CN113022846A - 一种混合模式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合模式飞行器，在起飞阶段采用旋翼模式进行快速垂直起飞，再切换到联翼模式向目标区域进行快速移动，到目标区域后切换到飞艇模式进行长时间巡航与任务执行，执行完任务后切换回联翼模式快速返航，最后切换为旋翼模式进行降落回收。本发明的飞行器具备更长时间的任务执行能力和多样化任务执行能力，同时具备航速快航程远、留空时长、垂直起降、悬停以及载重大等优点。

Description

一种混合模式飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种旋翼模式、联翼模式与飞艇模式结合的混合模式飞行器。

背景技术

飞艇是一种轻于空气的航空器，它与热气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。飞艇由巨大的流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体（有氢气或氦气）借以产生浮力使飞艇升空。吊舱供人员乘坐和装载货物。尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。大型民用飞艇还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。

另一方面，联翼布局通常由前后相连的机翼构成，后掠的前翼和前掠的后翼组成菱形的框架机翼，后翼一般较前翼位置更高，通常也与垂直尾翼相连。因此机翼间上下的布局会有较大的空间。同时，联翼布局较常规布局有较高的抗弯扭强度，有利于减轻结构重量。也减小了诱导阻力，使得阻力系数低，升阻比较高。十分适合作为高空高速飞机的气动布局设计。

专利CN208515801U是一种带有前翼的浮重平衡飞艇，公开了带有前翼的浮重平衡飞艇，包括艇体、前翼、水平尾翼、垂直尾翼，艇体前部的两侧对称设置有前翼，艇体后部的两侧对称设置有水平尾翼，艇体包括主囊和侧囊，两个侧囊中间设置有主囊，主囊头部突出于两侧的侧囊头部，且主囊水平位置高于两侧的侧囊，侧囊尾部上部设置有垂直尾翼，前翼和水平尾翼均对称设置在侧囊的水平子午线两侧根据飞艇的浮力变化，来控制前翼的舵偏角，调整飞艇的俯仰角、矢量控制动力装置等综合有效地去解决平流层飞艇因氦温差引起的浮重平衡问题，是一个飞艇模式的典型布局。

专利CN103552682A是一种飞翼与前掠翼联翼布局飞机，在后掠翼的飞翼飞机的两侧机翼外侧70%翼展处添加薄翼型立柱，在飞翼飞机尾部添加薄翼型立柱，在三个薄翼型立柱的顶端添加水平前掠机翼，形成飞翼与前掠翼联翼布局，是典型的联翼布局固定翼飞行器。

飞艇模式，联翼模式，旋翼模式在长时间巡航，快速飞机机动和垂直起降方面各有其优异性。但相应地，若一种飞行器只具有其一的模式，其较为单一的气动特性和受力特性导致其很难在快速运动，灵敏机动，长时间巡航、垂直起降等方面都获得优异的性能。具体来说飞艇模式由于其大体积的气囊实现了密度小于空气，可以大幅减少克服重力而提供的能量，以此大幅提高空中滞留时间，但由于其气囊的存在，其就很难在空中进行快速机动。联翼模式可以实现飞行器在空中的以较高升阻比的固定翼飞行，可以有固定翼的高机动性和快速性的优势，但其由于要克服重力和阻力，且有最低速度的限制，不能执行长时间的低速巡航、监测任务。而旋翼机能较好实现垂直起降，但由于其靠旋翼复合运动实现对重力、阻力的克服和姿态的稳定，因此耗能较大，不具有长时间执行任务的优势。

发明内容

为了解决飞行器在垂直起降、快速机动和长时间巡航间的矛盾问题，本发明提出一种旋翼模式、联翼模式与飞艇模式结合的飞行器，综合利用联翼布局，飞艇模式和旋翼布局的优点，通过在不同模式间的切换实现其在不同阶段的优势状态本发明的具体技术方案如下：

一种混合模式飞行器，包括机体，机翼，副翼，连接翼，水平尾翼，升降舵垂直尾翼，方向舵，中央翼盒，舵机，电机，旋翼，气囊，起降连接支架；其中，

所述机体的内部形成椭圆体空间，所述气囊能够在此空间内展开；在所述机体下方中部靠前布置所述中央翼盒，在所述中央翼盒处沿中轴线对称布置所述起降连接支架；

在所述中央翼盒左右两侧各固连机翼，所述机翼外段靠近翼梢处安装副翼，中部前侧安装所述舵机，最外侧通过所述连接翼与所述水平尾翼相连，所述水平尾翼内段靠近翼根处安装所述升降舵，外段靠近翼梢处安装所述舵机；

一对垂直尾翼分别固连在机尾的上部和下部，在一对垂直尾翼的后部均设置所述方向舵，机尾下部的所述垂直尾翼末端设置滑橇，与所述起降连接支架形成后三点式起落架布局；

所述舵机与所述电机连接安装，所述旋翼安装在所述电机上，二者组成推进装置，即左右两侧的所述机翼上和左右两侧的水平尾翼上共四个推进装置，其中，同一列的两个推进装置的所述电机的转向相反且所述旋翼的桨叶的桨距相反，同一行的两个推进装置的所述电机的转向相反且所述旋翼的桨叶的桨距相反，保证其产生的扭矩能够抵消，所述舵机沿飞行器水平横向轴旋转，实现推进装置产生沿机身轴向向前或向上的推力。

优选地，所述机体由水平椭圆环和垂直椭圆环构成，两个椭圆环相互垂直，分别在两个椭圆环的长轴端点即机头和机尾处固连，内部形成椭圆体空间，在飞行器转换为飞艇模式时所述气囊在此空间内展开；在垂直椭圆环下方中部靠前布置所述中央翼盒。

优选地，从机头到机尾设置气囊牵引索，在所述气囊牵引索上设置能够沿其运动的气囊牵引头，在机头内侧安装收纳壳，内部用于放置未充气的所述气囊，所述气囊两端分别与所述收纳壳和所述气囊牵引头固连，当所述气囊牵引头从机头向机尾运动时，气囊被展开，再由储气系统进行充气后使用。

优选地，所述中央翼盒内部装载控制系统、电池、储气系统，所述控制系统用于飞行控制与地面通信，所述电池用于供电，所述储气系统存储高压氦气，用于对所述气囊充放气，控制所述气囊内的气体量。

优选地，所述飞行器还包括垂直椭圆环上部沿机头到机尾依次布置承力架，所述承力架能够根据飞行模式进行展开和收缩，收缩状态下所有承力架尺寸相同，展开状态下所有承力架形成鱼骨状的气囊承力结构，将飞艇模式下所述气囊产生的浮力传递给整个飞行器。

优选地，在机头下侧安装载荷系统，根据任务需求加装对应的设备。

优选地，所述机翼具有后掠角和上反角，所述水平尾翼具有前掠角和下反角，所述机翼、所述水平尾翼和所述连接翼形成的联翼布局有空间能够使所述气囊完全展开。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的飞行器可以在旋翼模式、联翼模式与飞艇模式间切换，具体来说，在起飞阶段采用旋翼模式进行快速垂直起飞，再切换到联翼模式向目标区域进行快速移动，到目标区域后切换到飞艇模式进行长时间巡航与任务执行，执行完任务后切换回联翼模式快速返航，最后切换为旋翼模式进行降落回收。

2.本发明的飞行器具备更长时间的任务执行能力和多样化任务执行能力，同时具备航速快航程远、留空时长、垂直起降、悬停以及载重大等优点，是一种符合飞行器构型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明飞行器的飞艇模式立体示意图；

图2为本发明飞行器的联翼模式立体示意图；

图3为本发明飞行器的旋翼模式立体示意图；

图4为本发明飞行器的飞艇模式局部剖视立体示意图；

图5为本发明飞行器的联翼模式局部剖视立体示意图。

图中：1-机体，2-机翼，3-副翼，4-连接翼，5-水平尾翼，6-升降舵，7-第一垂直尾翼，8-第二垂直尾翼，9-方向舵，10-中央翼盒，11-舵机，12-电机，13-旋翼，14-收纳壳，15-气囊牵引索，16-气囊牵引头，17-气囊，18-第一承力架，19-第二承力架，20-第三承力架，21-第四承力架，22-第五承力架，23-起降连接支架，24-载荷系统，25-控制系统，26-电池，27-储气系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-3所示，一种混合模式飞行器，包括机体1，机翼2，副翼3，连接翼4，水平尾翼5，升降舵6，第一垂直尾翼7，第二垂直尾翼8，方向舵9，中央翼盒10，舵机11，电机12，旋翼13，气囊17，起降连接支架23；其中，

机体1的内部形成椭圆体空间，在飞行器转换为飞艇模式时气囊17在此空间内展开；在机体1下方中部靠前布置中央翼盒10，在中央翼盒10处沿中轴线对称布置起降连接支架23；

在中央翼盒10左右两侧各固连机翼2，机翼2外段靠近翼梢处安装副翼3，中部前侧安装舵机11，最外侧通过连接翼4与水平尾翼5相连，水平尾翼5内段靠近翼根处安装升降舵6，外段靠近翼梢的位置安装舵机11；

在机尾上部固连第一垂直尾翼7，第一垂直尾翼7后部设置方向舵9，在机尾下部固连第二垂直尾翼8，第二垂直尾翼8后部也设置方向舵9，第二垂直尾翼8末端设置滑橇，与起降连接支架23形成后三点式起落架布局；

在中央翼盒10内布置储气系统27，用于对气囊17充放气，控制气囊17内的气体量；

舵机11与电机12连接安装，旋翼13安装在电机12上，二者组成推进装置，即左右两侧的机翼2上和左右两侧的水平尾翼5上共四个推进装置，其中，同一列的两个推进装置的电机12的转向相反且旋翼13的桨叶的桨距相反，同一行的两个推进装置的电机12的转向相反且旋翼13的桨叶的桨距相反，保证其产生的扭矩能够抵消，舵机11沿飞行器水平横向轴旋转，实现推进装置产生沿机身轴向向前或向上的推力。

在一些实施方式中，机体1由水平椭圆环和垂直椭圆环构成，两个椭圆环相互垂直，分别在两个椭圆环的长轴端点即机头和机尾处固连，内部形成椭圆体空间，在飞行器转换为飞艇模式时气囊17在此空间内展开，其中，垂直椭圆环截面较大，进行主要的受力与传导，水平椭圆环截面较小，用以约束展开气囊17；在垂直椭圆环下方中部靠前布置中央翼盒10，外部进行光滑整流布置。

在一些实施方式中，从机头到机尾设置气囊牵引索15，在气囊牵引索15上设置能够沿其运动的气囊牵引头16，在机头内侧安装收纳壳14，内部用于放置未充气的气囊17，气囊17两端分别与收纳壳14和气囊牵引头16固连，当气囊牵引头16从机头向机尾运动时，气囊被展开，再由储气系统27进行充气后使用。

在一些实施方式中，中央翼盒10内部装载控制系统25、电池26、储气系统27，控制系统25用于飞行控制与地面通信，电池26用于供电，储气系统27存储高压氦气，对气囊17进行充放气操作，控制气囊17内的气体量，进一步控制飞行器密度。

在一些实施方式中，飞行器还包括垂直椭圆环上部沿机头到机尾依次布置承力架，承力架能够根据飞行模式进行展开和收缩，收缩状态下所有承力架尺寸相同，展开状态下所有承力架形成鱼骨状的气囊承力结构，将飞艇模式下气囊17产生的浮力传递给整个飞行器。

如图1和图2所示，图中，第一承力架18，第二承力架19，第三承力架20，第四承力架21，第五承力架22都能够根据飞行模式展开和收缩，收缩状态下各个承力架尺寸相同，展开状态下，第一承力架18和第五承力架22展开长度相同，第二承力架19和第四承力架21展开长度相同，大于第一承力架18和第五承力架22的展开长度，第三承力架20的展开长度最长；最终形成类鱼骨的气囊承力结构，将飞艇模式下气囊17产生的浮力传递给整个飞行器。

在一些实施方式中，在机头下侧安装载荷系统24，根据任务需求加装对应的设备。

在一些实施方式中，机翼2具有后掠角和上反角，水平尾翼5具有前掠角和下反角，机翼2、水平尾翼5和连接翼4形成的联翼布局有空间能够使气囊17完全展开。

下面分别介绍飞行器的运动模式：

旋翼模式运动过程：四个舵机11将推进装置转向上，旋翼13旋转产生向上的推力克服重力实现飞行器垂直起降，飞行器的姿态控制由四个旋翼13的矢量合成实现，同时，通过扭矩合成和推力合成控制也可以实现飞行器的自旋和水平运动。

联翼模式运动过程：四个舵机11将推进装置转向前，旋翼13旋转产生向前推力克服阻力实现飞行器运动，机翼2产生的升力克服重力实现平衡，飞行器的姿态控制由副翼3、升降舵6和方向舵9控制。

飞艇模式运动过程：四个舵机11将推进装置转向前，旋翼13旋转产生向前推力克服阻力实现飞行器运动，气囊17展开，通过产生的浮力克服重力实现平衡，飞行器的姿态控制由副翼3、升降舵6和方向舵9控制。

不同运动过程之间的转换：

旋翼模式到联翼模式的转换过程：旋翼模式飞行到一定高度后，四个舵机11将推进装置转向前，激活副翼3、升降舵6和方向舵9即可。

联翼模式到飞艇模式的转换过程：气囊牵引头16沿着气囊牵引索15由机头向机尾移动，将气囊17展开，储气系统27进行充气使得气囊17变为预定形体。同时，承力架展开形成类鱼骨的气囊承力结构，使得气囊17产生的浮力得以传递到机体1的框架上。

飞艇模式到联翼模式的转换过程：储气系统27放气使得气囊17变扁，气囊牵引头16沿着气囊牵引索15由机尾向机头移动进行气囊17回收，气囊17收放在收纳壳14中。同时，承力架收缩，使得机体气动外形较为光滑。

联翼模式到旋翼模式的转换过程：联翼模式下将姿态调整稳定，四个舵机11将推进装置转向上，锁定副翼3、升降舵6和方向舵9即可。

飞行任务执行流程：

在起飞阶段采用旋翼模式快速垂直起飞，再切换到联翼模式向目标区域快速移动，到目标区域后切换到飞艇模式进行长时间巡航与任务执行，执行完任务后切换回联翼模式快速返航，最后切换为旋翼模式降落回收。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、 “上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种混合模式飞行器，其特征在于，包括机体（1），机翼（2），副翼（3），连接翼（4），水平尾翼（5），升降舵（6），垂直尾翼，方向舵（9），中央翼盒（10），舵机（11），电机（12），旋翼（13），气囊（17），起降连接支架（23）；其中，

所述机体（1）的内部形成椭圆体空间，所述气囊（17）能够在此空间内展开；在所述机体（1）下方中部靠前布置所述中央翼盒（10），在所述中央翼盒（10）处沿中轴线对称布置所述起降连接支架（23）；

在所述中央翼盒（10）左右两侧各固连机翼（2），所述机翼（2）外段靠近翼梢处安装副翼（3），中部前侧安装所述舵机（11），最外侧通过所述连接翼（4）与所述水平尾翼（5）相连，所述水平尾翼（5）内段靠近翼根处安装所述升降舵（6），外段靠近翼梢处安装所述舵机（11）；

一对垂直尾翼分别固连在机尾的上部和下部，在一对垂直尾翼的后部均设置所述方向舵（9），机尾下部的所述垂直尾翼末端设置滑橇，与所述起降连接支架（23）形成后三点式起落架布局；

所述舵机（11）与所述电机（12）连接安装，所述旋翼（13）安装在所述电机（12）上，二者组成推进装置，即左右两侧的所述机翼（2）上和左右两侧的水平尾翼（5）上共四个推进装置，其中，同一列的两个推进装置的所述电机（12）的转向相反且所述旋翼（13）的桨叶的桨距相反，同一行的两个推进装置的所述电机（12）的转向相反且所述旋翼（13）的桨叶的桨距相反，保证其产生的扭矩能够抵消，所述舵机（11）沿飞行器水平横向轴旋转，实现推进装置产生沿机身轴向向前或向上的推力。

2.根据权利要求1所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，所述机体（1）由水平椭圆环和垂直椭圆环构成，两个椭圆环相互垂直，分别在两个椭圆环的长轴端点即机头和机尾处固连，内部形成椭圆体空间，在飞行器转换为飞艇模式时所述气囊（17）在此空间内展开；在垂直椭圆环下方中部靠前布置所述中央翼盒（10）。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，从机头到机尾设置气囊牵引索（15），在所述气囊牵引索（15）上设置能够沿其运动的气囊牵引头（16），在机头内侧安装收纳壳（14），内部用于放置未充气的所述气囊（17），所述气囊（17）两端分别与所述收纳壳（14）和所述气囊牵引头（16）固连，当所述气囊牵引头（16）从机头向机尾运动时，气囊被展开，再由储气系统（27）进行充气后使用。

4.根据权利要求1或2所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，所述中央翼盒（10）内部装载控制系统（25）、电池（26）、储气系统（27），所述控制系统（25）用于飞行控制与地面通信，所述电池（26）用于供电，所述储气系统（27）存储高压氦气，用于对所述气囊（17）充放气，控制所述气囊（17）内的气体量。

5.根据权利要求2所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括垂直椭圆环上部沿机头到机尾依次布置承力架，所述承力架能够根据飞行模式进行展开和收缩，收缩状态下所有承力架尺寸相同，展开状态下所有承力架形成鱼骨状的气囊承力结构，将飞艇模式下所述气囊（17）产生的浮力传递给整个飞行器。

6.根据权利要求1或2所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，在机头下侧安装载荷系统（24），根据任务需求加装对应的设备。

7.根据权利要求1或2所述的一种混合模式飞行器，其特征在于，所述机翼（2）具有后掠角和上反角，所述水平尾翼（5）具有前掠角和下反角，所述机翼（2）、所述水平尾翼（5）和所述连接翼（4）形成的联翼布局有空间能够使所述气囊（17）完全展开。

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