CN113428361B - 一种可分合智能变体垂直起降无人平台及其控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可分合智能变体垂直起降无人平台，其尾座式垂直起降无人母机有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时实现垂直起降与悬停功能，处于固定翼模态时实现平飞巡航功能；翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器，带独立的舵控系统，能够实现垂直起降、巡飞与悬停功能；实现一键分合功能的电磁连接机构包括永磁体和电磁线圈，电磁线圈和永磁体分别设置在尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器上，利用磁极同向相斥异向相吸的原理，通过改变连接构件内电磁线圈的电流方向，实现尾座式垂直起降无人母机和副涵道风扇飞行器的分合。本发明还提出了一种可分合智能变体垂直起降无人平台的控制策略。本发明在合体飞行时可增加平台的推力、速度、机动能力；分散开来可执行单独或协同作战任务。

Description

一种可分合智能变体垂直起降无人平台及其控制策略

技术领域

本发明涉及飞行器变体技术，具体涉及一种可分合智能变体垂直起降无人平台及其控制策略。

背景技术

随着未来武器装备的快速发展和战场攻防态势的演变，单体飞行平台的生存环境将逐渐恶劣，高性能、多用途作战飞行平台将成为主流。从某种意义上来说，研发多用途作战平台，一方面可以提高平台作战能力，增加打击效能、提升战场环境适应性，另一方面可以减少开发各类不同单任务飞机的经费开支。

作为行业发展引领者，美国国防部早在2005年8月8日正式发布了最新版无人机路线图——《无人飞行平台系统路线图2005～2030》，其中明确指出，由于飞机工作环境的恶劣以及对飞机性能的严格要求，所以他们将智能变体飞行平台作为实现目的的首选，希望这种新型的智能变体技术能够在未来战场中，根据不同的作战需求，实施可变形飞行并完成多种任务。

目前，飞行器的变体技术主要有：机翼变后掠角、折叠翼展开、进排气系统调节、变尾喷矢量推力、机鼻变角度、可变翼型智能机翼等。在现役飞行器型号上实现变体技术的案例主要有：在F-15战斗机的进气道上加装形状记忆合金材料和装置，使其随飞行速度改变发动机进气道进气面积、前缘半径和内部管道形状，以提升其动力系统性能，增加作战半径。在F/A-18A飞机上采用AAW技术，使其滚转性能显著提高。在MD-900直升机旋翼中嵌入压电驱动器，随飞行状态光顺地改变叶片外形，明显降低了直升机噪声和振动，并使其性能得到提高。

随着新工艺、新材料、新技术的发展，智能变体技术将广泛应用于未来飞行平台设计中，大幅提高平台的航程、速度、机动能力等性能，并可用于蜂群作战中，彻底改变战场作战模式。但是多体多用途的可分合智能变体飞行平台尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可分合智能变体垂直起降无人平台及其控制策略。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可分合智能变体垂直起降无人平台，包括尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器，实现一键分合功能的电磁连接机构，其中：

所述尾座式垂直起降无人母机，有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时实现垂直起降与悬停功能，处于固定翼模态时实现平飞巡航功能；所述翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器，带独立的舵控系统，能够实现垂直起降、巡飞与悬停功能；所述实现一键分合功能的电磁连接机构，包括永磁体和电磁线圈，电磁线圈和永磁体分别设置在尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器上，利用磁极同向相斥异向相吸的原理，通过改变连接构件内电磁线圈的电流方向，实现尾座式垂直起降无人母机和副涵道风扇飞行器的分合。

进一步的，所述尾座式垂直起降无人母机包括机体、主涵道风扇、舵控系统，其中，机体采用上单翼气动布局，及轻质材料结构设计；主涵道风扇作为平台的主动力，由电机、桨叶、涵道筒壁组成，采用共轴双电机正反桨设计以抵消反扭矩，涵道筒壁沿流向设计成翼型以削弱前缘分离流；舵控系统由舵机及舵面构成，舵面采用箱舵，置于涵道风扇的射流之中，通过偏转舵面实现推力的矢量控制，以改变无人母机的俯仰、航向及横倾姿态。

进一步的，所述可分合副涵道风扇飞行器由副涵道风扇及独立的舵控系统组成，其中，副涵道风扇由电机、桨叶、涵道筒壁组成，采用共轴双电机正反桨设计以抵消反扭矩，涵道筒壁沿流向设计成翼型以削弱前缘分离流；舵控系统由舵机及舵面构成，舵面采用箱舵，置于涵道风扇的射流之中，通过偏转舵面实现推力的矢量控制，在独立飞行时实现飞行器的姿态与位置控制。

进一步的，所述可分合副涵道风扇飞行器加装固定翼及机身，实现平飞巡航功能。

进一步的，所述实现一键分合功能的电磁连接机构，与机翼下方的连接点为凸形鼓包构件，内置有电磁线圈；与副涵道风扇飞行器的连接点为凹形构件，材料为固定磁极的永磁体，当可分合智能变体垂直起降无人平台接到分离指令时，首先将飞行姿态转换为垂直悬停状态，然后改变机翼下方凸形鼓包构件内电磁线圈的电流方向，使其与副涵道风扇飞行器上凹形构件磁极变成同向，产生斥力将副涵道风扇飞行器弹开；同理，当可分合智能变体垂直起降无人平台接到组合指令时，首先使尾座式垂直起降无人母机与副涵道风扇飞行器的空间位置靠近，并使尾座式垂直起降无人母机处于垂直悬停状态，控制副涵道风扇飞行器，调整其位置与姿态，使凹形构件位置接近机翼下方凸形鼓包构件，改变鼓包内线圈电流方向，使连接点双方磁极异向相吸，并锁死。

一种基于所述的可分合智能变体垂直起降无人平台的控制策略，在起降阶段，开启副涵道风扇飞行器的副涵道风扇，利用其推力增量提高平台垂直转平飞的效率，利用其推力矢量增加平台的滚转控制效率，从而提高抗风能力；在巡航阶段，开启副涵道风扇飞行器的副涵道风扇并向下偏转舵面，增加平台的推力及升力，助力尾座式垂直起降无人母机实现平台的变速、大机动突防；在到达任务地点后，根据任务需求，通过一键分合功能使副涵道风扇飞行器分离出去执行单独或协同作战任务；在任务完成后，通过一键分合功能使副涵道风扇飞行器重新组合到尾座式垂直起降无人母机上补充电力，多次重复使用或携带返回。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)以尾座式垂直起降无人机作为平台主体，可实现狭窄地形下的垂直起降，并通过副涵道风扇提高起降阶段的姿态转换效率及抗风性能；2)在巡航阶段，通过涵道风扇与无人母机的组合，增加平台的推力、速度、航程、机动性等性能指标，相应可增加平台的作战半径与突防能力；3)在到达作战任务地点后，涵道风扇可以分离出去执行单独或协同作战任务。并且多个此类平台分散出去的涵道风扇飞行器可构建无人机蜂群，为蜂群作战提供可行的发射回收及部署方案；4)在完成任务后，涵道风扇飞行器可重新组合到无人母机上补充电力，多次重复使用或携带返回，增加战场使用寿命与生存空间。

附图说明

图1是本发明可分合智能变体垂直起降无人平台的示意图。

图2是本发明副涵道风扇的示意图。

图3是本发明电磁连接机构的示意图。

图4是本发明电磁连接机构一键分合的原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明提出一种可分合智能变体垂直起降无人平台，该平台视任务需求可分散成多个小无人飞行器单独执行任务，也可组合在一起增加平台整体的航程、速度、机动性等性能。

如图1所示，可分合智能变体垂直起降无人平台，包括尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器、实现一键分合功能的电磁连接机构。尾座式垂直起降无人母机在飞行时可处于旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时可实现垂直起降与悬停等功能；处于固定翼模态时，可实现平飞巡航等功能。翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器带独立的舵控系统，脱离母机时，以类似多旋翼的倾斜姿态飞行，也可实现悬停与垂直起降功能。由于无人母机与副涵道风扇飞行器都可处于垂直悬停模态，相较于高速飞行的仅有固定翼模态的平台，在悬停模态下设计电磁连接机构实现一键分合功能具有较大的优势与可行性。通过增加翼下连接点、减小挂载的飞行器体积，可使本平台实现更多飞行器组合，还可将副涵道风扇飞行器改成带固定翼的涵道风扇飞行器，使其执行作战任务时可实现平飞功能。

所述尾座式垂直起降无人母机由机体、主涵道风扇、舵控系统构成。其中，机体采用上单翼气动布局，机翼及机身用轻质材料制成，尽量控制总重。主涵道风扇作为平台的主动力，由电机、桨叶、涵道筒壁组成，其电机及桨叶视动力需求选择，为抵消反扭矩，通常采用共轴双电机正反桨设计；为减少前缘的分离流，涵道筒壁沿流向设计成翼型。舵控系统由舵机及舵面构成，舵面置于涵道风扇的射流之中，为增加舵效，通常采用箱舵，通过偏转舵面，可以控制飞机俯仰、航向及横倾姿态。

所述可分合副涵道风扇飞行器挂在翼下位置，带独立的舵控系统，其设计原理与主涵道风扇类似。当副涵道风扇与平台组合时，可增加平台的推力及机动性，当脱离平台主体时可作为飞行器单独或协同执行任务。

所述实现一键分合功能的电磁连接机构采用电磁学原理设计，机翼下方连接点为凸形鼓包构件，内置有电磁线圈，副涵道风扇连接点为凹形构件，材料为固定磁极的永磁体。当平台以组合体方式飞行时，凸形鼓包构件与凹形构件磁极异向，相当于一个电磁锁，磁力大小视具体需求设计。当智能变体平台接到分离指令时，首先将飞行姿态转换为垂直悬停状态，然后改变机翼下方凸形鼓包构件内电磁线圈的电流方向，使其与副涵道风扇上凹形构件磁极变成同向，产生斥力将副涵道风扇弹开；同理，当智能变体平台接到组合指令时，首先使母机与副涵道风扇飞行器的空间位置大致靠近，并使母机平台处于垂直悬停状态，控制副涵道风扇飞行器，精细调整其位置与姿态，使凹形构件位置接近母机机翼下方凸形鼓包构件，改变鼓包内线圈电流方向，使连接点双方磁极异向相吸，并锁死。

综上所述，上述可分合智能变体垂直起降无人平台中，副涵道风扇可以在平台合体飞行时增加平台的推力、速度、机动能力等性能；无人母机可以利用其垂直起降的长航程优势，携带短航程的副涵道风扇飞行器至指定任务区域，分散开来执行单独或协同作战任务，为未来战场上的蜂群作战提供可行的发射回收及部署方案。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种可分合智能变体垂直起降无人平台，其特征在于，包括尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器，实现一键分合功能的电磁连接机构，其中：

所述尾座式垂直起降无人母机，有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时实现垂直起降与悬停功能，处于固定翼模态时实现平飞巡航功能；所述翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器，带独立的舵控系统，能够实现垂直起降、巡飞与悬停功能；所述实现一键分合功能的电磁连接机构，包括永磁体和电磁线圈，电磁线圈和永磁体分别设置在尾座式垂直起降无人母机、翼下挂载的可分合副涵道风扇飞行器上，利用磁极同向相斥异向相吸的原理，通过改变连接构件内电磁线圈的电流方向，实现尾座式垂直起降无人母机和副涵道风扇飞行器的分合；

所述实现一键分合功能的电磁连接机构，与机翼下方的连接点为凸形鼓包构件，内置有电磁线圈；与副涵道风扇飞行器的连接点为凹形构件，材料为固定磁极的永磁体，当可分合智能变体垂直起降无人平台接到分离指令时，首先将飞行姿态转换为垂直悬停状态，然后改变机翼下方凸形鼓包构件内电磁线圈的电流方向，使其与副涵道风扇飞行器上凹形构件磁极变成同向，产生斥力将副涵道风扇飞行器弹开；同理，当可分合智能变体垂直起降无人平台接到组合指令时，首先使尾座式垂直起降无人母机与副涵道风扇飞行器的空间位置靠近，并使尾座式垂直起降无人母机处于垂直悬停状态，控制副涵道风扇飞行器，调整其位置与姿态，使凹形构件位置接近机翼下方凸形鼓包构件，改变鼓包内线圈电流方向，使连接点双方磁极异向相吸，并锁死。

2.根据权利要求1所述的可分合智能变体垂直起降无人平台，其特征在于，所述尾座式垂直起降无人母机包括机体、主涵道风扇、舵控系统，其中，机体采用上单翼气动布局，及轻质材料结构设计；主涵道风扇作为平台的主动力，由电机、桨叶、涵道筒壁组成，采用共轴双电机正反桨设计以抵消反扭矩，涵道筒壁沿流向设计成翼型以削弱前缘分离流；舵控系统由舵机及舵面构成，舵面采用箱舵，置于涵道风扇的射流之中，通过偏转舵面实现推力的矢量控制，以改变无人母机的俯仰、航向及横倾姿态。

3.根据权利要求1所述的可分合智能变体垂直起降无人平台，其特征在于，所述可分合副涵道风扇飞行器由副涵道风扇及独立的舵控系统组成，其中，副涵道风扇由电机、桨叶、涵道筒壁组成，采用共轴双电机正反桨设计以抵消反扭矩，涵道筒壁沿流向设计成翼型以削弱前缘分离流；舵控系统由舵机及舵面构成，舵面采用箱舵，置于涵道风扇的射流之中，通过偏转舵面实现推力的矢量控制，在独立飞行时实现飞行器的姿态与位置控制。

4.根据权利要求1所述的可分合智能变体垂直起降无人平台，其特征在于，所述可分合副涵道风扇飞行器加装固定翼及机身，实现平飞巡航功能。

5.基于权利要求1-4任一项所述的可分合智能变体垂直起降无人平台的控制策略，其特征在于：在起降阶段，开启副涵道风扇飞行器的副涵道风扇，利用其推力增量提高平台垂直转平飞的效率，利用其推力矢量增加平台的滚转控制效率，从而提高抗风能力；在巡航阶段，开启副涵道风扇飞行器的副涵道风扇并向下偏转舵面，增加平台的推力及升力，助力尾座式垂直起降无人母机实现平台的变速、大机动突防；在到达任务地点后，根据任务需求，通过一键分合功能使副涵道风扇飞行器分离出去执行单独或协同作战任务；在任务完成后，通过一键分合功能使副涵道风扇飞行器重新组合到尾座式垂直起降无人母机上补充电力，多次重复使用或携带返回。

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