CN113401341A - 一种加装双尾推的高速共轴无人直升机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，包括主机身以及尾推，主机身上设有共轴双旋翼，且采用半差动操纵方式的航向操纵系统；尾推安装在主机身的尾部两侧，呈对称式分布；尾推在无人直升机悬停状态下不工作，当无人直升机从低速过渡到高速飞行状态时，尾推逐渐参与工作，提供推力。本发明通过改善现有共轴双旋翼直升机的结构，加装双尾推，降低了旋翼消耗功率，提高共轴双旋翼无人直升机的飞行速度。

Description

一种加装双尾推的高速共轴无人直升机
技术领域
本发明涉及电动无人直升机技术领域，更具体的说，涉及一种加装双尾推的高速共轴无人直升机。
背景技术
目前主流无人直升机主要包括常规布局单旋翼带尾桨和共轴双旋翼两种形式。共轴式无人直升机具有优良的载重性能，较好的稳定性，因而受到广泛的关注。共轴式无人直升机在航向操纵方式上可分为两种：一种是半差动操纵形式，只通过控制一副旋翼的总距来实现直升机的偏航；另一种是全差动操纵形式，通过控制两副旋翼的总距来实现直升机的偏航。
现有的电动共轴式直升机本身携带有蓄电池，蓄电池中的能源用于共轴式直升机的飞行。共轴式直升机在稳定前飞时，两副反向旋转的旋翼之间存在相互干扰会产生额外的诱导损失，该损失会导致旋翼消耗功率增加，旋翼需要在前飞时要承受更大的气动载荷并且需要较大的俯仰角来维持其稳定前飞。另外，在高速飞行状态下，共轴式无人直升机的主旋翼需要一个较大的俯仰角来维持稳定前飞且需要承受更大的气动载荷，导致主旋翼消耗功率增加，影响飞行速度和品质。
对于共轴式直升机而言，随着前飞速度的增大，前行侧旋翼桨叶的相对气流速度将会越来越大，而后行侧桨叶的相对气流速度将会越来越小。因而相对于桨叶来说，其总的气流方向在前行侧体现为前飞来流速度和桨尖速度之和，后行侧则为前飞来流速度和桨尖速度之差。随着前行侧和后行侧不对称性的增大，气动阻力和振动水平都会显著提升，大大影响了无人直升机的速度。
因此，如何在电动共轴双旋翼无人直升机的基础上进行改进，使其能够适应高速飞行，这是相关领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，使共轴式无人直升机的操纵系统得到简化，减小了直升机废阻，提高了共轴无人直升机的高速飞行能力，提高了直升机结构可靠性，其具体技术方案如下：
一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，包括主机身以及尾推，所述主机身上设有共轴双旋翼，且采用半差动操纵方式的航向操纵系统；所述尾推安装在所述主机身的尾部两侧，呈对称式分布；所述尾推在无人直升机悬停状态下不工作，当无人直升机从低速过渡到高速飞行状态时，所述尾推逐渐参与工作，提供推力。
本发明中的尾推在逐渐增加推力的过程中，无人机俯仰角逐渐变大，旋翼迎角也逐渐变大，旋翼产生的前飞拉力逐渐由水平推力装置替代。当旋翼迎角变为正迎角后，旋翼的需用功率逐渐减小，旋翼逐渐进入自转状态，这种过渡过程相对平稳，没有倾转或停转的复杂机械结构，大大降低控制难点，规避了过渡飞行风险。
同时，尾推提供推力时，会改变高速前飞时无人直升机的俯仰角，使无人机姿态从低头向前变成小角度抬头，降低主旋翼需用功率。
另外，在共轴式无人直升机高速飞行时，半差动操纵系统航向操纵效果会减弱，此时双尾推可以通过调节不同推力，产生偏航扭矩，进而补偿航向操纵。同时随着速度增加，机身也提供部分升力，使共轴式无人直升机主旋翼的拉力得到卸载，进而主旋翼的消耗功率得以降低。也正是因为旋翼的拉力卸载使得旋翼的转速得以降低，从而延缓了旋翼前行侧的气流压缩性问题，直升机因而能够飞得更快。
因此，本发明通过改善现有共轴双旋翼直升机的结构，加装双尾推，降低了旋翼消耗功率，提高共轴双旋翼无人直升机的飞行速度。
优选的，所述主机身呈流线型。
优选的，所述尾推为双推力螺旋桨或双涵道尾桨。
优选的，所述主机身的尾部两侧对称设有短尾翼，所述双推力螺旋桨包括两个推力螺旋桨，所述推力螺旋桨由三片叶片组成，所述推力螺旋桨通过位于三片所述叶片中间的螺旋桨支撑与所述短尾翼转动连接。
优选的，所述双涵道尾桨包括两个涵道尾桨，所述涵道尾桨内设有四片涵道尾桨桨叶，且所述涵道尾桨直接与所述主机身的尾部侧边相连接。
优选的，所述航向操纵系统包括下旋翼总距和周期变距操纵系统、上旋翼总距和周期变距操纵系统；下旋翼总距和周期变距操纵系统位于下旋翼轴上，上旋翼总距和周期变距操纵系统位于上旋翼轴上，两套系统相互独立。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明加装双推力螺旋桨的高速共轴无人直升机轴测图；
图2是本发明加装双推力螺旋桨的高速共轴无人直升机主视图；
图3是本发明加装双推力螺旋桨的高速共轴无人直升机俯视图；
图4是本发明加装双推力螺旋桨的高速共轴无人直升机侧视图；
图5是本发明加装双涵道尾桨的高速共轴无人直升机轴测图；
图6是本发明加装双涵道尾桨的高速共轴无人直升机主视图；
图7是本发明加装双涵道尾桨的高速共轴无人直升机侧视图；
图8是本发明加装双涵道尾桨的高速共轴无人直升机俯视图；
图9是本发明加装双尾推的高速共轴无人直升机操纵简图。
图中：1-主机身，2-共轴双旋翼，3-短尾翼，4-推力螺旋桨，5-螺旋桨支撑，6-涵道尾桨，7-电动共轴，8-上旋翼，9-下旋翼，10-叶片，11-涵道尾桨桨叶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-图9所示，本发明一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，包括主机身1以及尾推，主机身1上设有共轴双旋翼2，且采用半差动操纵方式的航向操纵系统；尾推安装在主机身1的尾部两侧，呈对称式分布；尾推在无人直升机悬停状态下不工作，当无人直升机从低速过渡到高速飞行状态时，尾推逐渐参与工作，提供推力。
本发明中的尾推在逐渐增加推力的过程中，无人机俯仰角逐渐变大，旋翼迎角也逐渐变大，旋翼产生的前飞拉力逐渐由水平推力装置替代。当旋翼迎角变为正迎角后，旋翼的需用功率逐渐减小，旋翼逐渐进入自转状态，这种过渡过程相对平稳，没有倾转或停转的复杂机械结构，大大降低控制难点，规避了过渡飞行风险。并且，尾推提供推力时，会改变高速前飞时无人直升机的俯仰角，使无人机姿态从低头向前变成小角度抬头，来流从旋翼下方吹入尾推桨盘，进入类似自转旋翼状态，提供部分升力，降低了主旋翼需用功率。
同时随着速度增加，机身也提供部分升力，使共轴式无人直升机主旋翼的拉力得到卸载，进而主旋翼的消耗功率得以降低。也正是因为旋翼的拉力卸载使得旋翼的转速得以降低，从而延缓了旋翼前行侧的气流压缩性问题，直升机因而能够飞得更快。
另外，在共轴式无人直升机高速飞行时，半差动操纵系统航向操纵效果会减弱，此时双尾推可以通过调节不同推力，产生偏航扭矩，进而补偿航向操纵。
进一步的，该共轴无人机的主机身1呈流线型，在高速飞行时可以有效减小型阻。
本发明一种加装双尾推的高速共轴无人直升机其尾推部分含有两种方案，分别是在主机身1的尾部加装双推力螺旋桨做尾推以及在主机身1的尾部加装双涵道尾桨做尾推。
具体的，
如图1-图4所示，当以双推力螺旋桨做尾推时，主机身1的尾部两侧对称设有短尾翼3，双推力螺旋桨包括两个推力螺旋桨4，推力螺旋桨4由三片叶片10组成，推力螺旋桨4通过位于三片叶片10中间的螺旋桨支撑5与短尾翼3转动连接。
如图5-图8所示，当以双涵道尾桨做尾推时，双涵道尾桨包括两个涵道尾桨6，涵道尾桨6内设有四片涵道尾桨桨叶11，且涵道尾桨6直接与主机身1的尾部侧边相连接。
推力螺旋桨4或涵道尾桨6在悬停状态下不工作，当共轴直升机从低速过渡到高速飞行状态时，推力螺旋桨4或涵道尾桨6逐渐参与工作。推力螺旋桨4或涵道尾桨6本身可以给共轴直升机提供前飞速度，因此在推力螺旋桨4或涵道尾桨6参与飞行时，无人直升机的俯仰角得到改变，无人机姿态从低头向前变成小角度抬头，这大大降低了主旋翼需用功率。在高速飞行时，半差动操纵系统航向操纵效果会减弱，此时双推力螺旋桨或双涵道尾桨通过调节不同推力，产生偏航扭矩，进而补偿航向操纵。
共轴式无人直升机的主旋翼拉力得到卸载，进而主旋翼的消耗功率得以降低，主旋翼得以节省功率，共轴直升机便可以以较小的俯仰角飞行，型阻减小，提升了共轴直升机的巡航速度。
旋翼的拉力得到卸载从而使旋翼的转速得以降低，进而缓解旋翼前行侧的气流压缩问题，气阻动力和振动水平都将有效降低，直升机因而能够飞得更快。
更进一步的，本发明中涵道尾桨6相比于推力螺旋桨4，安全性会更高。
如图9所示，航向操纵系统包括下旋翼总距和周期变距操纵系统、上旋翼总距和周期变距操纵系统；下旋翼总距和周期变距操纵系统位于下旋翼轴上，上旋翼总距和周期变距操纵系统位于上旋翼轴上，两套系统相互独立。
本发明中，加装双尾推的高速共轴无人直升机属于电动无人机，其航向操纵系统属于半差动操纵方式，操纵系统原理如下：航向操纵舵机通过传动机构与上旋翼变距摇臂相连接，传递航向操纵信号，实现上旋翼8的变距；纵向及横向操纵舵机通过传动机构与倾斜器相连接，实现周期变距，改变无人直升机的纵向及横向姿态。具体结构已在专利号为201510741452.X，专利名称为一种上旋翼半差动航向控制的共轴式无人直升机操纵系统的发明专利中得到了详细的公开，在此便不再进行过多的介绍。
当然，本发明中的半差动航向操纵系统也可让航向操纵舵机通过传动机构与下旋翼变距摇臂相连接，传递航向操纵信号，实现下旋翼9的变距；纵向及横向操纵舵机通过传动机构与倾斜器相连接，实现周期变距，改变无人直升机的纵向及横向姿态。上旋翼8和下旋翼9通过电动共轴7相连接。
本发明中的共轴无人直升机采用共轴双旋翼2布局，且尾推位于无人机尾部，左右对称，整体布局合理，操纵方便。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，包括主机身(1)以及尾推，所述主机身(1)上设有共轴双旋翼(2)，且采用半差动操纵方式的航向操纵系统；所述尾推安装在所述主机身(1)的尾部两侧，呈对称式分布；所述尾推在无人直升机悬停状态下不工作，当无人直升机从低速过渡到高速飞行状态时，所述尾推逐渐参与工作，提供推力。
2.根据权利要求1所述的一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，所述主机身(1)呈流线型。
3.根据权利要求1或2所述的一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，所述尾推为双推力螺旋桨或双涵道尾桨。
4.根据权利要求3所述的一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，所述主机身(1)的尾部两侧对称设有短尾翼(3)，所述双推力螺旋桨包括两个推力螺旋桨(4)，所述推力螺旋桨(4)由三片叶片(10)组成，所述推力螺旋桨(4)通过位于三片所述叶片(10)中间的螺旋桨支撑(5)与所述短尾翼(3)转动连接。
5.根据权利要求3所述的一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，所述双涵道尾桨包括两个涵道尾桨(6)，所述涵道尾桨(6)内设有四片涵道尾桨桨叶(11)，且所述涵道尾桨(6)直接与所述主机身(1)的尾部侧边相连接。
6.根据权利要求1所述的一种加装双尾推的高速共轴无人直升机，其特征在于，所述航向操纵系统包括下旋翼总距和周期变距操纵系统、上旋翼总距和周期变距操纵系统；下旋翼总距和周期变距操纵系统位于下旋翼轴上，上旋翼总距和周期变距操纵系统位于上旋翼轴上，两套系统相互独立。
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