CN113830300A - 一种涵道式飞行器的总体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涵道式飞行器的总体结构，包括上下开口的圆筒状涵道体，架设在涵道体内部的动力装置、止旋装置和舵面调节装置，以及设置在涵道体外部的折叠式机翼；舵面调节装置包括安装架和设置在安装架四周的活动舵面装置，活动舵面装置的数量为四个；安装架的内部设置有四个第一舵机，分别用于驱动四个活动舵面装置；活动舵面装置的外端通过连接架固定在涵道体的内壁上。止旋装置在气流作用下产生扭矩，可抵消螺旋桨旋转的反扭力矩，这种反扭平衡方式具有较高的气动效率和控制裕度；十字形独立控制的活动舵面装置可分别摆动或协同摆动，能够控制垂直起降和水平飞行两种飞行模式下的全部运动，提高了飞行器的操控性能。

Description

一种涵道式飞行器的总体结构

技术领域

本发明涉及飞行器设计领域，尤其涉及一种涵道式飞行器的总体结构。

背景技术

民用无人飞行器是我国民用航空工业继商用飞机和通用飞机之后的又一新兴领域。涵道式飞行器由于自身构型优势具有气动效率高、结构布局紧凑、噪音低、安全性高和环境适用性好等特点，其升力系统通过涵道式构型，将桨叶安置于涵道内部，具有高于同等尺寸空气桨的气动效率。同时，由于其悬停效率高，可以采用较小桨径，因此可有效解决前飞时，因大桨径带来的桨尖马赫数过高的问题。此外，由于涵道的包裹，其使用安全性相较于旋翼裸露在外、高速旋转的多旋翼构型等也大大增强。

现有涵道式飞行器一般采用带有控制舵面的单涵道总体布局或带有机翼的多涵道的总体布局。采用单涵道总体布局的涵道式飞行器，由舵面控制飞行器运动，实现垂直起降和稳定悬停的功能，但水平飞行速度低、功耗高；采用多涵道总体布局的涵道飞行器，由机翼提供升力，实现滑跑起飞和水平飞行的功能，功耗低，但不能垂直起降和稳定悬停。总体布局形式限制了涵道式飞行器的综合飞行能力，制约了涵道式飞行器在民用航空工业的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种涵道式飞行器的总体结构，目的是能够实现垂直起降、稳定悬停、高速低能耗的水平飞行，提升涵道式飞行器的综合飞行能力。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种涵道式飞行器的总体结构，包括

上下开口的圆筒状涵道体，所述涵道体用于支撑整个飞行器；

架设在所述涵道体内部的动力装置和止旋装置；所述动力装置包括电机和设置在所述电机转动轴上的螺旋桨，所述螺旋桨的转动轴线与涵道体的轴线同轴；所述止旋装置设置在螺旋桨的下方；

设置在所述涵道体内部的舵面调节装置，所述舵面调节装置位于止旋装置下方；所述舵面调节装置包括安装架和设置在所述安装架四周的活动舵面装置，所述活动舵面装置的数量为四个，且沿安装架四周均匀分布；所述安装架的内部设置有四个第一舵机，分别用于驱动四个所述活动舵面装置；所述活动舵面装置的外端通过连接架固定在涵道体的内壁上；

和设置在所述涵道体外部的折叠式机翼。

进一步的，所述涵道体上设置有唇口。

再进一步的，所述折叠式机翼与涵道体之间具有间隙，折叠式机翼完全展开后与唇口平齐。

再进一步的，所述止旋装置包括内筒和固定在所述内筒外壁且向四周发散的止旋叶片；所述止旋叶片的末端连接在所述涵道体的内壁上。

再进一步的，所述止旋叶片的末端通过粘接或预埋连接在所述涵道体的内壁上。

再进一步的，所述活动舵面装置包括三个舵面，三个所述舵面通过连杆机构实现联动。

再进一步的，所述折叠式机翼包括至少一组框架结构和与所述框架结构连接的折叠机构，所述框架结构和折叠机构外周包裹一层碳纤维蒙皮；所述框架结构上设置有用于驱动所述折叠机构的第二舵机。

再进一步的，所述折叠式机翼通过倾转机构连接在所述涵道体外部；所述倾转机构包括转轴和第三舵机，所述转轴一端与涵道体固定连接，另一端与所述框架结构可转动连接；所述第三舵机设置在框架结构上用于驱动折叠式机翼相对于转轴发生相对转动。

再进一步的，所述涵道体内部通过支臂连接有安装座，所述电机设置在安装座上。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

本发明的螺旋桨位于涵道体内部，涵道体的头部唇口气流可以提供附加升力，同时避免了螺旋桨桨尖流动分离，提高了悬停状态下的气动效率；

所述止旋叶片在气流作用下产生扭矩，可抵消螺旋桨旋转的反扭力矩，这种反扭平衡方式具有较高的气动效率和控制裕度；

所述十字形独立控制的活动舵面装置可分别摆动或协同摆动，能够控制垂直起降和水平飞行两种飞行模式下的全部运动，提高了飞行器的操控性能；

本发明机翼外侧长度大于涵道体高度，折叠后的机翼可作为飞行器起落架，减少了飞行器的起飞重量，提高了适用性。

本发明具有倾转机构，具有垂直起降和水平飞行的能力，减小了飞行器应用的场地限制，提升了长距离飞行的速度、效率和续航。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明涵道式飞行器总体结构的结构示意图；

图2为本发明的安装座部位的结构示意图；

图3为本发明的螺旋桨部位的结构示意图；

图4为本发明的止旋装置的结构示意图；

图5为本发明的舵面调节装置的结构示意图；

图6为本发明的折叠式机翼和倾转机构的结构示意图。

附图标记说明：1、涵道体；2、支臂；3、螺旋桨；4、电机；5、止旋叶片；6、活动舵面装置；601、舵面；7、蒙皮；8、转轴；9、内筒；10、连接架；11、第一舵机；12、安装架；13、框架结构；14、折叠机构；15、第二舵机；16、第三舵机；17、动力电池；18、安装座；19、唇口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明涵道式飞行器总体布局的结构示意图，如图1所示，主要包括涵道体1，安装在所述涵道体1内部的动力装置、止旋装置和舵面调节装置，以及安装在所述涵道体1外部的折叠式机翼。该发明的主要目的是设计具有垂直起降、稳定悬停、高速低能耗的水平飞行能力的涵道式飞行器总体布局的结构。所述涵道体1为上下开口的具有扩张唇口19的圆筒形涵道，扩张唇口19在气流作用下可为涵道体提供附加升力，从而提升飞行器整体的气动效率。所述涵道体可采用碳纤维材质及夹层结构，涵道体头部向上伸出支臂2，支臂2在涵道体的轴线位置汇聚成安装座，用于安装电机4，具有较高结构强度，如图2所示。

螺旋桨3是涵道式飞行器产生推力的主要部件，该涵道式飞行器具有垂直起降和稳定悬停功能，其升力主要来自螺旋桨推力，故采用自主设计的高设计点升阻比翼型HD50系列。螺旋桨布置于涵道体内头部，采用大桨距，具有至少两片叶片，桨尖与涵道体内壁间隔在5毫米以内，以减小桨尖的流动分离，提升螺旋桨的气动效率，如图3所示。螺旋桨直接通过螺栓连接或螺纹连接安装在电机4上，所述螺旋桨3的转动轴线与涵道体1的轴线同轴，构成动力装置，电机通过螺栓连接在支臂构成的电机安装座上，具有较高的运转稳定性。

止旋叶片5位于涵道体内中部，与螺旋桨的桨盘具有1厘米以上、10厘米以下的间隔，可采用碳纤维材质及夹层结构，由至少四片止旋叶片按照同心圆排布，其转动轴与涵道体轴线同轴，围绕内筒9组成整个止旋装置，止旋叶片外部通过粘接或预埋连接涵道体，如图4所示。止旋叶片具有翼型，在气流作用下产生扭矩，可抵消螺旋桨旋转的反扭力矩，相比于共轴反桨、舵面平衡等其他反扭力矩平衡方式，具有较高的气动效率和控制裕度。

涵道体内尾部安装有舵面调节装置，舵面调节装置采用碳纤维材质。所述舵面调节装置包括安装架12和安装在所述安装架12四周的活动舵面装置6，每组活动舵面装置6由至少一片舵面，本具体实施例中具体包括三片舵面601。四组活动舵面装置6按照十字形排布，外侧通过连接架10连接在涵道体尾部，内侧通过花键连接或螺栓连接安装在第一舵机11输出轴上，第一舵机通过螺栓连接安装在安装架12上，安装架通过螺栓连接安装在止旋装置的内筒下，如图5所示。活动舵面装置由第一舵机直接驱动或通过连杆机构驱动，可分别摆动或协同摆动，能够控制垂直起降和水平飞行两种飞行模式下的全部运动。每组舵面分别摆动，可控制垂直起降模式下的偏航运动，或水平飞行模式下的滚转运动；左右侧舵面协同摆动，可控制垂直起降模式下的前后移动或水平飞行模式下的俯仰运动；前后侧舵面协同摆动，可控制垂直起降模式下的左右移动或水平飞行模式下的偏航运动。十字形独立控制舵面能够采用一套系统，完成两种飞行模式的全部运动，提高了飞行器的操控性能。

折叠式机翼布置在涵道体左右两侧，采用梯形翼面，外缘窄内缘宽，前、后缘中部不闭合，与涵道体有一定间隙，展开后与涵道唇口19平齐，在平飞状态下提供升力。机翼采用覆盖至少一层碳纤维蒙皮7的工艺，内部具有至少一组框架结构13作为蒙皮骨架。机翼外侧长度大于涵道体高度，折叠后的机翼可作为飞行器起落架，减少了飞行器的起飞重量，提高了适用性。机翼下表面与涵道体的唇口重合，每片折叠式机翼放入中段可分开，折叠式机翼的框架结构内安装有折叠机构14，由第二舵机15驱动连杆机构，带动折叠式机翼外侧，以分界处折叠式机翼下表面边缘为轴线旋转，如图6所示。

所述折叠式机翼通过倾转机构连接在所述涵道体1外部，并实现悬停状态与水平飞行状态的转换过程。所述倾转机构包括转轴8和第三舵机16，所述转轴8一端穿过涵道体1通过花键或螺栓连接涵道体头部的电机安装座固定连接，另一端与所述框架结构13可转动连接。第三舵机通过螺栓连接安装在机翼骨架上，倾转机构由第三舵机16驱动连杆机构带动涵道体与折叠式机翼之间的相对转动。第三舵机还带有动力电池17，动力电池17布置在倾转机构的转轴处，重心与轴线重合，以减小转动惯量。通过倾转机构带动相对转动，涵道式飞行器可切换垂直起降和水平飞行的模式，减小了飞行器应用的场地限制，提升了长距离飞行的速度、效率和续航。

本发明提出的涵道式飞行器总体布局提高了悬停状态下的气动效率，具有较高的操控性能，起飞重量小，具有垂直起降和低功耗水平飞行的能力。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：包括

上下开口的圆筒状涵道体(1)，所述涵道体(1)用于支撑整个飞行器；

架设在所述涵道体(1)内部的动力装置和止旋装置；所述动力装置包括电机(4)和设置在所述电机(4)转动轴上的螺旋桨(3)，所述螺旋桨(3)的转动轴线与涵道体(1)的轴线同轴；所述止旋装置设置在螺旋桨(3)的下方；

设置在所述涵道体(1)内部的舵面调节装置，所述舵面调节装置位于止旋装置下方；所述舵面调节装置包括安装架(12)和设置在所述安装架(12)四周的活动舵面装置(6)，所述活动舵面装置(6)的数量为四个，且沿安装架四周均匀分布；所述安装架(12)的内部设置有四个第一舵机(11)，分别用于驱动四个所述活动舵面装置(6)；所述活动舵面装置(6)的外端通过连接架(10)固定在涵道体(1)的内壁上；

和设置在所述涵道体(1)外部的折叠式机翼。

2.根据权利要求1所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述涵道体(1)上设置有唇口(19)。

3.根据权利要求2所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述折叠式机翼与涵道体(1)之间具有间隙，折叠式机翼完全展开后与唇口(19)平齐。

4.根据权利要求1所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述止旋装置包括内筒(9)和固定在所述内筒外壁且向四周发散的止旋叶片(5)；所述止旋叶片(5)的末端连接在所述涵道体(1)的内壁上。

5.根据权利要求4所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述止旋叶片(5)的末端通过粘接或预埋连接在所述涵道体(1)的内壁上。

6.根据权利要求1所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述活动舵面装置(6)包括三个舵面(601)，三个所述舵面(601)通过连杆机构实现联动。

7.根据权利要求1所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述折叠式机翼包括至少一组框架结构(13)和与所述框架结构(13)连接的折叠机构(14)，所述框架结构(13)和折叠机构(14)外周包裹一层碳纤维蒙皮(7)；所述框架结构(13)上设置有用于驱动所述折叠机构(14)的第二舵机(15)。

8.根据权利要求7所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述折叠式机翼通过倾转机构连接在所述涵道体(1)外部；所述倾转机构包括转轴(8)和第三舵机(16)，所述转轴(8)一端与涵道体(1)固定连接，另一端与所述框架结构(13)可转动连接；所述第三舵机(16)设置在框架结构(13)上用于驱动折叠式机翼相对于转轴(8)发生相对转动。

9.根据权利要求1所述的涵道式飞行器的总体结构，其特征在于：所述涵道体(1)内部通过支臂(2)连接有安装座(18)，所述电机(4)设置在安装座(18)上。

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