CN113086170B - 分布式共轴涵道动力系统及包括该系统的飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例公开了分布式共轴涵道动力系统及包括该动力系统的飞行器。该系统的一具体实施方式包括多个并列分布的涵道机翼单元，其中，涵道机翼单元包括涵道主体、第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件，涵道主体用于容纳第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件；第一螺旋桨组件与第二螺旋桨组件共轴设置，第二螺旋桨组件可朝背离第一螺旋桨组件的方向折叠。该实施方式中多个涵道机翼单元沿推力线分布以形成机翼，又因为第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件共轴设置，可以在不增加第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件尺寸的前提下，使桨盘面积增加一倍，进而可以提高桨效。此外，第二螺旋桨组件可折叠的设置，可以减小空气阻力，提高巡航效率。

Description

分布式共轴涵道动力系统及包括该系统的飞行器

技术领域

本公开的实施例涉及飞行设备领域，具体涉及分布式共轴涵道动力系统及包括该系统的飞行器。

背景技术

随着飞行器领域的不断发展，固定翼垂直起降飞行器在起降过程中，对场地要求较低，因此应用场景越来越广泛。相关的固定翼垂直起降飞行器，通常包括机翼和螺旋桨。通过布设到机翼周边的螺旋桨所产生的动力，实现飞行器的升、降和悬停等动作。

相关的飞行器往往通过增加螺旋桨尺寸的方式增加桨盘面积，进而提供更大的动力以及减小飞行器悬停时的功耗。

此外，相关的飞行器选择在机体上分布多个螺旋桨，在巡航过程中，将用于悬停的螺旋桨进行关闭操作，进而减小对巡航过程产生的阻力。

然而，当飞行器采用上述结构时，经常会存在如下技术问题：

第一，在巡航过程中，增大桨盘面积将导致螺旋桨柔度增大，转速变低，进而降低螺旋桨的效率、限制了巡航时的飞行速度。同时也增大了飞行器装载困难和安全性问题。

第二，在巡航过程中，关闭部分悬停用螺旋桨后，该螺旋桨扔会暴露在流场中，同样会给飞行器增加阻力和力矩。

第三，对于垂直起降过程，气流流速较低，传统舵面无法产生足够的动力，及偏航方向的控制力。

发明内容

本公开的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本公开的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

本公开的一些实施例提出了分布式共轴涵道动力系统及包括该系统的飞行器，来解决以上背景技术部分提到的技术问题中的一项或多项。

第一方面，本公开的一些实施例提供了一种分布式共轴涵道动力系统，该动力系统包括多个并列分布的涵道机翼单元，其中，上述涵道机翼单元包括涵道主体、第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件，上述涵道主体用于容纳上述第一螺旋桨组件和上述第二螺旋桨组件；上述第一螺旋桨组件与上述第二螺旋桨组件共轴设置，上述第二螺旋桨组件可朝背离上述第一螺旋桨组件的方向折叠。

第二方面，本公开的一些实施例提供了一种飞行器，包括如第一方面中任一项的分布式共轴涵道动力系统。

本公开的上述各个实施例具有如下有益效果：通过本公开的一些实施例的分布式共轴涵道动力系统，能够在不增加螺旋桨尺寸的情况下，在悬停时提供更大的动力、提升桨效，同时不限制巡航速度。具体来说，造成在巡航阶段，螺旋桨效率低、限制飞行速度的原因在于：为了增大悬停时飞行器的动力，增加了螺旋桨的尺寸以增加桨盘面积。基于此，本公开的一些实施例的分布式共轴涵道动力系统包括多个并列分布的涵道机翼单元。该多个涵道机翼单元沿推力线分布以形成机翼。此外，该涵道机翼单元包括共轴设置的第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件。也因为有了上述多个涵道机翼单元，在悬停过程中，上述每个涵道机翼单元都可以产生动力，因此可以提供稳定的动力。同时，又因为上述第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件共轴设置，可以在不增加第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件尺寸的前提下，使桨盘面积增加一倍。进而避免了由于螺旋桨尺寸过大而限制巡航速度和第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件工作效率的问题，提高了该动力系统的机动能力和可靠性。进一步地，第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件共轴设置，可以有效地降低尾部喷口空气射流的旋度，从而提高了桨效。

此外，通过本公开的一些实施例的分布式共轴涵道动力系统，能够在巡航过程中，降低第二螺旋桨组件产生的阻力，进而提高第一螺旋桨组件的工作效率。具体来说，造成在巡航阶段，被关闭的悬停用螺旋桨会增加巡航阻力的原因在于：上述被关闭的螺旋桨暴露在流场中，会增加阻力和力矩。基于此，本公开的一些实施例的分布式共轴涵道动力系统的第二螺旋桨组件，可朝背离上述第一螺旋桨组件的方向折叠。也因为上述第二螺旋桨组件可折叠的设置，可以使该第二螺旋桨在巡航阶段处于折叠状态。进而使该第二螺旋桨组件可以大幅度地减小暴露在流场中的体积。进而减小了空气阻力，提高桨效。

该第二螺旋桨组件可以在垂直起降阶段同第一螺旋桨组件一同工作，满足大推力需求。而在巡航阶段，第二螺旋桨组件折叠，满足小推力需求。从而在不同的飞行状态，面对不同的需求，提供更佳的推进性能。

附图说明

结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。

图1是根据本公开的分布式共轴涵道动力系统的一些实施例的结构示意图；

图2是根据本公开的涵道机翼单元的一些实施例的结构示意图；

图3是根据本公开的涵道机翼单元的再一些实施例的结构示意图；

图4是根据本公开的第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件的结构示意图；

图5是根据本公开的第二螺旋桨组件的一些实施例的结构示意图；

图6是根据本公开的第二螺旋桨组件折叠状态的一些实施例的结构示意图；

图7是根据本公开的第一控制面组件的一些实施例的结构示意图；

图8是根据本公开的第二控制面组件的一些实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

首先，请参见图1，图1是根据本公开的分布式共轴涵道动力系统的一些实施例的结构示意图。如图1所示，该分布式共轴涵道动力系统包括三个沿推力线分布的涵道机翼单元1。上述三个涵道机翼单元1并列地连接。需要说明的是，虽然图1中是以三个涵道机翼单元1为例进行展示的，但是该动力系统可以包括多个涵道机翼单元1，不同数量的涵道单元拼组可构成不同展弦比的机翼。本领域技术人员可以根据实际情况对该涵道机翼单元1的数量进行调整。但是这种改变并不超出本公开的保护范围。

接下来请参阅图2和图3，图2是根据本公开的涵道机翼单元的一些实施例的结构示意图。图3是根据本公开的涵道机翼单元的再一些实施例的结构示意图。如图2和图3所示，上述涵道机翼单元包括涵道主体11、第一螺旋桨组件12和第二螺旋桨组件13。多个涵道主体11平行地连接而形成上述涵道动力系统的外部结构。作为示例，每个涵道主体的上下表面可以设置成流线型，进而可以减低风阻。可选地，每个上述涵道主体的上下表面可以设置成机翼的形状。如此一来，当每个涵道主体的轴线方向与来流方向存在迎角时，均可以产生升力。从而为该涵道动力系统提供动力。

上述第一螺旋桨组件12和第二螺旋桨组件13设置到上述涵道主体11的空腔中。其中，上述第一螺旋桨组件12朝向行进方向设置。进一步地，上述第一螺旋桨组件12与第二螺旋桨组件13共轴设置。具体而言，上述第一螺旋桨组件12和第二螺旋桨组件13可以通过独立的电机驱动。在工作状态下，上述第一螺旋桨组件12与第二螺旋桨组件13中的第一螺旋桨122(图4中所示)与第二螺旋桨转速132(图4中所示)相同，转向相反，进而能够使桨盘面积增加一倍。从而，可以在不增加第一螺旋桨122和第二螺旋桨132尺寸的前提下，使桨盘面积增加一倍。进而避免了由于螺旋桨尺寸过大限制巡航阶段时的飞行速度，以及第一螺旋桨组件12和第二螺旋桨组件13工作效率的问题，从而提高了该动力系统的机动能力。

接下来请参阅图4并继续参阅图2，图4是根据本公开的第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件的结构示意图。如图2和图4所示，该涵道机翼单元1包括桨轴14，该桨轴14通过支杆(图中未标示)与涵道主体11固定连接。第一螺旋桨组件12与该桨轴14的第一端(图4所示的左端)可转动地连接。第二螺旋桨组件13与该桨轴14的第二端(图4所示的右端)可转动地连接。

具体而言，上述第一螺旋桨组件12可以包括第一桨毂121、第一螺旋桨122和变桨距机构(图中未示出)。上述第一桨毂121设置到桨轴14的第一端。上述第一螺旋桨122通过上述变桨距机构与上述第一桨毂121可调节地连接。在飞行状态下，上述变桨距机构根据飞行阶段调节上述第一螺旋桨的桨距。具体而言，该第一螺旋桨组件可以在飞行器悬停的低速阶段提供升力，在巡航的高速阶段提供小，通过变桨距机构在不同阶段调整桨距，可以使该第一螺旋桨的效率更高，并且满足不同阶段的矛盾需求。从而使该动力系统的推进性能更加合理。

接下来请参阅图5和图6并继续参阅图4。图5是根据本公开的第二螺旋桨组件的一些实施例的结构示意图。图6是根据本公开的第二螺旋桨组件折叠状态的一些实施例的结构示意图。如图4和图5所示，上述第二螺旋桨组件13可以包括设置到上述桨轴14第二端的第二桨毂131和第二螺旋桨132。上述第二螺旋桨132与上述第二桨毂131可折叠地连接。上述第二螺旋桨132能够朝背离上述第一螺旋桨组件12的方向沿上述第二桨毂131的外缘收拢，进而减小空气阻力，优化分布式动力配置，提升推进效率。

具体而言，上述第二桨毂131的外缘从连接端到开放端逐渐靠近轴线，形成曲面。上述第二螺旋桨132的叶背的弧度与第二桨毂的外缘的弧度相适配。从而使第二螺旋桨132在折叠状态下，可以贴合到上述第二桨毂131的外缘。该第二螺旋桨132折叠状态可以参阅图6。在折叠状态下，能够使该第二螺旋桨132大幅度地减小暴露在流场中的体积。进而减小了空气阻力，优化分布式动力配置，提升推进效率。

在工作状态下，当动力系统提供较大动力时，例如垂直起降阶段，第一螺旋桨122和第二螺旋桨132一起工作，在离心力的作用下，第二螺旋桨132展开。在巡航阶段时，第一螺旋桨122继续工作，第二螺旋桨132停止转动，由于第二螺旋桨132与第二桨毂131枢转地连接，因此在气流的作用下，第二螺旋桨132能够折叠到第二桨毂131的曲面，进而形成锥形结构，从而大幅度地减小空气阻力，提升推进效率。

可选地，也可以设置与第二螺旋桨132连接的折叠机构，该折叠机构可以控制第二螺旋桨132向第二桨毂131的开放端旋转。该折叠机构可以是设置在第二桨毂131内部的电磁推杆、活塞等推动构件。该推动构件与第二螺旋桨132连接。通过该推动构件的往复运动，使第二螺旋桨132沿枢转轴转动，进而实现第二螺旋桨132的打开和折叠。

可选地，上述折叠机构还可以是回弹构件。例如弹簧等。在静置状态下，该弹簧连接上述第二螺旋桨132，使该第二螺旋桨处于折叠状态。当动力系统需要提供较大动力时，例如垂直起降阶段，第一螺旋桨122和第二螺旋桨132一起工作，在离心力的作用下，第二螺旋桨132克服弹簧的拉力，从而展开。在巡航阶段时，第二螺旋桨132停止转动，因此在气流的作用以及弹簧的拉力作用下，第二螺旋桨132折叠到第二桨毂131的曲面，进而形成锥形结构。

在一些实施例中，上述涵道机翼单元还包括第一控制面组件(图中未整体标示)和第二控制面组件(图中未整体标示)。其中，上述第一控制面组件和上述第二控制面组件与上述涵道主体枢转地连接，用于调节尾部喷口的截面积和姿态控制力拒。作为示例，上述第一控制面组件和第二控制面组件可以包括挡板和舵机，通过舵机控制挡板的旋转，进而实现调节尾部喷口的截面积以适应飞行速度、高度变化和产生姿态控制力矩的作用。

接下来结合图7和图8对第一控制面组件和第二控制面组件进行说明，图7是根据本公开的第一控制面组件的一些实施例的结构示意图。图8是根据本公开的第二控制面组件的一些实施例的结构示意图。如图7所示，上述第一控制面组件包括第一舵机(图中未示出)、第一枢转支杆152和第一控制面151。其中，上述第一控制面151与上述涵道主体11的第一端(图7中所示的上端)可拆卸地连接。该第一控制面151可以插设到涵道主体11的第一端，或者与涵道主体的第一端接合。上述第一枢转支杆152的一端(图7中所示的上端)与上述第一控制面151固定连接。上述第一枢转支杆的另一端(图7中所示的下端)枢转连接到上述涵道主体11的第二端(图7中所示的下端)。上述第一舵机与上述第一枢转支杆152连接，用于驱动上述第一枢转支杆152带动上述第一控制面151环绕枢转轴转动。

如图8所示，上述第二控制面组件可以包括第二控制面161、第二舵机(图中未示出)和第二枢转支杆162。上述第二控制面161与上述涵道主体11的第二端(图8中所示的下端)可拆卸地连接。上述第二枢转支杆162的一端(图8中所示的下端)与上述第二控制面161固定连接。上述第二枢转支杆162的另一端(图8中所示的上端)枢转连接到上述涵道主体11的第一端(图8所示的上端)。上述第二舵机与上述第二枢转支杆162连接，用于驱动上述第二枢转支杆162带动上述第二控制面161环绕枢转轴转动。

上述第一控制面组件的第一控制面151位于涵道主体11的上端，而第一枢转支杆152是与涵道主体11的下端枢转连接，从而使第一控制面151沿涵道主体11下端的枢转位置转动，这样的安排可以增加控制力臂，进而减小第一舵机的负载。第二控制面组件与第一控制面组件的原理相同，同样是可以增加控制力臂，减小第二舵机的负载，此处不做赘述。

需要说明的是，虽然图7和图8示出的是第一控制面151与涵道主体11的上端可拆卸连接，第二控制面161与涵道主体11的下端可拆卸连接。但这并不是唯一的，第一控制面151也可以与涵道主体11的左端连接，第二控制面161与涵道主体11的右端连接。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。这种改变并不超出本公开的保护范围。

上述技术方案作为本公开的实施例的一个发明点，解决了背景技术提及的技术问题三“对于垂直起降过程，气流流速较低，传统舵面无法产生足够的动力和控制力”。导致传统舵面无法产生足够控制力的原因在于，垂直起降过程中，气流流速较低，外部流场的流速不足以在动力系统上产生足够的动力和控制力。如果解决了上述因素，可以提高对飞行器的控制力和安全性。为了达到这一效果，本公开设置了第一控制面组件和第二控制面组件以提高飞行器的控制力和安全性。上述第一控制面组件、第二控制面组件与涵道主体枢转地连接。在工作状态下，第一控制面、第二控制面可以分别环绕处于涵道主体下方和上方的枢转轴向涵道主体的轴线方向转动，进而减小涵道主体尾部喷口的截面积，从而增加第一螺旋桨、第二螺旋桨产生的推力，即使在外部流场流速不足的情况下，也可以提供更多的动力。同样地，在高速飞行的巡航阶段，通过减小尾部喷口的截面积同样可以产生充足的推进力。

此外，第一控制面和第二控制面还可以同向偏转，如此可以改变涵道主体喷出气流的方向，进而产生姿态控制力拒，进而提高对飞行器的控制力。

根据上述第一控制面、第二控制面安装位置以及偏转方向，所产生的上述姿态控制力矩可以包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。具体而言，当上述第一控制面和第二控制面设置到该涵道主体的上下两端时，通过同向旋转上述第一控制面和第二控制面，可以产生俯仰力矩和竖直方向的滚转力矩。当上述第一控制面和第二控制面设置到该涵道主体的左右两端时，通过同向旋转上述一控制面和第二控制面，可以产生偏航力矩和水平方向的滚转力矩。

同时，通过控制第一控制面和第二控制面的转动，可以改变第一螺旋桨和第二螺旋桨产生动力的方向。进而该动力系统可以产生升力以满足垂直升降阶段需求，和产生推力以满足巡航阶段需求。从而替代了传统的机翼，丰富了该动力系统的功能。

本公开的分布式共轴涵道动力系统，通过将第二桨毂曲面设置，以及将第二螺旋桨的桨背的弧度设置成与第二桨毂的外缘相适配的弧度，从而可以使第二螺旋桨在折叠状态时，收拢到上述第二螺旋桨的曲面外缘上，从而形成流锥曲面，相较于第二螺旋桨张开，可以大幅度低降低空气阻力，从而提高第一螺旋桨的工作效率。

此外，上述第一控制面组件和第二控制面组件与涵道主体枢转地连接。上述第一控制面和第二控制面通过旋转，可以改变涵道主体尾部喷口的截面积和气流喷射方向。从而可以提高飞行动力，使飞行器高速移动，以及增强对飞行器的姿态控制，实现类似副翼和水平尾翼的方向控制的作用。

最后，第一控制面位于涵道主体的第一端，而第一枢转支杆是与涵道主体的第二端枢转连接，从而使第一控制面沿涵道主体第二端的枢转位置转动，这样的安排可以增加控制力臂，进而减小第一舵机的负载。

本公开还提供一种飞行器，包括机身和分布式共轴涵道动力系统。其中，该分布式共轴涵道动力系统是根据本公开的分布式共轴涵道动力系统。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种分布式共轴涵道动力系统，其特征在于，包括多个并列分布的涵道机翼单元，其中，所述涵道机翼单元包括涵道主体、第一螺旋桨组件和第二螺旋桨组件，

所述涵道主体用于容纳所述第一螺旋桨组件和所述第二螺旋桨组件；

所述第一螺旋桨组件与所述第二螺旋桨组件共轴设置，所述第二螺旋桨组件可朝背离所述第一螺旋桨组件的方向折叠，从而形成锥形结构，其中，所述第一螺旋桨组件和所述第二螺旋桨组件通过独立的电机驱动；

其中，所述涵道机翼单元还包括第一控制面组件和第二控制面组件，其中，所述第一控制面组件和所述第二控制面组件与所述涵道主体枢转地连接，用于调节尾部喷口的截面积以及姿态控制力拒；

其中，所述第一控制面组件包括第一舵机、第一枢转支杆和第一控制面，其中，所述第一控制面与所述涵道主体的第一端可拆卸地连接，所述第一枢转支杆的一端与所述第一控制面固定连接，所述第一枢转支杆的另一端枢转连接到所述涵道主体的第二端，所述第一舵机与所述第一枢转支杆连接，用于驱动所述第一枢转支杆带动所述第一控制面环绕枢转轴转动。

2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述第一螺旋桨组件包括第一桨毂、第一螺旋桨和变桨距机构，所述第一桨毂设置到桨轴的第一端，所述第一螺旋桨通过所述变桨距机构与所述第一桨毂可调节地连接，在飞行状态下，所述变桨距机构根据飞行阶段调节所述第一螺旋桨的桨距。

3.根据权利要求2所述的动力系统，其特征在于，所述第二螺旋桨组件包括设置到所述桨轴第二端的第二桨毂和第二螺旋桨，所述第二螺旋桨与所述第二桨毂可折叠地连接，所述第二螺旋桨在折叠状态下，能够沿所述第二桨毂的外缘收拢。

4.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述第二螺旋桨组件还包括折叠机构，所述折叠机构与所述第二螺旋桨连接，用于控制所述第二螺旋桨沿枢转轴向第二桨毂的开放端转动。

5.根据权利要求4所述的动力系统，其特征在于，所述第二桨毂呈曲面设置，所述第二螺旋桨叶背的弧度与所述第二桨毂的外缘弧度相适配。

6.根据权利要求5所述的动力系统，其特征在于，所述第二控制面组件包括第二舵机、第二枢转支杆和第二控制面，其中，所述第二控制面与所述涵道主体的第二端可拆卸地连接，所述第二枢转支杆的一端与所述第二控制面固定连接，所述第二枢转支杆的另一端枢转连接到所述涵道主体的第一端，所述第二舵机与所述第二枢转支杆连接，用于驱动所述第二枢转支杆带动所述第二控制面环绕枢转轴转动。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的动力系统，其特征在于，每个所述涵道主体的上下表面呈翼型。

8.一种飞行器，包括机身，其特征在于，所述飞行器还包括根据权利要求1-7中任一项所述的分布式共轴涵道动力系统。

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