CN111422342A - 一种可变外形固定翼微型飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变外形固定翼微型飞行器，属于微型飞行器技术领域。包括刚性主体、前飞动力装置、悬停动力装置、蒙皮和控制舵面；刚性主体采用翼身融合体构型，前飞动力装置安装在刚性主体前缘；控制舵面安装在刚性主体后缘，控制舵面通过角度变化实现对飞行器的姿态控制，刚性主体上设有贯穿上下表面的涵道，悬停动力装置安装在涵道内，涵道口的两端均设置有蒙皮，飞行器在巡飞状态时，蒙皮将涵道口封闭使刚性主体保持完整的气动外形，悬停状态时；蒙皮被相应机构收回刚性主体内部或被抛离使涵道口完全开放。本发明在高飞行速度条件下具备悬停和垂直起降功能，同时可靠性和气动效率高。

Description

一种可变外形固定翼微型飞行器
技术领域
本发明属于微型飞行器技术领域，具体涉及一种可变外形的固定翼布局微型飞行器。
背景技术
微型飞行器(Micro Air Vehicles，简称MAVs)是一种体积小质量轻的新型飞行器，由于其携带方便、成本低、隐蔽性好等优点，迅速成为了目前一个非常热门的研究领域。微型飞行器的应用场景十分广泛：军用方面单个使用可以用于目标侦查、信号干扰等，大量使用则可以实现分布式远程打击、大规模集群作战；民用方面则可以用于灾害搜救、通信中继、资源勘探等方面。
微型飞行器从气动布局上分类目前主要有三类，分别是微型固定翼飞行器，微型扑翼飞行器，和微型旋翼飞行器。在这三种布局当中，扑翼的流动机理最为复杂、对运动机构和制作材料要求都非常高，可靠性等各方面都难以满足需求，而旋翼气动效率低、飞行速度慢，飞行航时和任务半径等都很难满足使用要求。固定翼飞行器在这三者之中能够达到最高的飞行速度，升力效率较高，并且现有技术相对成熟，对制造、材料等要求也并不严苛，但现有固定翼飞行器的问题主要是不能悬停和垂直起降，
而微型飞行器一个重要的任务就是悬停静默侦查。同时由于微型飞行器的尺寸较小、速度较低，其飞行时雷诺数非常低，升阻比和稳定性都很难保证，极易受到来流条件变化引起的干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可变外形固定翼微型飞行器，在高飞行速度条件下具备悬停和垂直起降功能，同时可靠性和气动效率高。
一种可变外形固定翼微型飞行器，包括刚性主体、前飞动力装置、悬停动力装置、蒙皮和控制舵面；
所述刚性主体采用翼身融合体构型，所述前飞动力装置安装在刚性主体前缘，刚性主体内部设有配套的驱动机构；所述控制舵面安装在刚性主体后缘，控制舵面通过角度变化实现对飞行器的姿态控制，所述刚性主体上设有贯穿上下表面的涵道，所述悬停动力装置安装在涵道内，悬停动力装置配套的驱动机构设置在刚性主体内部，涵道口的两端均设置有蒙皮，飞行器在巡飞状态时，蒙皮将涵道口封闭使刚性主体保持完整的气动外形，悬停状态时；蒙皮被相应机构收回刚性主体内部或被抛离使涵道口完全开放。
进一步地，所述刚性主体的翼型截面选择高升阻比的低速翼型，平面形状选择中等展弦比的反齐默曼翼。
进一步地，所述前飞动力装置采用双叶螺旋桨，悬停动力装置采用涵道式四叶螺旋桨。
进一步地，所述控制舵面包括两片副翼和两片V字型布置的立尾，副翼用于微型飞行器的俯仰和滚转控制，V字型立尾用于偏航控制和保持航向稳定性，同时V字型立尾折叠贴合于主体上表面以减小存放时占用的体积。
进一步地，所述刚性主体前缘的内部设置振动模块，振动模块在控制系统的控制下进行主动振动，在刚性主体的上表面前缘处形成前缘主动振动区。
进一步地，所述柔性后缘设置在刚性主体的尾部，柔性后缘由柔性材料制作，内部加入刚性骨架以控制后缘的柔度。
进一步地，所述刚性主体内部布置通信设备用于实现飞行器与地面站通信以及多个飞行器组网飞行。
有益效果：
1、本发明在刚性主体的中部设置了悬停动力装置，有效解决了传统固定翼飞行器不能悬停的问题，刚性主体上对应悬停动力装置的涵道口设有可收缩的蒙皮，蒙皮保持飞行器巡航飞行时的气动外形，能够维持原有的气动效率高、飞行速度快等优点。
2、本发明的飞行器应用了前缘主动振动结合柔性后缘的流动控制方案，前缘主动振动区能够为流场注入能量，有效抑制翼型表面的流动分离；柔性后缘能够有效提高飞行器的失速攻角和稳定性；有效提高了巡航飞行时的升阻比和飞行稳定性。
3、本发明的V字型双立尾折叠后能够紧贴刚性主体的表面，此外，蒙皮将涵道口覆盖时同样与刚性主体表面共形，使得飞行器整体外形尺寸非常小，利于大规模运输与投放，组成“蜂群”组网编队飞行。
附图说明
图1为本发明可变外形固定翼微型飞行器的整体结构示意图(悬停状态)；
图2为本发明可变外形固定翼微型飞行器的整体结构示意图(存储状态)；
图3为本发明可变外形固定翼微型飞行器的整体结构示意图(巡航状态)；
图4为本发明可变外形固定翼微型飞行器的侧视图(副翼上翻)；
图5为本发明可变外形固定翼微型飞行器的侧视图(副翼下翻)；
其中，1-刚性主体、2-前飞动力装置、3-悬停动力装置、4-副翼、5-立尾、6-柔性后缘、7-蒙皮。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种可变外形固定翼微型飞行器，包括刚性主体1、前飞动力装置2、悬停动力装置3、控制舵面、柔性后缘6和蒙皮7等部分。
其中，刚性主体1的翼型截面为高升阻比的低速翼型，平面形状为中等展弦比的反齐默曼翼，翼展为265mm，总长(不计前部螺旋桨)为220mm，总厚(折叠状态)为21mm。刚性主体1上设有贯穿上下表面的涵道，悬停动力装置3安装在涵道内。
前飞动力装置2由布置于主体前缘的一个双叶螺旋桨，及置于机体内部的其配套的电动机、传动机构和电池系统组成，为飞行器巡航飞行提供动力；悬停动力装置3由布置于刚性主体1中部的涵道式四叶螺旋桨，及置于机体内部的其配套的电动机、传动机构和电池系统，折叠和巡航飞行时蒙皮7处于覆盖状态，用于保持巡航飞行气动外形，如附图2和3所示，悬停时蒙皮7收起或抛离后露出涵道旋翼，为飞行器悬停提供动力。
控制舵面包括后缘左右的两片副翼4和两片V字型布置的立尾5，副翼主要用于微型飞行器的俯仰和滚转控制，副翼4上翻和下翻的状态如附图4和5所示，V字型立尾5主要用于偏航控制和保持航向稳定性，同时V字型立尾5可以折叠贴合于刚性主体1上表面以减小存放时占用的体积。
振动模块位于刚性主体1内部，振动模块在控制系统的控制下进行主动振动，在刚性主体的上表面前缘处形成前缘主动振动区，能够为流场注入能量，有效抑制翼型表面的流动分离，相比于无此结构的同型微型飞行器升阻比可增大50％左右；
柔性后缘6设置在刚性主体1的尾部，由柔性材料制作，内部加入刚性骨架以控制后缘的柔度，能够有效提高飞行器的失速攻角和稳定性，相比于无此结构的同型微型飞行器升阻比可增大约5％。
所述本发明的典型使用过程可分为三个状态：存放与运输状态、巡航飞行状态、悬停状态。存放与运输状态如图2所示，前螺旋桨置于水平位置、双立尾5折叠、蒙皮7覆盖，总厚度仅为21mm，利于储存于大量携带；巡航飞行状态如图3所示，前螺旋桨启动、双立尾5张开、蒙皮7覆盖、前缘振动模块启动，具有良好的气动特性；悬停状态如图4所示，前螺旋桨停车、蒙皮收起、涵道式旋翼启动，能够完成悬停的动作。
本发明中的微型飞行器在使用时，存放与运输状态由运输机或无人机携带并投放，从保护箱中脱出后即可变形为巡航飞行状态，接近预设或者人工指引的目标地点时变形为悬停状态执行各种任务。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，飞行器包括刚性主体、前飞动力装置、悬停动力装置、蒙皮和控制舵面；
所述刚性主体采用翼身融合体构型，所述前飞动力装置安装在刚性主体前缘，刚性主体内部设有配套的驱动机构；所述控制舵面安装在刚性主体后缘，控制舵面通过角度变化实现对飞行器的姿态控制，所述刚性主体上设有贯穿上下表面的涵道，所述悬停动力装置安装在涵道内，悬停动力装置配套的驱动机构设置在刚性主体内部，涵道口的两端均设置有蒙皮，飞行器在巡飞状态时，蒙皮将涵道口封闭使刚性主体保持完整的气动外形，悬停状态时；蒙皮被相应机构收回刚性主体内部或被抛离使涵道口完全开放。
2.如权利要求1所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述刚性主体的翼型截面选择高升阻比的低速翼型，平面形状选择中等展弦比的反齐默曼翼。
3.如权利要求1或2所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述前飞动力装置采用双叶螺旋桨，悬停动力装置采用涵道式四叶螺旋桨。
4.如权利要求3所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述控制舵面包括两片副翼和两片V字型布置的立尾，副翼用于微型飞行器的俯仰和滚转控制，V字型立尾用于偏航控制和保持航向稳定性，同时V字型立尾折叠贴合于主体上表面以减小存放时占用的体积。
5.如权利要求4所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述刚性主体前缘的内部设置振动模块，振动模块在控制系统的控制下进行主动振动，在刚性主体的上表面前缘处形成前缘主动振动区。
6.如权利要求5所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述刚性主体的尾部设置柔性后缘，柔性后缘由柔性材料制作，内部加入刚性骨架以控制后缘的柔度。
7.如权利要求6所述的可变外形固定翼微型飞行器，其特征在于，所述刚性主体内部布置通信设备用于实现飞行器与地面站通信以及多个飞行器组网飞行。
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