向，螺旋桨以较高力效克服重力实现垂起或悬停；巡飞时，倾转机构使螺旋桨转动至水平方向不工作，桨叶折叠以及流线外形实现减阻，涵道风扇在边界层吸入效应下大大提升机翼的升阻比，降低巡航功耗，进而提升飞行器的续航能力及负载能力。

本发明专利所采用的技术方案为：一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，包括结构、动力系统、控制系统、航电系统等。

所述结构系统，包括机身、机翼、倾转机构等。在机身上设置有前、后两段机翼，前机翼上安置有4个以上涵道风扇，以及两个(左右各1个)螺旋桨。后机翼上安置有2个以上涵道风扇，以及两个(左右各1个)螺旋桨。在机身中装置一套倾转机构，实现同步倾转前、后机翼上的两组螺旋桨。

所述倾转机构置于机身内部，同时驱动前、后四个螺旋桨，机翼不倾转，减小倾转机构的尺寸和重量。

所述动力系统，包括1套螺旋桨和1套涵道风扇。螺旋桨共4个，前、后机翼对称分布。涵道风扇共6个以上，前机翼对称分布4个以上，后机翼对称分布2个以上。垂直起降时，涵道风扇不工作，螺旋桨倾转至竖直位置，实现高效起降。巡飞时，螺旋桨倾转至水平位置不工作，涵道风扇实现高升阻比巡航。

根据本发明所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，包括机体、前机翼、后机翼、螺旋桨、涵道风扇、倾转机构、控制系统和航电系统，其飞行方式为，

1)起飞过程：

(1)垂直起降时，涵道风扇不工作，螺旋桨倾转至竖直位置；

(2)起飞时，螺旋桨以较高的力效工作产生竖直方向的拉力，克服飞行器自身重力，实现垂直起飞；当飞行器垂直起飞到预定高度后，进行飞行模式切换，进入过渡模式；

(3)巡飞时，螺旋桨倾转至水平位置倾转至水平位置并停止工作，桨叶在风阻作用下向后折叠，涵道风扇实现高升阻比巡航。

2)降落过程同起飞过程相反：

(4)螺旋桨在倾转机构作用下向后转动，转动过程中螺旋桨工作，提供升力克服重力；

(5)当螺旋桨倾转至竖直方向时，涵道风扇停止工作，飞行器水平速度降为零，飞行器进入垂直降落阶段；

(6)飞行器在4个螺旋桨的拉力下缓慢降至地面；螺旋桨尾端与地面接触，起到飞行器起落架的作用。

所述螺旋桨包括折叠桨叶和流线型电机，以及可支撑尾端。巡航时，桨叶在风阻作用下向后折叠，减小阻力。更进一步，流线型电机进一步减小阻力。静置于地面时，螺旋桨可支撑尾端可以作为起落架。

所述螺旋桨可以作为涵道风扇的动力冗余备份，当涵道风扇出现故障时螺旋桨可以暂代工作，提高飞行器的可靠性。

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。

所述航电系统，实现飞行器飞行过程中供电、信号传输等，安装于机身结构内部。

依照本专利所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，可在狭小的地域空间实现高效起降及实现高效的巡航飞行；能有效提升机翼的升阻比，降低巡航功耗，进而提升飞行器的续航能力及负载能力。此外本发明所述的无人飞行器具有结构简单，制造成本低，以及控制便捷等优点。

附图说明

图1为飞行器整体结构示意图。其中，1为机身，2为前机翼，3为后机翼，4为涵道风扇，5为螺旋桨。

图2为飞行器整体结构三视图；图2a)为飞行器俯视图，图2b)为飞行器左视图，图2c)为飞行器前视图，图2d)为飞行器立体图。

图3为飞行器垂直起飞后转换过渡至平飞状态的示意图。包括垂直起降/悬停状态，螺旋桨工作，旋翼模式飞行；倾转状态，为两种飞行模式之间的过渡模式；巡航平飞状态，涵道风扇工作，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。

本发明实施方式如图3所示，图3为飞行器的垂直起降、倾转和前飞三种飞行状态，分别采用了旋翼模式、过渡模式、固定翼模式三种飞行模式。其具体过程如下：首先飞行器静置于水平地面，前、后4个螺旋桨处于竖直方向，螺旋桨尾端作为起落架，起支撑作用。起飞时，螺旋桨以较高的力效工作产生竖直方向的拉力，克服飞行器自身重力，实现垂直起飞。当飞行器垂直起飞到预定高度后，开始进行飞行模式切换，进入过渡模式。在过渡模式阶段，机身内的倾转机构工作，带动前、后4个螺旋桨向前倾转，同时，前、后机翼上的12个涵道风扇工作，推动飞行器向前加速飞行。在过渡阶段，飞行器的重力主要由4个螺旋桨克服，前飞加速阻力主要由涵道风扇克服。当飞行器水平加速至巡飞速度后，4个螺旋桨倾转至水平位置，此时，飞行器进入固定翼模式。在固定翼模式，4个螺旋桨停止工作，桨叶在风阻作用下向后折叠，减小阻力。12个涵道风扇在边界层吸入的效应下以较高的升阻比工作，机翼提供升力克服自身重力。降落过程同起飞过程相反，首先4个螺旋桨在倾转机构作用下向后转动，转动过程中螺旋桨工作，提供升力克服重力。当螺旋桨倾转至竖直方向时，12个涵道风扇停止工作，飞行器水平速度降为零，此时，飞行器自身重力由4个螺旋桨克服，飞行器进入垂直降落阶段。此后，飞行器在4个螺旋桨的拉力下缓慢降至地面。螺旋桨尾端可与地面直接接触，起到飞行器起落架的作用。

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 (9)

1.一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，包括机身、前机翼、后机翼、螺旋桨、涵道风扇、倾转机构、控制系统和航电系统，其特征在于，采用串列式总体布局，前机翼与后机翼均设置在机身上；4个螺旋桨对称地设置在前机翼和后机翼端部，在前、后机翼上安置有6个以上涵道风扇；前、后4个螺旋桨由同一套倾转机构同步倾转，倾转机构安置在机身中；所述航电系统安置于机身结构内部；垂直起降时所述螺旋桨的尾端作为支撑飞行器的起落架。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述涵道风扇在前机翼对称分布4个以上，在后机翼对称分布2个以上；所述螺旋桨包括折叠桨叶和流线型电机。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，前机翼上装置2个螺旋桨和8个涵道风扇，后机翼上装置2个螺旋桨和4个涵道风扇。

4.根据权利要求2所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述螺旋桨的折叠桨叶可以向后折叠。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述航电系统是指实现飞行器飞行过程中供电、信号传输。

6.一种基于如权利要求1~5中任意一项所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器的飞行方式，其特征在于，包括，

1）起飞过程：

（1）垂直起降时，涵道风扇不工作，螺旋桨倾转至竖直位置，螺旋桨尾端作为起落架，起支撑作用；

（2）起飞时，螺旋桨以较高的力效工作产生竖直方向的拉力，克服飞行器自身重力，实现垂直起飞；当飞行器垂直起飞到预定高度后，进行飞行模式切换，进入过渡模式；

（3）巡飞时，螺旋桨倾转至水平位置倾转至水平位置并停止工作，桨叶在风阻作用下向后折叠，涵道风扇实现高升阻比巡航；

2）降落过程：

（4）螺旋桨在倾转机构作用下向后转动，转动过程中螺旋桨工作，提供升力克服重力；

（5）当螺旋桨倾转至竖直方向时，涵道风扇停止工作，飞行器水平速度降为零，飞行器进入垂直降落阶段；

（6）飞行器在4个螺旋桨的拉力下缓慢降至地面；螺旋桨尾端与地面接触，起到飞行器起落架的作用。

7.根据权利要求6所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器的飞行方式，其特征在于，所述螺旋桨作为涵道风扇的动力冗余备份，当涵道风扇出现故障时螺旋桨可以暂代工作，以提高飞行器的可靠性。

8.根据权利要求7所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器的飞行方式，其特征在于，螺旋桨桨叶可以折叠，螺旋桨设计成为减小阻力的流线型。

9.根据权利要求8所述的一种螺旋桨与涵道风扇复合式倾转旋翼无人飞行器的飞行方式，其特征在于，所述控制系统，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。

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