CN112027080B - 一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，具有对称双后掠尾翼及流线型机身。大展弦比鸭翼、大展弦比机翼沿机身呈串列式布置；尾翼于两侧机翼呈H型布置。无人机动力系统由Ⅰ型、Ⅱ型两类双模态动力舱及复合式混合供电系统组成。其中Ⅰ型动力舱安装于机翼梢部，Ⅱ型动力舱分布式安装于机翼内部及尾翼梢部。起降模态下，两型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨运转提供起降推力；推进模态下，两型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨自然折叠于舱室外侧桨坞之上，同时Ⅰ型舱后部平飞推进舱后部平飞推进桨提供前飞推力实现高效巡航。复合式混合供电系统负责两型动力舱及载荷设备的供电任务，在实现高效供电的同时具备多路多源输出控制功能。

Description

一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种混电推进垂直起降无人机，具体来说，是一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机。

背景技术

现有的垂直起降固定翼无人机可基本满足垂直起降和平飞巡航对气动外形和动力系统的不同要求，但其功能多依靠结构变体或固定翼改型实现，其中，结构变体方案通过动力单元或部分、整体机翼倾转来达到垂直起降和平飞巡航的目的，结构重量较大；固定翼改型方案则直接在固定翼无人机上加装升力旋翼，技术门槛较低，可靠性较高，但也存在重量冗余和巡航效率较低等问题；已有的鸭式布局垂直起降固定翼无人机虽无变体结构带来的冗余重量，但其外形设计多偏重于功能验证，不具备高效巡航功能。同时，除固定翼改型方案外，其他已有方案多使用单一动力系统满足大区间内的使用要求，动力系统整体效率较为低下。因此，寻求一种具备垂直起降能力、结构重量较轻、动力系统适用性较好、满足低阻高效巡航要求的无人机设计方案成为当下研究热点。

发明内容

为克服前述已有布局及其动力系统缺点，本发明提出一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机方案，在无人机本体优良的巡航气动特性基础上，通过使用复合式混合供电系统和双模态动力舱，将该无人机垂直起降与高效巡航两种差异工况进行动力链划分，提高了各工况下的动力系统工作效率，减小了燃油消耗，同时，将垂直起降动力系统对巡航气动外形的影响降到了最小。

本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，机身前部两侧安装有左鸭翼与右鸭翼，机身后部两侧安装有左机翼与右机翼；左机翼与右机翼上安装有左垂尾与右垂尾。

上述左机翼与右机翼梢部安装有Ⅰ型动力舱；左机翼与右机翼下方安装有Ⅱ型动力舱；左垂尾与右垂尾梢部安装有Ⅱ型改型动力舱。其中，Ⅰ型动力舱包括垂直起降多叶折叠桨、平飞推进桨、第一电磁离合器、第二电磁离合器、双模态电动机，均安装于Ⅰ型动力舱舱室内。双模态电动机采用长轴输出，长轴前端通过第一电磁离合器与垂直起降多叶折叠桨相连；长轴后端通过第二电磁离合器与平飞推进桨相连；Ⅱ型动力舱包括垂直起降多叶折叠桨与垂直起降专用电动机，均安装于Ⅱ型动力舱外壳内；其中，垂直起降专用电动机输出端上同轴安装垂直起降多叶折叠桨；Ⅱ型改型动力舱为在Ⅱ型动力舱的基础上加装减震缓冲装置构成。

本发明中Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱与Ⅱ型改型动力舱基于各自的动力结构和桨坞结构设计，可具备起降模态与推进模态两种工作形式；起降模态中，Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨运转，Ⅰ型动力舱上的平飞推进桨保持风车状态；在推进模态中，Ⅰ型动力舱的中平飞推进桨运转，同时Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨和垂直起降多叶折叠桨运均保持低阻折叠状态。

上述Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱与Ⅱ型改型动力舱由复合式混合供电系统为动力舱进行供电。复合式混合供电系统设置于机身内，具有由发动机、发电机与能量管理装置构成的发电机供电链路，以及由储能电池与能量管理装置构成储能电池供电链路。

上述复合式混合供电系统具备垂直起降、混电爬升、充电巡航、纯电巡航等四类供电模式，具体如下：

垂直起降模式中，Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱均处于起降模态，此时由发电机供电链路对Ⅰ型动力舱直接供电，由储能电池链路对Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱直接供电。

混电爬升模式中，Ⅰ型动力舱处于推进模态，Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱处于关闭状态，此时由于爬升过程需用功率较大，发电机供电链路直接供电无法满足需用功率要求，因此由发电机链路与储能电池链路共同为Ⅰ型动力舱进行混合供电。

充电巡航模式中Ⅰ型动力舱处于推进模态，Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱工作模式与混电爬升相同，此时发动机功率存在富余，因此发电机供电链路在为Ⅰ型动力舱直接供电的同时，也对储能电池进行充电。

纯电巡航模式中，发动机停机，由储能电池链路对Ⅰ型动力舱进行直接供电。

通过四种工作模式的合理配置，在整个飞行剖面内，发动机均可运行在理想运行区间内，从而获得远优于传统水平的油耗特性。

本发明的优点在于：

1、本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，采用大展弦比鸭翼配合大展弦比机翼、双后掠尾翼、流线型机身设计，相较于传统垂直起降固定翼无人机，具有气动特性优良、结构紧凑、无复杂转换机构、可靠性高等优点；

2、本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，采用复合式混合供电系统，该系统具备多路多源输出控制功能，可对某一输出线路采用发动机—发电机直供、电池直供、双路混供等多种供电方式，在全飞行剖面内可构成垂直起降、混电爬升、充电巡航、纯电平飞四种供电方案。依托上述供电方案，该无人机可减小对发动机的功率需求，从而减轻发动机的重量体积；同时，发动机在整个飞行过程中均可运行在其理想区间内，燃油经济性较好；

3、本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，采用Ⅰ型、Ⅱ型两类双模态动力舱设计，将垂直起降与巡航平飞主要动力源解耦，起降模态和推进模态下分别由多叶旋翼和平飞推进桨提供拉力，保证了差异性工况下的动力系统效率，同时，垂直起降多叶折叠桨与动力舱桨坞的设计最大程度减小了垂直起降功能实现对于平飞巡航气动外形的影响。

附图说明

图1为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机巡航状态示意图；

图2为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机起降状态示意图；

图3为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中垂尾后掠角设计方式示意图；

图4为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中Ⅰ型动力舱内部结构示意图；

图5为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中Ⅱ型动力舱内部结构示意图；

图6为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中Ⅱ型动力舱改型内部结构示意图；

图7为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中动力舱多叶桨折叠方式示意图；

图8为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中复合式混合供电系统安装方式示意图；

图9为本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机中复合式混合供电系统基本结构示意图。

图中：

101-机身 102-左鸭翼 103-右鸭翼

104-左机翼 105-右机翼 106-左垂尾

107-右垂尾 201-Ⅰ型动力舱 202-Ⅱ型动力舱

203-Ⅱ型改型动力舱 301-发动机 302-发电机

303-储能电池 304-能量管理器 305-燃油箱

201a-垂直起降多叶折叠桨A 201b-平飞推进桨 201c-第一电磁离合器

201d-第二电磁离合器 201e-双模态电动机 201f-Ⅰ型动力舱舱室

202a-垂直起降多叶折叠桨B 202b-垂直起降专用电动机

202c-Ⅱ型动力舱外壳 203a-减震缓冲器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，包括无人机本体、双模态动力舱与复合式混合供电系统三个部分。

所述无人机本体包括机身101、左鸭翼102、右鸭翼103、左机翼104、右机翼105、左垂尾106与右垂尾107，如图1、图2所示。

其中，流线型机身101由前至后分为前机身、中机身、后机身三个部分，其中，前机身701提供左鸭翼102、右鸭翼103鸭翼安装位置，中机身提供载荷与设备储放空间，后机身提供左机翼104与右机翼105安装位置，同时提供发动机安装位置。后机身上下分别设置进气通道及排气通道；进气通道是发动机吸气及汽缸冷却所需空气流入的必需通路，而排气通道则将流经发动机汽缸的冷却气体从机身后方排出。

其中，左鸭翼102与右鸭翼103采用大展弦比梯形鸭翼形式，展弦比取8～10，此种鸭翼形式气动特性良好，结构重量可控。左鸭翼102与右鸭翼103置于机身 101前部，根部分别与机身101左右两侧相接。左鸭翼102与右鸭翼103后侧设置为升降舵面108，升降舵面108弦向宽度占其所在鸭翼弦长的20％～35％。升降舵面108偏转范围设定在下偏25°到上偏30°之间。

所述左机翼104与右机翼105采用大展弦比梯形机翼形式，展弦比取15～18。左机翼104与右机翼105置于机身101后部，根部分别与机身101间采用飞翼式融合连接，减小了左机翼104、右机翼105与机身101间的干扰阻力，增加了全机有效升力面积。为便于左机翼104与右机翼105上的动力布置，左机翼104 与右机翼105的后掠角/前掠角不应过大，可取±20°之间。左机翼104与右机翼105后缘设计有副翼。

上述左鸭翼102、右鸭翼103、左机翼104、右机翼105的安装位置处于同一平面，因此左鸭翼102、右鸭翼103对左机翼104、右机翼105的洗流作用可有效延缓左机翼104与右机翼105失速，配合左鸭翼102、右鸭翼103的正升力配平机制，左鸭翼102、右鸭翼103、左机翼104和右机翼105间的配合形式具有远大于正常式布局的最大升力系数。对于垂直起降无人机而言，较大的可用升力系数意味着较小的转换和回收速度，对于提高回收过程的准确性和安全性非常重要。

所述左垂尾106与右垂尾107为上下部分对称的双后掠垂尾构型，中部分别安装于左机翼104与右机翼105中部，与左机翼104和右机翼105间呈十字型安装。左垂尾中上下部分的前缘中部到左机翼一段后掠角θ₁设计在45°～65°之间，剩余一段后掠角θ₂设计在10°～30°之间，如图3所示。左垂尾106与右垂尾107上部分后缘设计方向舵。上述左垂尾106与右垂尾107一方面需满足巡航状态下的航向稳定与操纵要求，另一方面也是保证无人机地面停放稳定性和回收接地安全性的关键。在设计左垂尾106与右垂尾107的几何外形时设计需保证侧翻角不小于30°、前倾角不小于20°。

所述双模态动力舱包括Ⅰ型动力舱201、Ⅱ型动力舱202以及在Ⅱ型动力舱的基础上加装减震缓冲装置构成Ⅱ型改型动力舱203。上述三种动力舱中，Ⅰ型动力舱8安装于左机翼104与右机翼105的梢部，且Ⅱ型动力舱202沿机翼展向安装于左机翼3与右机翼4下方，Ⅱ型改型动力舱203安装于左垂尾106与右垂尾107的梢部。

上述Ⅰ型动力舱201包括垂直起降多叶折叠桨A201a、平飞推进桨201b、第一电磁离合器201c、第二电磁离合器201d、双模态电动机201e，均安装于Ⅰ型动力舱舱室201f内，如图4所示。其中，垂直起降多叶折叠桨A201a按起降状态设计，桨叶均为定距桨，可在悬停状态下输出较大拉力，其桨叶叶数可为3 叶及更多。平飞推进桨201b按巡航状态设计，具有较高的巡航运行效率，其叶数一般为2叶及3叶。双模态电动机201e采用长轴输出，长轴前端通过第一电磁离合器201c与垂直起降多叶折叠桨A201a相连；长轴后端通过第二电磁离合器201d与平飞推进桨201b相连。电动机工作状态下，当第一电磁离合器201c 接通、第二电磁离合器201d断开时，由双模态电动机201e带动垂直起降多叶折叠桨A201a旋转；而当第二电磁离合器201d接通、第一电磁离合器201c断开时，由双模态电动机201e带动平飞推进桨201b旋转，垂直起降多叶折叠桨A201a 则处于自然折叠状态。

所述Ⅱ型动力舱202包括垂直起降多叶折叠桨B202a与垂直起降专用电动机202b，均安装于Ⅱ型动力舱外壳202c内，如图5所示。其中，垂直起降专用电动机202b为低KV值、大扭矩的无刷直流电机，其输出端上同轴安装垂直起降多叶折叠桨A202a，垂直起降多叶折叠桨A202a结构与垂直起降多叶折叠桨A201a 相同。

所述Ⅱ型改型动力舱203包括Ⅱ型动力舱202以及减震缓冲器203a，如图6 所示，减震缓冲器203a采用弹簧液压结构，其外缸体固定于Ⅱ型动力舱外壳202c 内后部的连接板上，活塞杆延伸至Ⅱ型动力舱外壳202c外部。由此使左垂尾106 与右垂尾107梢部具有触地缓冲设备，以减小无人机回收时的落地过载。

上述三种动力舱的舱室前部侧壁周向上还设计有与折叠桨的桨叶数量相等的桨坞结构，如图7所示。桨坞结构为与桨叶外形配合的凹槽，在垂直起降多叶折叠桨B202a的桨叶处于折叠状态下，各个桨叶分别收纳于各桨坞结构内，且与Ⅱ型动力舱外壳202c共同构成光顺低阻外形。

本发明中Ⅰ型动力舱201、Ⅱ型动力舱202与Ⅱ型改型动力舱203基于各自的动力结构和桨坞结构设计，可具备起降模态与推进模态两种基本工作形式。在起降模态中，无人机拉力需求较大，Ⅰ型动力舱201、Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203前部垂直起降多叶折叠桨A201a和垂直起降多叶折叠桨B202a运转，Ⅰ型动力舱201上的平飞推进桨201b保持风车状态。在推进模态中，无人机前飞动力需求较小，Ⅰ型动力舱201的中平飞推进桨201b运转，同时Ⅰ型动力舱 201、Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203前部垂直起降多叶折叠桨A201a和垂直起降多叶折叠桨B202a运均保持低阻折叠状态。

所述复合式混合供电系统为前述双模态动力舱进行供电。复合式混合供电系统设置于机身101内，包括发动机301、发电机302、储能电池303、能量管理装置304与燃油箱305，如图8所示，由发动机301、发电机302、燃油箱305 构成的主动力单元与由储能电池303构成的辅助动力单元均接入能量管理装置 304，并通过能量管理装置，304向各动力舱供电。

其中，发动机301与发电机302采用直轴连接，共同安装于后机身内部。储能电池303为两组安装于中机身内部，调整两组电池前后位置可对无人机重心进行有效控制。能量管理装置304安装于中机身内部；燃油箱305安装于中机身与后机身交界处。

上述发动机301-发电机302接入能量管理装置304再进行输出，构成发电机供电链路；两组储能电池303接入能量管理装置304再进行输出，构成储能电池供电链路，两者共同形成本发明复合式混合供电系统的供电链路，基本结构如图9所示。复合式混合供电系统具备多路多源输出控制功能，可针对某一输出线路采取发动机301-发电机302直供、储能电池303直供、混供等多种不同供电方式，具体为：

复合式混合供电系统具备垂直起降、混电爬升、充电巡航、纯电巡航等四类供电模式，具体如下：

垂直起降模式中，Ⅰ型动力舱201、Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203 均处于起降模态，此时由发电机供电链路对Ⅰ型动力舱201直接供电，由储能电池链路对Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203直接供电。

混电爬升模式中，Ⅰ型动力舱201处于推进模态，Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203处于关闭状态，此时由于爬升过程需用功率较大，发电机供电链路直接供电无法满足需用功率要求，因此由发电机链路与储能电池链路共同为Ⅰ型动力舱进行混合供电。

充电巡航模式中Ⅰ型动力舱201处于推进模态，Ⅱ型动力舱202及Ⅱ型改型动力舱203工作模式与混电爬升相同，此时发动机功率存在富余，因此发电机供电链路在为Ⅰ型动力舱201直接供电的同时，也对储能电池13进行充电；

纯电巡航模式中，发动机停机，由储能电池链路对Ⅰ型动力舱201进行直接供电。

通过四种工作模式的合理配置，在整个飞行剖面内，发动机301均可运行在理想运行区间内，从而获得远优于传统水平的油耗特性。

Claims (6)

1.一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：无人机本体机身前部两侧安装有左鸭翼与右鸭翼，机身后部两侧安装有左机翼与右机翼；左机翼与右机翼上安装有左垂尾与右垂尾；

上述左机翼与右机翼梢部安装有Ⅰ型动力舱；左机翼与右机翼下方安装有Ⅱ型动力舱；左垂尾与右垂尾梢部安装有Ⅱ型改型动力舱；其中，Ⅰ型动力舱包括垂直起降多叶折叠桨、平飞推进桨、第一电磁离合器、第二电磁离合器、双模态电动机，均安装于Ⅰ型动力舱舱室内；双模态电动机采用长轴输出，长轴前端通过第一电磁离合器与垂直起降多叶折叠桨相连；长轴后端通过第二电磁离合器与平飞推进桨相连；Ⅱ型动力舱包括垂直起降多叶折叠桨与垂直起降专用电动机，均安装于Ⅱ型动力舱外壳内；其中，垂直起降专用电动机输出端上同轴安装垂直起降多叶折叠桨；Ⅱ型改型动力舱为在Ⅱ型动力舱的基础上加装减震缓冲装置构成；

上述Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱与Ⅱ型改型动力舱由复合式混合供电系统为动力舱进行供电；复合式混合供电系统设置于机身内，具有由发动机、发电机与能量管理装置构成的发电机供电链路，以及由储能电池与能量管理装置构成储能电池供电链路。

2.如权利要求1所述一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：左垂尾与右垂尾为双后掠垂尾构型，上下部分对称，中部连接机翼。

3.如权利要求2所述一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：左垂尾与右垂尾侧翻角不小于30°、前倾角不小于20°；且左垂尾中上下部分的前缘中部到左机翼一段后掠角设计在45°~65°之间，剩余一段后掠角设计在10°~30°之间。

4.如权利要求1所述一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱、Ⅱ型改型动力舱的舱室前部侧壁周向上还设计有与折叠桨的桨叶数量相等的桨坞结构。

5.如权利要求1所述一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：具备起降模态与推进模态两种工作形式；起降模态中，Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨运转，Ⅰ型动力舱上的平飞推进桨保持风车状态；在推进模态中，Ⅰ型动力舱的中平飞推进桨运转，同时Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱前部垂直起降多叶折叠桨和垂直起降多叶折叠桨运均保持低阻折叠状态。

6.如权利要求1或5所述一种使用双模态动力舱的混电推进垂直起降无人机，其特征在于：具备垂直起降、混电爬升、充电巡航、纯电巡航等四类供电模式，具体如下：

垂直起降模式中，Ⅰ型动力舱、Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱均处于起降模态，此时由发电机供电链路对Ⅰ型动力舱直接供电，由储能电池链路对Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱直接供电；

混电爬升模式中，Ⅰ型动力舱处于推进模态，Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱处于关闭状态，由发电机链路与储能电池链路共同为Ⅰ型动力舱进行混合供电；

充电巡航模式中Ⅰ型动力舱处于推进模态，Ⅱ型动力舱及Ⅱ型改型动力舱工作模式与混电爬升相同，发电机供电链路在为Ⅰ型动力舱直接供电的同时，也对储能电池进行充电；

纯电巡航模式中，发动机停机，由储能电池链路对Ⅰ型动力舱进行直接供电。

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