CN111824415B - 一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，既可以在空中串列组合飞行，又可以在空中自动分体形成无人机蜂群。串列组合飞行可以降低无人机单体飞行时产生的压差阻力；经过合理布置的串列翼布局可有效利用串列翼的有利气动影响，提高无人机的气动效率，因此，组合飞行状态下的无人机航程相对于单体飞行状态得到延长，有利于提高蜂群无人机的作战半径，使无人机母机远离一线战场；组合状态的无人机可通过少量弹射次数释放大量无人机，缩短了无人机母机在危险空域中的作业时间；组合飞行状态有利于欺骗敌方防空雷达；解除合体之后的单体飞行状态有利于瞬间增大敌方防空系统的压力，使敌方防空系统暴露位置，从而有机会被我方消灭。

Description

一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局

技术领域

本发明涉及无人机气动布局设计技术领域，尤其涉及一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局。

背景技术

随着无人机技术和人工智能技术的发展，大量微小无人机编队飞行形成的“无人机蜂群”已经成为世界各国较为重视的无人机新型作战方式之一。凭借在无人机数量方面的极大优势，“无人机蜂群”战术在防空武器单价较高的现代战争中可以瞬间增加敌方防空系统的压力，使敌人疲于应对的同时迅速消耗敌人的防空弹药，有利于掩护己方作战目标开展空中打击行动。

现有方案多采用大型飞机空射的方式发射蜂群无人机，例如，美国国防部战略能力办公室于2016年对“灰山鹑”蜂群无人机进行了试飞测试，使用F/A-18战斗机成功完成了100架微小无人机的空射试飞实验。2020年1月18日，美国国防高级研究计划局(DARPA)完成了X-61A“小精灵”无人机的首飞验证，“小精灵”无人机的设计构想是在空中发射，以较大的数量进行蜂群编队飞行，并可以在空中完成回收。然而，由于蜂群无人机受到自身大小的限制，其滞空时间有限、作战半径较小。这使得大型飞机在进行发射时不得不极度接近敌方防空火力打击范围边缘。同时由于蜂群无人机数量较多，其所需要的投放时间会延长我方大型飞机在危险空域的滞留时间。以上影响对于内部载有作战人员的大型飞机而言是极其危险的。

为此，需要提出一种既能够以蜂群方式飞行，又能够具备相对于现有方案而言更大作战半径，并能实现快速投放以确保载人大型飞机安全的蜂群无人机方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，用以提高蜂群无人机的作战半径。

本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，包括串联的多个无人机；每个无人机包括：机身、位于所述机身上的两个主翼和两个尾翼、位于每个主翼上的螺旋桨、两个连杆、与两个连杆一一对应的两个铰链以及位于机身尾部内且与两个连杆一一对应的两个作动筒；其中，

每个无人机的机身为六面体结构，包括上下左右四个侧面和前后两个底面，四个侧面均为梯形，两个底面均为矩形，前后两个底面具有相同角度的斜切，前底面的尺寸小于后底面的尺寸；

每个连杆呈弯折状，包括夹角固定的两段，其中一段位于机身外，另一段位于机身尾部内，两个连杆的弯折处分别通过对应的铰链与机身尾部的左右两侧固定连接；每个连杆位于机身外的一段的端部设有向机身弯折的两个锥形尖端，每个机身头部的左右两侧分别设有两个连杆对接孔，除最后方的无人机外，每个无人机的机身所连两个连杆的尖端分别插入后方相邻无人机的机身头部左右两侧的连杆对接孔内，每个无人机中作动筒的活塞杆处于收缩状态；每个连杆位于机身尾部内的一段的端部设有长圆孔，每个作动筒的活塞杆与对应的连杆设有长圆孔的端部连接；每个无人机中的作动筒用于通过活塞杆的伸长以及活塞杆的端部在长圆孔内滑动，带动连杆以铰链为中心向机身外旋转，使连杆的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔内拔出，从而使该无人机与后方相邻无人机分离后单独飞行。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，所述作动筒，还用于在对应的连杆的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔内出来后，通过活塞杆的收缩以及活塞杆的端部在长圆孔内反向滑动，带动连杆以铰链为中心向机身内旋转，使对应的连杆重新收回至机身旁边。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，所述连杆包括的两段之间的夹角范围为90°～120°。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，除最前方的无人机外，每个无人机的机身位于前方相邻无人机机身的后下方，使串联的多个无人机整体呈上扬10°～20°的状态。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，每个无人机的两个主翼的展弦比大于15。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，每个无人机的两个尾翼为V型布局。

本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，既可以在空中串列组合飞行，又可以在空中自动分体形成无人机蜂群。使用连杆实现前后无人机的结构连接，在确保前后无人机彼此之间位置限制的同时提供受力约束及力矩约束，保证多个无人机能够紧固地串列连接为一体。串列组合飞行可以降低无人机在单体飞行时产生的压差阻力，有利于减小飞行阻力；经过合理布置的串列翼布局可以有效利用串列翼的有利气动影响，提高无人机的气动效率，因此，组合飞行状态下的无人机航程相对于单体飞行状态得到延长，有利于提高蜂群无人机的续航能力，提高作战半径；这样可以使投放无人机的有人飞行器远离一线战场，减少人员伤亡。组合状态的无人机可以一次从大型飞机中释放，无需进行单体多次释放，缩短了大型飞机释放蜂群无人机的作业时间，有利于其快速完成释放并调转脱离。无人机的组合飞行状态有利于欺骗敌方防空雷达，达到战术欺骗效果；解除合体之后的单体飞行状态有利于瞬间增大敌方防空系统的压力，使敌方防空系统暴露位置，从而有机会被我方消灭。

附图说明

图1为本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局在五机串列组合状态下的示意图；

图2为本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中每个无人机的结构示意图；

图3为图2的正视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图2的侧视图；

图6为本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中连杆、铰链、作动筒在活塞杆收缩状态下的结构示意图；

图7为图6的正视图；

图8为本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中连杆、铰链、作动筒在活塞杆伸长状态下的正视图；

图9为本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局在双机串列组合状态下的示意图；

图10为图9的侧视图。

附图标记说明：1、机身；2、主翼；3、尾翼；4、螺旋桨；5、连杆；6、铰链；7、尖端；8、连杆对接孔；9、作动筒；10、活塞杆；11、长圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，如图1所示，包括串联的多个无人机，图1以包括串联的五个无人机为例；如图2～图5所示，每个无人机包括：机身1、位于机身1上的两个主翼2和两个尾翼3、位于每个主翼2上的螺旋桨4(两个螺旋桨4可以分别设在机身1两侧靠近机身1的位置)、两个连杆5、与两个连杆5一一对应的两个铰链6以及位于机身1尾部内且与两个连杆5一一对应的两个作动筒(图2～图5中未示出)；其中，

如图2～图5所示，每个无人机的机身1为六面体结构，包括上下左右四个侧面和前后两个底面，四个侧面均为梯形，两个底面均为矩形，前后两个底面具有相同角度的斜切，前底面的尺寸小于后底面的尺寸，这样在无人机飞行时可以减小阻力；

如图6～图8所示，每个连杆5呈弯折状，包括夹角固定的两段5a和5b，其中一段5a位于机身外，另一段5b位于机身尾部内，两个连杆5的弯折处分别通过对应的铰链6与机身尾部的左右两侧固定连接；如图2～图5所示，每个连杆5位于机身1外的一段的端部设有向机身1弯折的两个锥形尖端7，每个机身1头部的左右两侧分别设有两个连杆对接孔8，两个连杆对接孔8的排列分布应与连杆5的两个尖端7的排列分布对应，以使前后两个无人机精确配合；如图1所示，除最后方的无人机外，每个无人机的机身1所连两个连杆5的尖端7分别插入后方相邻无人机的机身1头部左右两侧的连杆对接孔8内，如图6和图7所示，每个无人机中作动筒9的活塞杆10处于收缩状态；

如图6～图8所示，每个连杆5位于机身尾部内的一段5b的端部设有长圆孔11，每个作动筒9(也位于机身尾部内)的活塞杆10与对应的连杆5设有长圆孔11的端部连接；每个无人机中的作动筒9用于通过活塞杆10的伸长(如图8所示)以及活塞杆10的端部在长圆孔11内滑动，带动连杆5以铰链6为中心向机身外旋转，使连杆5的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔内拔出，从而使该无人机与后方相邻无人机分离后单独飞行。

如图6～图8所示，作动筒9的活塞杆10的伸长(或收缩)运动可以驱动连杆5以铰链6为中心向机身外(或机身内)旋转。如图6和图7所示，当无人机的连杆5紧贴于机身两侧与后方相邻无人机连接时，作动筒9的活塞杆10处于收缩状态；如图8所示，作动筒9的活塞杆10的伸长可以使连杆5以铰链6为中心向机身外旋转，使连杆5的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔8中拔出，从而实现相邻两个无人机的分离。

本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，既可以在空中串列组合飞行，又可以在空中自动分体形成无人机蜂群。下面对本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局的串列组合飞行状态以及由组合飞行向单体飞行过渡过程分别进行详细说明。

当无人机群以串列状态组合飞行时，以双机组合这种最小且具有普适性的形式为例进行说明。如图9和图10所示，前方无人机的连杆5的两个尖端7分别插入后方无人机的连杆对接孔8内，此时，前方无人机的机尾与后方无人机的机头贴合。前方无人机的连杆5的两个尖端7实现了对后方无人机的机身1空间位置的限位，并为前后无人机共同运动提供了所需要的俯仰力矩及滚转力矩。

当无人机群开始由组合飞行向单体飞行过渡时，如图6～图8所示，最前方的无人机的作动筒9的活塞杆10伸长，活塞杆10的端部在长圆孔11内滑动，驱动连杆5以铰链6为中心向机身外旋转，使连杆5的尖端与第二个无人机的连杆对接孔解除连接，最前方的无人机向上运动脱离组合编队，随后其作动筒9的活塞杆10开始收缩，活塞杆10的端部在长圆孔11内反向滑动，带动连杆5以铰链6为中心向机身内旋转，将连杆5重新收回至机身两侧。同样的操作在第二个无人机上进行。当分离操作在所有无人机上均已经完成时，组合飞行状态解除，各无人机进入单体飞行状态。

较佳地，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，如图7和图8所示，连杆5包括的两段5a和5b之间的夹角范围可以为90°～120°，这样，作动筒9在整个伸缩过程中能产生相对较大的力臂，使得连杆5对作动筒9的驱动力需求较小，有利于减小作动筒9的尺寸和重量。

由于无人机群组合飞行时，无人机群整体呈现出串列翼飞行器的特征，即更接近前方的无人机，其舵面使用鸭翼控制模式，更接近后方的无人机，其舵面使用传统尾翼控制模式，因此，若串列翼布局中后方的机翼位于前方机翼的下方，则有利于增强串列翼有利气动干扰，减弱不利气动干扰。基于此，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，除最前方的无人机外，可以将每个无人机的机身设置为位于前方相邻无人机机身的后下方，即第二个无人机的机身位于第一个无人机机身的后下方，第三个无人机的机身位于第二个无人机的机身的后下方，以此类推，这样可以使串联的多个无人机整体呈上扬10°～20°的状态，有利于提高组合状态下的整体气动效率。

在具体实施时，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，可以将每个无人机的两个主翼的展弦比设为大于15，大展弦比机翼有利于减小诱导阻力，提高无人机的气动效率。

在具体实施时，在本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局中，可以将每个无人机的两个尾翼设为V型布局，V型尾翼有利于避开无人机机翼尾流剪切层的干扰，提供更高的舵面操作效率。

本发明提供的上述可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，既可以在空中串列组合飞行，又可以在空中自动分体形成无人机蜂群。使用连杆实现前后无人机的结构连接，在确保前后无人机彼此之间位置限制的同时提供受力约束和力矩约束，保证多个无人机能够紧固地串列连接为一体。串列组合飞行可以降低无人机在单体飞行时产生的压差阻力，有利于减小飞行阻力；经过合理布置的串列翼布局可以有效利用串列翼的有利气动影响，提高无人机的气动效率，因此，组合飞行状态下的无人机航程相对于单体飞行状态得到延长，有利于提高蜂群无人机的续航能力，提高作战半径；这样可以使投放无人机的有人飞行器远离一线战场，减少人员伤亡。组合状态的无人机可以一次从大型飞机中释放，无需进行单体多次释放，缩短了大型飞机释放蜂群无人机的作业时间，有利于其快速完成释放并调转脱离。无人机的组合飞行状态有利于欺骗敌方防空雷达，达到战术欺骗效果；解除合体之后的单体飞行状态有利于瞬间增大敌方防空系统的压力，使敌方防空系统暴露位置，从而有机会被我方消灭。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，包括串联的多个无人机；每个无人机包括：机身、位于所述机身上的两个主翼和两个尾翼、位于每个主翼上的螺旋桨、两个连杆、与两个连杆一一对应的两个铰链以及位于机身尾部内且与两个连杆一一对应的两个作动筒；其中，

每个无人机的机身为六面体结构，包括上下左右四个侧面和前后两个底面，四个侧面均为梯形，两个底面均为矩形，前后两个底面具有相同角度的斜切，前底面的尺寸小于后底面的尺寸；

每个连杆呈弯折状，包括夹角固定的两段，其中一段位于机身外，另一段位于机身尾部内，两个连杆的弯折处分别通过对应的铰链与机身尾部的左右两侧固定连接；每个连杆位于机身外的一段的端部设有向机身弯折的两个锥形尖端，每个机身头部的左右两侧分别设有两个连杆对接孔，除最后方的无人机外，每个无人机的机身所连两个连杆的尖端分别插入后方相邻无人机的机身头部左右两侧的连杆对接孔内，每个无人机中作动筒的活塞杆处于收缩状态；每个连杆位于机身尾部内的一段的端部设有长圆孔，每个作动筒的活塞杆与对应的连杆设有长圆孔的端部连接；每个无人机中的作动筒用于通过活塞杆的伸长以及活塞杆的端部在长圆孔内滑动，带动连杆以铰链为中心向机身外旋转，使连杆的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔内拔出，从而使该无人机与后方相邻无人机分离后单独飞行。

2.如权利要求1所述的可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，所述作动筒，还用于在对应的连杆的尖端从后方相邻无人机的连杆对接孔内出来后，通过活塞杆的收缩以及活塞杆的端部在长圆孔内反向滑动，带动连杆以铰链为中心向机身内旋转，使对应的连杆重新收回至机身旁边。

3.如权利要求1所述的可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，所述连杆包括的两段之间的夹角范围为90°～120°。

4.如权利要求1所述的可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，除最前方的无人机外，每个无人机的机身位于前方相邻无人机机身的后下方，使串联的多个无人机整体呈上扬10°～20°的状态。

5.如权利要求1～4任一项所述的可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，每个无人机的两个主翼的展弦比大于15。

6.如权利要求1～4任一项所述的可串列组合飞行的蜂群无人机气动布局，其特征在于，每个无人机的两个尾翼为V型布局。

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