CN112027073A

CN112027073A - 复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器

Info

Publication number: CN112027073A
Application number: CN201910479401.2A
Authority: CN
Inventors: 范磊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明涉及一种复合式垂直起降（VTOL）高效、高速飞行器。一种复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器，飞行器机体1上部纵列布置两付主升力旋翼组5，机体1中部布置有固定机翼2，固定机翼2两端布置有两副动力短翼4，固定机翼2上布置有副翼8，机体1上布置有平行尾翼3、垂直尾翼6、起落架7。复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器的气动布局设计避开了现有复合式、倾转类飞行器所存在的技术缺陷，采用纵列布置主升力悬翼，旋翼设计以垂直起降、悬停、自转旋翼模式巡航的气动要求定义旋翼组，倾转动力短翼，其载荷效率高于现有复合式直升机、倾转旋翼机、复合式多旋翼机。

Description

复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种复合式垂直起降（VTOL）高效、高速飞行器。

背景技术

现有固定机翼飞行器能够高速前飞，但却依赖跑道起飞。具有失速度，不能垂直起降（VTOL）、悬停。直升机具有垂直起降能力，可空中悬停，不依赖于机场，但却不能高速、高效前飞。研发具有垂直起降能力，可空中悬停，又可高速、高效前飞的飞行器一直是航空界努力的方向。

具有代表性机型有：复合式的西科斯基公司的X2、S-97、SB-1,欧洲直升机公司的X3。倾转类的有贝尔公司的V-22、V-280，希勒公司的X-18等。停转式的有：NASA的M85,莫达斯公司的盘翼机，波音公司的CR/W。多旋翼复合式有以色列研发的“黒豹”。

以现有研究及已量产机型来看，技术实现路径均采取了折衷。追求高速的同时，牺牲了飞行效率。

以单纯复合式机型看，推进螺旋桨在垂直起降过程中一方面增加飞行器废重，也不会对飞行器产生升力以及相应控制机制。旋翼、机翼、螺旋桨还会产生气动干扰，影响飞行效率和品质。

以已量产的V-22倾转旋翼机为例，由于旋翼设计兼顾升力要求、前飞效率，其设计既不是根据直升机旋翼设计，又不是根据固定机翼飞机螺旋桨设计，垂直起降时桨盘载荷大，诱导速度、诱导功率大，过载能力低，其旋翼系统的过载能力为1.4，而典型直升机的旋翼过载能力为3.5，差距有一倍之多，使低速机动能力大幅降低，存在操纵权限不够的问题。突风不仅会影响倾转旋翼机横列的双旋翼，而且会影响到倾转旋翼机较长的两侧机翼。倾转旋翼机飞行员往往要通过复杂的操纵，才能抵消突风的影响。从这个方面来说，倾转旋翼机的悬停稳定性也不如直升机。

由于旋翼（螺旋桨）气动设计上比较折衷，这就导致它在前飞的时候，旋翼并不能像常规螺旋桨飞机一样在最优气动条件下运行，因而它的前飞速度和效率还是低于固定机翼飞行器的。倾转旋翼机的载荷空重比仅为40%。

既便旋翼折衷设计，但仍较常规固定机翼飞机螺旋桨大许多，未能给飞行器以固定机翼方式起降留足净空，不便于滑跑起飞。

X2、X3这类复合式机型，推进螺旋桨除与旋翼相互扰动，在起降、悬停中推进螺旋桨成为废重，牺牲飞行器载荷效率。

“黒豹”类多旋翼复合式除推进螺旋桨废重牺牲载荷效率外，由于采用螺旋桨气动设计，垂直起降、悬停、直升模式低速巡航时桨盘载荷大，升力效率低，过载系数低。一旦外部扰动大于其过载能力，其控制余度严重不足。由于是与固定机翼复合，外部扰动类似于倾转旋翼机，扰动系数远大于单纯多旋翼机，可控性大大降低。

发明内容

一种复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器，飞行器机体1上部纵列布置两付主升力旋翼组5，机体1中部布置有固定机翼2，固定机翼2两端布置有两副动力短翼4，固定机翼2上布置有副翼8，机体1上布置有平行尾翼3、垂直尾翼6、起落架7。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体1上部纵列布置有两副主升力旋翼组5，承担飞行器垂直起降、悬停主升力，动力短翼4产生辅助升力；纵列的两副主升力旋翼组5旋转方向相反，相互克服反向扭矩。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体1上部纵列布置的两副主升力旋翼组5总距、周期距可变。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体上部纵列布置的两副主升力旋翼组5，垂直起降、悬停、纵列直升机模式飞行时由动力驱转。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是固定机翼2两端布置有两副可倾转动力短翼4，垂向上倾产生辅助升力，纵向前倾产生前飞动力。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是纵列布置的两副主升力旋翼组5随着动力短翼4纵向倾转，飞行器进入前飞模式，固定机翼2产生升力，最终接替动力短翼4辅助升力，动力短翼4变前飞动力；主升力旋翼组5驱转动力也由自有驱转动力驱转变为来流驱转动力驱转接替，中止自有驱转动力，主升力旋翼组5变动力驱转为来流驱转下的自转。

根据权利要求1所述，其特征是机体1中部可布置有固定机翼2，承担前飞过渡补偿升力。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器在垂直起降、悬停时，飞行姿态控制由主升力旋翼组5与动力短翼4协同控制。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器上布设的副翼8、垂直尾翼6、水平尾翼3在前飞时对飞行器实施姿态控制，主升力旋翼组起辅助控制。

根据权利要求1所述，其特征是复合式尾推进横列自转双旋翼飞行器采用分布式动力设计，主升力旋翼组5、动力短翼4均独立驱动；可由全电力驱动，亦可采用混合动力驱动；全电力驱动由储能系统供电，或发电系统与储能系统混合供电；混合动力驱动则采用主升力旋翼组5由电力驱动，动力短翼4由传统燃料动力驱动并带动发电系统向储能系统补充电能，以回补主升力旋翼组5在垂直起降、悬停、多旋翼模式巡航时的电能消耗；储能系统电能消耗回补亦可采用将主升力旋翼组5驱动系统设计成驱动、发电一体系统，在飞行器以自转旋翼模式飞行时发电向储能系统回补电能。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器其上布设有可滑跑起落架7，飞行器可以以自转旋翼机、固定翼机起降方式滑跑起降。

根据权利要求1所述飞行器，其特征是飞行器在失去动力后可自转下滑降落。

有益效果：复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器的气动布局设计避开了现有复合式、倾转类飞行器所存在的技术缺陷，采用纵列布置主升力悬翼，旋翼设计以垂直起降、悬停、自转旋翼模式巡航的气动要求定义旋翼组，其载荷效率高于现有复合式直升机、倾转旋翼机、复合式多旋翼机。

纵列式布置主升力旋翼，前后旋翼反向旋转克服反扭矩，高速前飞时不以低头改变升力矢量前飞，旋翼升力接替后，靠来流自转，既减小了桨盘阻力，有效缓解了前行激波，后行失速问题，又降低了功耗，也大大降低了振动水平与噪音，使飞行品质大幅提升。

由于动力短翼以固定机翼飞行器动力进行气动设计，也大幅度提高了前飞效率，降低了前飞阻力，动力系统与短翼一体，减小了气动干扰，有效提升整机飞行品质。

动力短翼动力系统功率设计以前飞功率需求为优选，在动力设计上减少了废重。功升比得到提升。

由于前飞时主升力旋翼组以自转旋翼方式运转，具备失去动力自转下滑能力，提高了飞行器的安全品质。

由于飞行中，有主升力旋翼组、动力短翼、副翼、垂尾、平行尾翼多重控制，飞行器控制余度大，安全性提高。

主升力旋翼组与动力短翼的布局方式也有利于降低相互间的扰动，提升飞行效率。

复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器由于可采用固定翼与自转旋翼机、倾转机翼机复合模式前飞，因而可在具备滑跑起降条件下滑跑起降，拓展了遂行任务范围。

复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器由于采用了主升力与前飞动力的分布式设计，为飞行器动力系统全电化、混合动力应用开创了新途径。

附图说明

图1：垂直起降、悬停侧视图。

图2：前飞侧视图。

图1-2中1-机体；2-固定机翼；3-水平尾翼；4-动力短翼；5-主升力旋翼组；6-垂直尾翼；7-起落架；8副翼。

具体实施

如附图1-2所示，本技术实施方式采取以下技术方案：机身1中部布置固定机翼2，动力短翼4上布置有副翼8，固定机翼2两端布置动力短翼4，机身上布置有垂直尾翼6，水平尾翼3，起落架7，机身1上部纵列布置有主升力旋翼组5。

作为优选，主升力旋翼组5以垂直起降、悬停、直升机模式巡航，自转旋翼机前飞为优选，进行气动设计。

作为优选，主升力旋翼组5采用纵列布局，反向旋转。相互克服反向扭矩。

作为优选，动力短翼4以高速前飞为优选，进行气动设计。

作为优选，主升力旋翼组5、动力短翼4动力以分布式布置，可燃油机驱动、电力驱动、或燃油、电力混合驱动。

作为优选，主升力旋翼组5总距、周期距可变。

作为优选，动力短翼4可向上垂向倾转，产生向上升力、控制力；亦可向前纵向倾转，产生水平拉力，成为高速巡航、前飞动力。

作为优选，左右动力短翼4可差动倾转，在飞行器垂直起降、悬停、低速巡航时产生垂向辅助升力及控制力。

本具体实施方式分为如下方式。

垂直起飞、悬停、低速巡航：动力短翼4向上垂向倾转，与主升力旋翼组5组成多旋翼主升力与辅助升力，实现垂直起降、悬停、低速巡航。主升力旋翼组5承担主升力，动力短翼4承担辅助升力。可以以直升机模式，通过主升力旋翼5对飞行器进行航向、俯仰、滚转操控，亦可借助动力短翼4动力差及差动倾转，产生辅助控制。

前飞、高速巡航：当飞行器前飞时，动力短翼4向前纵向倾转，固定机翼2升力逐渐加大，固定机翼2承担飞行器主升力，主升力旋翼组5动力卸载，转为来流作用下的自转模式，飞行器以自转旋翼机与固定机翼飞机复合式前飞，此时，由于主升力旋翼组5处自转模式，延迟了飞行器旋翼组桨叶前行激波、后行失速，前飞阻力大大降低，得以提升速度、降低功耗、降低噪音，可实现高速前飞。

悬停、降落：降低飞行速度，驱动主升力旋翼组5，动力短翼4向上垂向倾转，主升力旋翼组5产生主升力，可倾转动力短翼4产生辅助升力，实现悬停、降落。

滑跑起飞：飞行器可利用动力短翼4向前纵向倾转，通过起落架7，在具备起飞条件下增大载荷以固定机翼飞机与自转旋翼机复合模式短距滑跑起飞。提升起飞载荷效能。

自旋短距降落：飞行器具有固定机翼飞机与自转旋翼机复合模式飞行特质，飞行器可以依赖于固定机翼2，主升力旋翼组5自转下滑降落。在失去动力后，亦可滑行降落，提升了飞行器的安全器质。

飞行器采用分布式动力设计，主升力旋翼组5、动力短翼4均独立驱动；可由全电力驱动，亦可采用混合动力驱动；全电力驱动由储能系统供电，或发电系统与储能系统混合供电；混合动力驱动则采用主升力旋翼组5由电力驱动，动力短翼4由传统燃料动力驱动并带动发电系统向储能系统补充电能，以回补主升力旋翼组5在垂直起降、悬停、多旋翼模式巡航时的电能消耗；储能系统电能消耗回补亦可采用将主升力旋翼组5驱动系统设计成驱动、发电一体系统，在飞行器以自转旋翼模式飞行时发电向储能系统回补电能。

Claims

1.一种复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器，飞行器机体1上部纵列布置两付主升力旋翼组5，机体1中部布置有固定机翼2，固定机翼2两端布置有两副动力短翼4，固定机翼2上布置有副翼8，机体1上布置有平行尾翼3、垂直尾翼6、起落架7。

2.根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体1上部纵列布置有两副主升力旋翼组5，承担飞行器垂直起降、悬停主升力，动力短翼4产生辅助升力；纵列的两副主升力旋翼组5旋转方向相反，相互克服反向扭矩。

3.根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体1上部纵列布置的两副主升力旋翼组5总距、周期距可变。

4.根据权利要求1所述飞行器，其特征是机体上部纵列布置的两副主升力旋翼组5，垂直起降、悬停、纵列直升机模式飞行时由动力驱转。

5.根据权利要求1所述飞行器，其特征是固定机翼2两端布置有两副可倾转动力短翼4，垂向上倾产生辅助升力，纵向前倾产生前飞动力。

6.根据权利要求1所述飞行器，其特征是纵列布置的两副主升力旋翼组5随着动力短翼4纵向倾转，飞行器进入前飞模式，固定机翼2产生升力，最终接替动力短翼4辅助升力，动力短翼4变前飞动力；主升力旋翼组5驱转动力也由自有驱转动力驱转变为来流驱转动力驱转接替，中止自有驱转动力，主升力旋翼组5变动力驱转为来流驱转下的自转。

7.根据权利要求1所述，其特征是机体1中部可布置有固定机翼2，承担前飞过渡补偿升力。

8.根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器在垂直起降、悬停时，飞行姿态控制由主升力旋翼组5与动力短翼4协同控制。

9.根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器上布设的副翼8、垂直尾翼6、水平尾翼3在前飞时对飞行器实施姿态控制，主升力旋翼组起辅助控制。

10.根据权利要求1所述，其特征是复合式尾推进横列自转双旋翼飞行器采用分布式动力设计，主升力旋翼组5、前飞动力系统4均独立驱动；可由全电力驱动，亦可采用混合动力驱动；全电力驱动由储能系统供电，或发电系统与储能系统混合供电；混合动力驱动则采用主升力旋翼组5由电力驱动，前飞动力系统4由传统燃料动力驱动并带动发电系统向储能系统补充电能，以回补主升力旋翼组5在垂直起降、悬停、多旋翼模式巡航时的电能消耗；储能系统电能消耗回补亦可采用将主升力旋翼组5驱动系统设计成驱动、发电一体系统，在飞行器以自转旋翼模式飞行时发电向储能系统回补电能。

11.根据权利要求1所述飞行器，其特征是复合式倾转机翼纵列自转双旋翼飞行器其上布设有可滑跑起落架7，飞行器可以以自转旋翼机、固定翼机起降方式滑跑起降。

12.根据权利要求1所述飞行器，其特征是飞行器在失去动力后可自转下滑降落。