CN113978717A - 一种倾转涵道电动无人机 - Google Patents
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Abstract
一种倾转涵道电动无人机，其中，机头与机身连接，机身前端左右对称设置有机翼，机身后端左右对称设置有水平尾翼，并在每个所述机翼的翼尖处设置有转动组件，转动组件包括阻尼限速模块与所述倾角限位器，阻尼限速模块与倾角限位器分别设置在机翼传动轴上，机翼传动轴与涵道组连杆连接组合式涵道，组合式涵道包括大涵道与小涵道，大涵道内设置有大无刷电机，小涵道内设置有小无刷电机；水平尾翼处设置有升降舵，尾涵道通过尾传动轴与设置在机身尾端内部的直驱舵机连接，且在尾涵道内设置有尾无刷电机；通过变更倾转方式，使主动倾转变为被动倾转，从而简化设计结构；采用安全性好的涵道有效减少螺旋桨滑流、冲击噪声与诱导阻力，进而提高气动效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天设备技术领域，尤其涉及一种倾转涵道电动无人机。
背景技术
垂直起降技术是近些年航空领域的重要发展方向，形式多样的垂直起降飞行器被应用在不同的行业领域，如垂直起降飞行汽车、垂直起降战斗机、垂直起降固定翼无人机等，其中，倾转旋翼机以其独特的设计在垂直起降飞行器当中独树一帜，最具代表性的产品就是美国的V-22“鱼鹰”运输机。目前，无论是载人倾转旋翼机还是倾转旋翼无人机，均是采用主动倾转技术，通过传动部件带动倾转体转动，使旋翼倾转，这种设计的缺点在于倾转机构设计复杂，技术难度相当大，在气动稳定、技术操控等方面均会遭遇许多技术难题；同时，在巡航阶段，由于螺旋桨产生的滑流与紊流易影响机翼的升力，从而使气动效率大幅下降，且诱导阻力比较大，对外界气流产生冲击造成噪声大；此外，常规的双螺旋桨倾转设计，在其中一个传动组件或螺旋桨出现问题时，飞机易出现受力不均，进而造成紧急迫降或无法降落，甚至失控坠机。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种倾转涵道电动无人机，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种倾转涵道电动无人机，包括机身、机头、机翼、涵道组连杆、组合式涵道、水平尾翼、尾涵道、升降舵、尾传动轴、机翼传动轴及转动组件，其中，所述机头与机身连接，所述机身前端左右对称设置有机翼，所述机身后端左右对称设置有水平尾翼，并在每个所述机翼的翼尖处设置有转动组件，所述转动组件包括阻尼限速模块与所述倾角限位器，所述阻尼限速模块与所述倾角限位器分别设置在机翼传动轴上，所述机翼传动轴与涵道组连杆连接，所述涵道组连杆与组合式涵道连接，所述组合式涵道包括大涵道与小涵道，所述大涵道内设置有大无刷电机，所述小涵道内设置有小无刷电机；所述水平尾翼处设置有用于调节巡航飞行俯仰平衡的升降舵，所述尾涵道通过尾传动轴与设置在机身尾端内部的直驱舵机连接，且在尾涵道内设置有尾无刷电机；所述阻尼限速模块用于控制机翼传动轴转动速度，从而控制组合式涵道转动；所述倾角限位器用于限制或固定机翼传动轴的转动角度，从而控制组合式涵道的倾角。
在本发明中，所述机身采用沿横轴拉伸设计，并在机身内部设置有置物区域，用于放置锂电池、飞控、舵机等部件。
在本发明中，所述机头上部设置有机头整流罩，所述机头整流罩为上凸下平结构，以让气流能够平顺的经由机身中段蒙皮流向机尾，使飞机在巡航阶段机身也能提供部分升力。
在本发明中，所述机翼为近平直机翼，无上下反角，且所述机翼从翼根至翼尖的翼弦逐渐缩短，同时翼弦厚度逐渐增大，以在翼尖处放置转动组件，并保证整个机翼的受力强度。
在本发明中，所述涵道组连杆与组合式涵道为一体化结构。
在本发明中，所述涵道组连杆为长方体中空结构，内部可放置电机导线、信号线等，并将所述机翼传动轴进行嵌入式固定。
在本发明中，所述大涵道与小涵道均设置为短涵道结构，用以减少飞行时阻力。
在本发明中，所述机身尾端顶部设置有用于选装垂直尾翼的尾部预留平直区。
在本发明中，所述倾转涵道电动无人机具备起降与巡航两种飞行模态：
在起飞或降落阶段，左右两组所述组合式涵道内的大无刷电机与右小无刷电机同时改变转速，进行加速或减速，同时，所述倾角限位器将机翼传动轴进行固定，所述四个涵道产生的升力，促使机身保持上升或下降的状态，并利用尾涵道进行纵向平衡；当进入巡航阶段后，所述倾角限位器取消固定机翼传动轴，所述阻尼限速模块开始根据无人机姿态限制机翼传动轴的转动，从而限制左右两组组合式涵道的转动；当进行前进飞行时，左右两组所述组合式涵道内的大无刷电机开始加速旋转，小无刷电机开始减速，进而促使整个机体形成受力差，涵道组连杆开始倾斜，无人机在差动力作用下向前运动，所述机翼开始获得升力，同时利用升降舵调整俯仰姿态；当需要进行滚转操作时，通过改变左右两组组合式涵道的升力实现滚转运动；涵道组连杆在最大平飞状态时，能够与机身纵轴平面保持90°夹角，此时将达到倾转角度极限，倾角限位器将对机翼传动轴进行限制；当需要进行偏航操作时，通过直驱舵机带动尾传动轴从而旋转尾涵道，产生向左或向右的偏航力矩实现，或利用垂直尾翼运动实现。
有益效果：本发明在满足常规倾转旋翼机的旋翼垂直起降、固定翼巡航功能基础上，通过变更倾转手段，使主动倾转变为被动倾转，从而简化设计结构；再采用安全性好的涵道设计，有效减少螺旋桨滑流的影响，同时也减少冲击噪声与诱导阻力，进而提高气动效率；此外，创新运用动力系统“2+2+1”的模式，即机翼+水平尾翼+垂直尾翼，增加动力冗余，使飞行更加安全。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明的较佳实施例中的右翼尖与右组合式涵道结构示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的左组合式涵道与右组合式涵道倾转效果图。
图4为本发明的较佳实施例中的尾涵道倾转效果图。
图5为本发明的较佳实施例中的加装有垂直尾翼结构示意图。
图6为本发明的较佳实施例中的加装有垂直尾翼侧视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见如图1～6所示的一种倾转涵道电动无人机，包括机身1、机头整流罩2、机身中段蒙皮3、机翼4、右涵道组连杆5、右大涵道6、右小涵道7、电机支撑板8、右大无刷电机9、右小无刷电机10、左大无刷电机11、左小无刷电机12、左大涵道13、左小涵道14、左涵道组连杆15、水平尾翼16、尾涵道17、尾无刷电机18、尾电机支撑板19、升降舵20、尾传动轴21、机翼传动轴22、机翼传动轴加强肋23、阻尼限速模块24、倾角限位器25、尾部预留平直区26及可选装的垂直尾翼27，其中，所述机身1采用沿横轴拉伸设计，并在机身1内部设置有置物区域，用于放置锂电池、飞控、舵机等部件；所述机头上部安装有机头整流罩2，所述机头整流罩2为上凸下平结构，以让气流能够平顺的经由机身中段蒙皮3流向机尾，使飞机在巡航阶段机身1也能提供部分升力；所述机翼4采用近平直机翼，无上下反角，从翼根至翼尖的翼弦逐渐缩短，同时翼弦厚度逐渐增大，以在翼尖处放置转动组件，并保证整个机翼的受力强度；所述右翼尖通过机翼传动轴22与右涵道组连杆5连通，所述右涵道组连杆5上设置有右组合式涵道，所述右组合式涵道包括右大涵道6与右小涵道7，所述右小涵道7与右大涵道6以飞机对称平面为准呈左右对称布置；所述左翼尖通过机翼传动轴22与左涵道组连杆15连通，所述左涵道组连杆15上设置有左组合式涵道，所述右翼尖通过机翼传动轴22与右涵道组连杆5连通，所述右涵道组连杆5上设置有右组合式涵道；所述左组合式涵道包括左大涵道13与左小涵道14，所述左小涵道14与左大涵道13以飞机对称平面为准呈左右对称布置；所述右涵道组连杆5与右大涵道6、右小涵道7为一体化结构，所述左涵道组连杆15与左大涵道13、左小涵道14为一体化结构，且右涵道组连杆5与左涵道组连杆15结构相同，右大涵道6与左大涵道13结构相同，左小涵道14与右小涵道7结构相同；所述右涵道组连杆5为长方体中空结构，内部可放置电机导线、信号线等，并将所述机翼传动轴22进行嵌入式固定，再通过机翼传动轴加强肋23进行加固；所述右大涵道6与右小涵道7均采用短涵道设计，用以减少飞行时阻力，可采用铝合金材质；所述右大涵道6内设置有右大无刷电机9，所述右小涵道7内设置有右小无刷电机10，所述右大无刷电机9与右小无刷电机10通过电机支撑板8固定；所述左大涵道13内设置有左大无刷电机11，所述左小涵道14内设置有左小无刷电机12，所述左大无刷电机11与左小无刷电机12均通过电机支撑板8固定；所述组合式涵道通过所述机翼传动轴22与翼尖内部的转动组件相连，所述转动组件由两部分构成，包括所述阻尼限速模块24与所述倾角限位器25，所述阻尼限速模块24用于控制所述机翼传动轴22转动速度，从而控制组合涵道转动；所述倾角限位器25用于限制或固定机翼传动轴22的转动角度，从而控制组合式涵道的倾角；在机身1后端位置处对称安装有水平尾翼16，通过升降舵20调节巡航飞行时的俯仰平衡；在机身1尾端安装有尾涵道17，所述尾涵道内设置有尾无刷电机18，并通过尾电机支撑板19进行固定；所述尾涵道17为主动旋转涵道，由所述尾传动轴21连接至机身尾端内部的直驱舵机，用于改变俯仰方向与偏航方向的力矩；同时，在机身1尾端顶部设置有尾部预留平直区26，可根据使用需求安装可选装的垂直尾翼27。
在本实施例中，所述倾转涵道电动无人机具备起降与巡航两种飞行模态：在起飞或降落阶段，所述右大无刷电机9、右小无刷电机10、左大无刷电机11及左小无刷电机12同时改变转速，进行加速或减速，此时的左右两组组合式涵道产生的向上升力相同；同时，所述倾角限位器25将机翼传动轴22进行固定，所述四个涵道产生的升力，促使机身1保持上升或下降的状态，并利用尾涵道17进行纵向平衡；当进入巡航阶段后，所述倾角限位器25取消固定机翼传动轴22，所述阻尼限速模块24开始根据无人机姿态限制机翼传动轴22的转动，从而限制组合式涵道的转动；当进行前进飞行时，所述右大无刷电机9与左大无刷电机11开始加速旋转，所述右大涵道6与所述左大涵道13将产生更大升力，所述右小无刷电机10与所述左小无刷电机12转速减少，所述右小涵道7与所述左小涵道14将产生更小升力，进而促使整个机体形成受力差，所述右涵道组连杆5与所述左涵道组连杆15开始倾斜，无人机在差动力作用下向前运动，所述机翼4开始获得升力，同时利用升降舵20调整俯仰姿态；所述右涵道组连杆5与所述左涵道组连杆15在最大平飞状态时，能够与机身1的横纵轴平面成90°夹角，此时为倾转角度极限，所述倾角限位器25将对机翼传动轴22进行限制，避免超限；当需要进行滚转操作时，通过改变左右两组组合式涵道的升力实现滚转运动，如进行左滚转运动时，所述左大涵道13与所述左小涵道14提供较小升力，所述右大涵道6与所述右小涵道7产生较大升力，左侧整体升力小于右侧，飞机将向左进行滚转；当需要进行偏航操作时，通过直驱舵机带动尾传动轴21从而旋转尾涵道17，产生向左或向右的偏航力矩；也可利用可选装的垂直尾翼27进行运动。
Claims (10)
1.一种倾转涵道电动无人机，包括机身、机头、机翼、涵道组连杆、组合式涵道、水平尾翼、尾涵道、升降舵、尾传动轴、机翼传动轴及转动组件，其特征在于，所述机头与机身连接，所述机身前端左右对称设置有机翼，所述机身后端左右对称设置有水平尾翼，并在每个所述机翼的翼尖处设置有转动组件，所述转动组件包括阻尼限速模块与所述倾角限位器，所述阻尼限速模块与所述倾角限位器分别设置在机翼传动轴上，所述机翼传动轴与涵道组连杆连接，所述涵道组连杆与组合式涵道连接，所述组合式涵道包括大涵道与小涵道，所述大涵道内设置有大无刷电机，所述小涵道内设置有小无刷电机；所述水平尾翼处设置有用于调节巡航飞行俯仰平衡的升降舵，所述尾涵道通过尾传动轴与设置在机身尾端内部的直驱舵机连接，且在尾涵道内设置有尾无刷电机。
2.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述机身内部设置有置物区域。
3.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述机头上部设置有机头整流罩，所述机头整流罩为上凸下平结构。
4.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述机翼为近平直机翼，无上下反角，且所述机翼从翼根至翼尖的翼弦逐渐缩短，同时翼弦厚度逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述涵道组连杆与组合式涵道为一体化结构。
6.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述涵道组连杆为长方体中空结构。
7.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述大涵道与小涵道均设置为短涵道结构。
8.根据权利要求1所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述机身尾端顶部设置有用于选装垂直尾翼的尾部预留平直区。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述倾转涵道电动无人机具备起降与巡航两种飞行模态：
在起飞或降落阶段，左右两组所述组合式涵道内的大无刷电机与右小无刷电机同时改变转速，进行加速或减速，同时，所述倾角限位器将机翼传动轴进行固定，所述四个涵道产生的升力，促使机身保持上升或下降的状态，并利用尾涵道进行纵向平衡；当进入巡航阶段后，所述倾角限位器取消固定机翼传动轴，所述阻尼限速模块开始根据无人机姿态限制机翼传动轴的转动，从而限制左右两组组合式涵道的转动；当进行前进飞行时，左右两组所述组合式涵道内的大无刷电机开始加速旋转，小无刷电机开始减速，进而促使整个机体结构形成受力差，涵道组连杆开始倾斜，无人机在差动力作用下向前运动，所述机翼开始获得升力，同时利用升降舵调整俯仰姿态；当需要进行滚转操作时，通过改变左右两组组合式涵道的升力实现滚转运动；当需要进行偏航操作时，通过直驱舵机带动尾传动轴从而旋转尾涵道，产生向左或向右的偏航力矩实现，或利用垂直尾翼运动实现。
10.根据权利要求9所述的一种倾转涵道电动无人机，其特征在于，所述涵道组连杆在最大平飞状态时，能够与机身纵轴平面保持90°夹角，此时将达到倾转角度极限，倾角限位器将对机翼传动轴进行限制。
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