CN112607012A - 一种垂直起降固定翼无人机及起降方法 - Google Patents

一种垂直起降固定翼无人机及起降方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直起降固定翼无人机，包括旋翼、机身、机翼和尾翼；旋翼设在机身的前端；机翼有2个，安装在机身前段的两边；尾翼有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身的尾部；机身包括机身前段和机身后段，机身后段包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段轴连，三个可分离机身段各为机身后段的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段。本发明的无人机具有旋翼机的垂直起降不受地形影响的功能，同时具有固定翼无人机长航时、高负载的能力。

Description

一种垂直起降固定翼无人机及起降方法
技术领域
本发明属于航空飞行器设计技术领域，涉及一种无人机，具体涉及一种垂直起降固定翼无人机。
背景技术
目前的无人机主要分为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机几种类型。
固定翼无人机具有长航时、低能耗的特点，主要用于长时侦查监视、特殊环境通信中继，民用市场如灾后搜救、影视航拍等；目前的固定翼无人机多采用弹射起飞、滑道起飞等方式，对场地的需求较大，如果采用投射起飞的方式，则要求固定翼无人机的重量较小，将影响固定翼无人机的负载能力。
无人直升机具有较好的负载能力，但是其能耗较大，飞行高度有限，并且缺乏长航时能力。
多旋翼无人机虽然具备小单位随行、快速反应、快速到达能力，但留空能力普遍薄弱，能够坚持1h留空的机型寥寥，并且多旋翼无人机难以具备足够的负载能力。
因此，目前的无人机，缺乏以下对无人机要求中的一条或数条：
1、小单位随行装备、快速反应、快速到达能力；
2、具备长航程长留空能力；
3、多约束复杂场地起降能力；
4、多功能多场景使用能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种垂直起降固定翼无人机，具有满足上述所有要求的能力。
本发明的技术方案是：一种垂直起降固定翼无人机，包括旋翼、机身、机翼和尾翼；旋翼设在机身的前端；机翼有2个，安装在机身前段的两边；尾翼有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身的尾部；机身包括机身前段和机身后段，机身后段包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段轴连，三个可分离机身段各为机身后段的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段。
进一步的，每个可分离机身段的尾部设有一个尾翼。
进一步的，机翼上具有舵面。
进一步的，旋翼是共轴双旋翼，一台活塞发动机设在机身内，为旋翼提供动力。
进一步的，机身前段底部与机身后段连接端中间设有火箭助推器。
进一步的，飞机起飞时，三个可分离机身段处于张开状态，形成三角支架，无人机利用三角支架垂直立于地面，旋翼转动提升拉力，并且火箭助推器点火，在拉力和推力的合力作用下，无人机完成垂直拉起，进入预设定的高度后，火箭助推器点火停止工作，三个可分离机身段合拢形成机身后段，变成三垂尾布局后机身；然后借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从垂直飞行姿态转换为平飞姿态；飞机进入平飞状态后，旋翼提供前进拉力，实现巡航飞行。
进一步的，飞机降落时，借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从平飞姿态转换为垂直飞行姿态，垂直飞行姿态时旋翼朝上，尾翼朝下，然后旋翼转动提升拉力保证无人机处于安全的降落速度区间内；当无人机降落到预设的高度后，三个可分离机身段张开形成三角支架，待无人机降落至地面后，旋翼停止工作。
进一步的，三个可分离机身段的张开和收拢由驱动装置完成，驱动装置包活动杆、三套连杆机构和卡环，活动杆穿过卡环中心孔并与卡环滑动连接，活动杆的端头设有三角接头，三套连杆机构一端分别与三角接头的三个边轴连，另一边分别与三个可分离机身段的上部内侧轴连，三个可分离机身段的顶部分别再与卡环轴连；卡环固定设在机身前段的底部。该结构只需要控制驱动装置的活动杆推动或收回，就能够控制三个可分离机身段同时的张开和收拢，保证机构的一致性，当活动杆收回时，三套连杆机构同时向内运动，将三个可分离机身段收拢，当活动杆推出时，活动杆同时向外运动将三个可分离机身段张开。
本发明的优点是：
1、本飞行器方案摒弃了常规的“4+1”、倾转和多发系统，创新性地采用了推力较小的单发系统，并在起飞阶段辅以火箭助推保证起飞推力。着陆时因为燃料已经消耗，仅靠发动机即可实现垂直起降。小推力的动力系统允许专门为了巡航进行优化设计，避免了“大马拉小车”的浪费。
2、同样为了提高巡航效率，本方案创新性地将起落架与后机身合二为一，形成了花瓣式可张合多功能机尾。因此，全机在巡航时完全是一架常规固定翼飞机的外形，没有任务多余突出物。这不仅节省了起落装置结构重量，其头朝上的垂直姿态也无需配备复杂而沉重的动力系统倾转装置。
3、动力系统采用单发共轴反桨，在保证推力的同时，有效减小了桨盘直径，在收纳时具有更小的空间需求。同时，共轴反桨可有效抵消螺旋桨反力矩，消除单旋翼构型的的滚转和双旋翼构型的控制耦合。此外，小的桨盘直径减小了螺旋桨滑流对机翼的影响面积，保证了机翼的巡航气动效率。
4、为减小垂直起降时的迎风面，花瓣式可张合多功能机尾在张开时，将每瓣的两侧向下折起，减小了迎风面积，降低了滑流带来的气动阻力。
附图说明
图1是本发明无人机巡航状态侧视图；
图2是本发明无人机巡航状态主视图；
图3是本发明无人机巡航状态俯视图；
图4是本发明无人机垂直起降状态主视图；
图5是本发明可分离机身段驱动装置示意图；
其中，1—旋翼，2—机身，2-1—机身前段，2-2—机身后段，3—机翼，4—尾翼。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
一种垂直起降固定翼无人机，包括旋翼1、机身2、机翼3和尾翼4；旋翼设在机身的前端；机翼3有2个，安装在机身2前段的两边；尾翼4有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身2的尾部；机身2包括机身前段2-1和机身后段2-2，机身后段2-2包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段2-1轴连，三个可分离机身段各为机身后段2-2的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段2-2。
每个可分离机身段的尾部设有一个尾翼4。
机翼3上具有舵面。
旋翼1是共轴双旋翼，一台活塞发动机设在机身内，为旋翼1提供动力。
机身前段2-1底部与机身后段2-2连接端中间设有火箭助推器。
飞机起飞时，三个可分离机身段处于张开状态，形成三角支架，无人机利用三角支架垂直立于地面，旋翼转动提升拉力，并且火箭助推器点火，在拉力和推力的合力作用下，无人机完成垂直拉起，进入预设定的高度后，火箭助推器点火停止工作，三个可分离机身段合拢形成机身后段，变成三垂尾布局后机身；然后借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从垂直飞行姿态转换为平飞姿态；飞机进入平飞状态后，旋翼提供前进拉力，实现巡航飞行。
飞机降落时，借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从平飞姿态转换为垂直飞行姿态，垂直飞行姿态时旋翼朝上，尾翼朝下，然后旋翼转动提升拉力保证无人机处于安全的降落速度区间内；当无人机降落到预设的高度后，三个可分离机身段张开形成三角支架，待无人机降落至地面后，旋翼停止工作。
三个可分离机身段的张开和收拢由驱动装置完成，驱动装置包活动杆、三套连杆机构和卡环，活动杆穿过卡环中心孔并与卡环滑动连接，活动杆的端头设有三角接头，三套连杆机构一端分别与三角接头的三个边轴连，另一边分别与三个可分离机身段的上部内侧轴连，三个可分离机身段的顶部分别再与卡环轴连；卡环固定设在机身前段2-1的底部。该结构只需要控制驱动装置的活动杆推动或收回，就能够控制三个可分离机身段同时的张开和收拢，保证机构的一致性，当活动杆收回时，三套连杆机构同时向内运动，将三个可分离机身段收拢，当活动杆推出时，活动杆同时向外运动将三个可分离机身段张开。
下面结合附图说明本发明另一个实施例。
本申请的垂直起降固定翼无人机采用变体多构型设计，分为垂直起降花瓣构型(即机身后段张开时的构型，下文同)和平飞常规布局构型。全机由旋翼、机身、机翼和尾翼组成，一台活塞发动机布置于机身内，共轴双旋翼布置与机身头部，双旋翼反向旋转以消除旋翼产生的旋转力矩。尾翼采用Y字形三翼面，间隔120°布局形式。
当垂直起降无人机垂直起飞、着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈直升机飞行状态。无人机采用串列异构双动力系统起飞技术，即垂直起飞时，活塞发动机驱动旋翼提供拉力，同时机身底部火箭助推器点火，提供推力，在拉力和推力的合力作用下，无人机完成垂直拉起。火箭助推器在无人机进入特定高度后脱离，花瓣状后机身收拢为三垂尾布局后机身。借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，实现从垂直飞行姿态向平飞姿态的转换。飞机进入平飞状态后，旋翼提供前进拉力，实现巡航飞行。方案三视图如图1至图4所示。
本申请的无人机参数可以如下设计：
Figure BDA0002856830260000051
其中，机翼采用平直翼，每侧机翼设有两块操纵面，从翼根到翼尖分别为内侧副翼和外侧副翼。机翼的主要参数如下所示：
Figure BDA0002856830260000052
Figure BDA0002856830260000061
尾翼由三副翼面组成，间隔120°布置，单个翼面布置有一块操纵面。
由于总体布局仍然与固定翼飞机很相似，因此机翼、前机身仍然采用常规固定翼飞机的结构形式。
与常规固定翼飞机不同的是，由于起落时为垂直向上的姿态，全机的着陆过载与常规固定翼飞机有所不同，需要在纵向具有较强的传递载荷的结构。起飞助推火箭的推力也要通过高效合理的结构将载荷分散到机体上。此外，为了实现集装箱运输，需要在机身中部布置设计分离面，并设计相应的快装快拆对接结构。后机身花瓣式结构是全机较为特殊的结构，在作为气动外形的同时，还要承受较大的全机着陆过载，而且跨度长，弯矩大，需要进行重点优化，确保后体重量不超指标，实现全机重心的配平。
本申请的无人机的机身后段张开和收拢所使用的机构方案如下：
本方案主要包含两大主要特殊机构：(1)设计分离面快装快拆锁机构；(2)花瓣式多联动张合机构。
对于设计分离面快装快拆锁机构，可采用成熟的筒体对接锁定机构，在满足承载能力、拆装时间、重量指标的前提下，尽量不凸出机身外形。
花瓣式后体由一个作动器驱动，通过3套并联的连杆机构驱动3片花瓣打开。同时，花瓣内部的联动机构驱动每片花瓣的两侧同步收起或打开，这个动作不需要额外的作动器。在机构适当的节点加入弹簧环节，使花瓣在接地时具有良好的缓冲性能，并扩大支撑三角架的张角，提高地面状态的稳定性。这个弹簧环节在起飞时也可快速将花瓣收拢到小角度，使尾翼处于滑流内部，实现有效的姿态控制。如图5所示。

Claims (8)

1.一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，包括旋翼(1)、机身(2)、机翼(3)和尾翼(4)；旋翼设在机身的前端；机翼(3)有2个，安装在机身(2)前段的两边；尾翼(4)有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身(2)的尾部；机身(2)包括机身前段(2-1)和机身后段(2-2)，机身后段(2-2)包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段(2-1)轴连，三个可分离机身段各为机身后段(2-2)的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段(2-2)。
2.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，每个可分离机身段的尾部设有一个尾翼(4)。
3.根据权利要求2所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，机翼(3)上具有舵面。
4.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，旋翼(1)是共轴双旋翼，一台活塞发动机设在机身内，为旋翼(1)提供动力。
5.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，机身前段(2-1)底部与机身后段(2-2)连接端中间设有火箭助推器。
6.根据权利要求5所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，飞机起飞时，三个可分离机身段处于张开状态，形成三角支架，无人机利用三角支架垂直立于地面，旋翼转动提升拉力，并且火箭助推器点火，在拉力和推力的合力作用下，无人机完成垂直拉起，进入预设定的高度后，火箭助推器点火停止工作，三个可分离机身段合拢形成机身后段，变成三垂尾布局后机身；然后借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从垂直飞行姿态转换为平飞姿态；飞机进入平飞状态后，旋翼提供前进拉力，实现巡航飞行。
7.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，飞机降落时，借助旋翼滑流影响，通过舵面偏转，让无人机从平飞姿态转换为垂直飞行姿态，垂直飞行姿态时旋翼朝上，尾翼朝下，然后旋翼转动提升拉力保证无人机处于安全的降落速度区间内；当无人机降落到预设的高度后，三个可分离机身段张开形成三角支架，待无人机降落至地面后，旋翼停止工作。
8.根据权利要求1所述的一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，三个可分离机身段的张开和收拢由驱动装置完成，驱动装置包活动杆、三套连杆机构和卡环，活动杆穿过卡环中心孔并与卡环滑动连接，活动杆的端头设有三角接头，三套连杆机构一端分别与三角接头的三个边轴连，另一边分别与三个可分离机身段的上部内侧轴连，三个可分离机身段的顶部分别再与卡环轴连；卡环固定设在机身前段(2-1)的底部。该结构只需要控制驱动装置的活动杆推动或收回，就能够控制三个可分离机身段同时的张开和收拢，保证机构的一致性，当活动杆收回时，三套连杆机构同时向内运动，将三个可分离机身段收拢，当活动杆推出时，活动杆同时向外运动将三个可分离机身段张开。
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