CN114056557A - 一种混合动力倾转旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人飞行器技术领域，特别涉及一种混合动力倾转旋翼无人飞行器。包括机身及设置于机身上的尾翼和两个机翼，其中机身的前端下部设有涵道风扇；机翼包括内翼段和倾转外翼段，内翼段的一端与机身固定连接，另一端与倾转外翼段转动连接，尾翼为V型结构。本发明的机身前下部装有涵道风扇，可提供升力，并且能显著的提升飞行器的纵向配平特性；该飞行器可垂直起降，不受限于场地即可起飞降落，同时可长航时高速巡航，满足测绘、巡逻、运输、警用等需求。

Description

一种混合动力倾转旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及无人飞行器技术领域，特别涉及一种混合动力倾转旋翼无人飞行器。

背景技术

传统固定翼飞行器具有飞行速度快，任务载荷大，适应范围广的特点，但对场地要求高，需要建设好跑道，因此在相对复杂的环境下，不适宜进行任务部署。而旋翼飞行器(直升机，多旋翼飞行器)更适用于小范围、高机动的使用要求。

倾转旋翼机是一种介于直升机和固定翼飞机之间的新概念旋翼飞行器，它集旋翼机和螺旋桨飞机的优点于一身，使其不仅拥有着比常规旋翼机高得多的前飞速度，又兼顾着螺旋桨飞机不具备的垂直起降和悬停能力，能满足多种飞行任务的需要，极大地拓展了旋翼机和固定翼飞行器的飞行包线，具有十分广泛的用途。

目前，相对成熟的倾转旋翼飞行器有XV-15倾转旋翼机、BA-609倾转旋翼机、V-22倾转旋翼机、V-280倾转旋翼机等。其中V-280倾转旋翼机由贝尔直升机公司和洛马公司联合研制，是目前最新的技术验证机。其原理主要是通过倾转机翼两端的旋翼短舱，以实现倾转旋翼机直升机模态和固定翼模态的转换。直升机模态下，两个短舱垂直与地面，旋翼旋转平面与地面平行，直升机模态飞行时，通过两副反向对转的旋翼系统保持姿态平稳。当以直升机模态从地面爬升一定高度后，短舱向前倾转，转为高速平飞的固定翼模态。通过上述方式，V-280兼顾了垂直起降、空中悬停和高速前飞的特点。

但是，一般大的倾转旋翼机旋翼是两个横列排布，旋翼半径相对较小，整机的纵向惯量比较大，因此悬停模式下的纵向俯仰控制难度较大。此外，通常倾转旋翼机发动机置于旋翼两侧，发动机本身的重量对机翼提出了较大的强度要求。倾转旋翼通常在比较复杂环境，例如高原，舰船环境下使得其常年受强风、阵风侵扰，要求无人机具有较强的地域复杂气流抗干扰的能力。这些问题的存在，对于无人机的应用提出了明显的挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种混合动力倾转旋翼无人飞行器，用于实现直升机模态与固定翼模态飞行，采用翼尖的柔弹性材料来提升固定翼模态下的飞行性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合动力倾转旋翼无人飞行器，包括机身及设置于机身上的尾翼和两个机翼，其中机身的下部设有涵道风扇；所述机翼包括内翼段和倾转外翼段，所述内翼段的一端与机身固定连接，另一端与倾转外翼段转动连接。

所述涵道风扇位于所述机身的机头下部。

所述尾翼为V型结构。

所述尾翼后缘转动连接有尾翼舵面，尾翼舵面的转动角度为±30°。

所述倾转外翼段包括可变距旋翼、外翼段及短舱，其中外翼段的一端通过转轴与所述内翼段转动连接；所述短舱设置于所述外翼段上，并且顶部设有可变距旋翼，所述短舱内设有用于驱动所述可变距旋翼转动的旋转驱动电机。

所述外翼段内设有柔弹性材料，柔弹性材料位于所述短舱的外侧；柔弹性材料用于支撑所述机翼的变形。

所述旋转驱动电机通过电缆与设置于机身内的供电装置连接；

所述供电装置包括发动机及与所述发动机连接的发电机，与所述旋转驱动电机连接的电缆穿过所述内翼段后连接至所述发电机上。

所述机翼的弦长为所述可变距旋翼的螺旋桨长度的30％-40％。

所述短舱的顶部设有气流引入口，所述可变距旋翼的下洗流从该气流引入口引入到所述短舱内部。

所述内翼段内设有用于驱动所述倾转外翼段转动的倾转驱动机构；所述内翼段的后缘可转动地设有机翼副翼舵面，所述机翼副翼舵面的转动角度为0-90度。

本发明的优点及有益效果是：

本发明的飞行器，短舱外侧机翼内部加装柔弹性材料，支撑机翼的变形，有效的减缓了飞行器可能受到的阵风载荷；两副旋翼对转，平衡旋翼反扭矩；发动机置于机身内部，经发电机将其转化成电能输送到机翼两侧的电机，各自带动旋翼旋转，省去了传动的机械传动部件，减轻重量与维护成本；

本发明的机身前下部装有涵道风扇，可提供升力，并且能显著的提升飞行器的纵向配平特性；该飞行器可垂直起降，不受限于场地即可起飞降落，同时可长航时高速巡航，满足测绘、巡逻、运输、警用等需求。

附图说明

图1为本发明混合动力倾转旋翼无人飞行器直升机模态的结构示意图；

图2为本发明混合动力倾转旋翼无人飞行器倾转过渡模态的结构示意图；

图3为本发明混合动力倾转旋翼无人飞行器固定翼模态的结构示意图；

图4为本发明混合动力倾转旋翼无人飞行器涵道风扇的结构示意图；

图5为本发明混合动力倾转旋翼无人飞行器的柔弹性材料的示意图。

图中：1为旋翼，2为外翼段，3为内翼段，4为机身，5为尾翼舵面，6为机翼副翼舵面，7为尾翼，8为涵道风扇，9为短舱，10为柔弹性材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种混合动力倾转旋翼无人飞行器，包括机身4及设置于机身4上的尾翼和两个机翼，其中机身4的下部设有涵道风扇8；机翼包括内翼段3和倾转外翼段，内翼段3的一端与机身4固定连接，另一端与倾转外翼段转动连接。

本发明的实施例中，如图4所示，涵道风扇8位于机身4的机头下部，具体地，纵向方位(前后方向)约为机头与机翼的纵向中点，其直径为可变距旋翼1直径的40％。

本发明的实施例中，如图1所示，尾翼7为V型结构。尾翼7后缘转动连接有尾翼舵面5，尾翼舵面5的转动角度为±30°。

本发明的实施例中，如图1所示，倾转外翼段包括可变距旋翼1、外翼段2及短舱9，其中外翼段2的一端通过转轴与内翼段3转动连接；短舱9设置于外翼段2上，并且顶部设有可变距旋翼1，短舱9内设有旋转驱动电机，旋转驱动电机的输出轴与可变距旋翼1连接，旋转驱动电机用于驱动可变距旋翼1转动，旋转驱动电机通过电缆与设置于机身4内的供电装置连接。

具体地，供电装置包括发动机及与发动机连接的发电机，与旋转驱动电机连接的电缆穿过内翼段3后连接至发电机上。

在上述实施例的基础上，如图5所示，外翼段2内设有柔弹性材料10，柔弹性材料10位于短舱9的外侧；柔弹性材料10用于支撑机翼的变形，有效的减缓了飞行器可能受到的阵风载荷。本实施例中，柔弹性材料10采用玻璃钢。

进一步地，机翼的弦长为可变距旋翼1的螺旋桨长度的30％-40％。短舱9的顶部设有气流引入口，可变距旋翼1的下洗流从该气流引入口引入到短舱9内部，有助于旋转驱动电机的散热。

进一步地，内翼段3内设有用于驱动倾转外翼段转动的倾转驱动机构，该倾转驱动机构可采用电缸驱动；内翼段3的后缘可转动地设有机翼副翼舵面6，机翼副翼舵面6的转动角度为0-90度。

本发明的实施例中，机身4为圆形机身，飞机器最大起飞重量为100公斤，其中一个燃油发动机及其配套散热重8公斤，发电机为4公斤，两个旋转驱动电机共6公斤，电池15公斤，燃油15公斤，本体结构20公斤，两副旋翼及桨毂共5公斤，飞控及链路8公斤。

本发明的飞行器，短舱9的外侧机翼内部装有柔弹性材料，可以使机翼进行适应性变形，有利于减小直升机模式小速度前飞和过渡模式前飞的阻力，提高固定翼模式下的巡航性能与抗阵风性能；同时将两副可变距旋翼1的下洗流引入到短舱9内部，有助于电机的散热；该飞行器可垂直起降，不受限于场地即可起飞降落，同时可长航时高速巡航，满足测绘、巡逻、运输、警用等需求。

如图1所示，本发明的飞行器在直升机模态下，内翼段3外侧的倾转外翼段，旋转至可变距旋翼1的桨盘平面平行于地面，即可变距旋翼1产生的拉力垂直地面向上，配合涵道风扇8给整机提供升力，通过两个同步反转的旋翼变距和涵道风扇8来调整飞行器的姿态。

如图2所示，转入倾转过渡模态后，通过可变距旋翼1与涵道风扇8拉力的变化及机翼副翼舵面6和尾翼舵面5的偏转协同控制整机的姿态；其过程中，根据不同的实时速度将操纵量按一定比例分配给旋翼拉力、涵道风扇拉力和飞机副翼6、尾翼舵面5；随着速度增加，将可变距旋翼1的变距操作和涵道风扇8的转速操纵逐渐过渡至机翼副翼舵面6、尾翼舵面5操纵，以此将过渡模态下旋翼和副翼的可操纵量最大化。

如图3所示，进入固定翼模态后，关闭可变距旋翼1的周期变距，涵道风扇8保持一个低转速的状态，仅保证提供一定的升力，完全通过机翼副翼舵面6、尾翼舵面5控制整机的姿态；此外，如图5所示，柔弹性结构10外段变形，提高飞行器的巡航性能。

本发明的飞行器，机翼外段随短舱一同倾转，减小了机翼平放时，对可变距旋翼1的阻塞效应，提高了可变距旋翼1的效率。此外，可变形的外翼段，能尽可能的减小飞行器在倾转过渡模态下小速度前飞时，外翼段2带来的阻力和大攻角下的失速紊流，提升过渡模态下的飞行稳定性。

本发明的混合动力倾转旋翼无人飞行器将传统固定翼飞行器的高效巡航能力和直升机的任意场地垂直起降能力相结合，不仅能够实现复杂自然条件下的快速起降，而且能够高效地执行远程应急飞行任务，在海岛、山地、城市等无固定起降场地的特殊条件下，完成较大范围的应急空中信息支援任务与作战任务。

随着智能材料结构和先进控制技术的发展，以及对集高速度、高机动性、空中悬停与慢速飞行能力、高可靠性、大航程、长航时、大载荷、可垂直起降等性能于一身的多任务飞行器的需求。倾转旋翼无人飞行器不仅拥有着比常规旋翼机高得多的前飞速度，又兼顾着螺旋桨飞机不具备的垂直起降和悬停能力，能够实现多种气动外形的改变，适应变化的任务环境，可在全飞行包络内都达到优良的飞行性能和自主可控特性，能满足多种飞行任务的需要，极大地拓展了旋翼机和固定翼飞行器的飞行包线，具有十分广泛的用途。

本发明中的飞行器通过电能驱动飞行器的运行，省去了传统的机械传动系统所需的维护成本，并且前部的涵道风扇有助于整机的配平。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，包括机身(4)及设置于机身(4)上的尾翼和两个机翼，其中机身(4)的下部设有涵道风扇(8)；所述机翼包括内翼段(3)和倾转外翼段，所述内翼段(3)的一端与机身(4)固定连接，另一端与倾转外翼段转动连接。

2.根据权利要求1所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述涵道风扇(8)位于所述机身(4)的机头下部。

3.根据权利要求1所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述尾翼(7)为V型结构。

4.根据权利要求3所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述尾翼(7)后缘转动连接有尾翼舵面(5)，尾翼舵面(5)的转动角度为±30°。

5.根据权利要求1所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述倾转外翼段包括可变距旋翼(1)、外翼段(2)及短舱(9)，其中外翼段(2)的一端通过转轴与所述内翼段(3)转动连接；所述短舱(9)设置于所述外翼段(2)上，并且顶部设有可变距旋翼(1)，所述短舱(9)内设有用于驱动所述可变距旋翼(1)转动的旋转驱动电机。

6.根据权利要求5所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述外翼段(2)内设有柔弹性材料(10)，柔弹性材料(10)位于所述短舱(9)的外侧；柔弹性材料(10)用于支撑所述机翼的变形。

7.根据权利要求5所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述旋转驱动电机通过电缆与设置于机身(4)内的供电装置连接；

所述供电装置包括发动机及与所述发动机连接的发电机，与所述旋转驱动电机连接的电缆穿过所述内翼段(3)后连接至所述发电机上。

8.根据权利要求5所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述机翼的弦长为所述可变距旋翼(1)的螺旋桨长度的30％-40％。

9.根据权利要求5所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述短舱(9)的顶部设有气流引入口，所述可变距旋翼(1)的下洗流从该气流引入口引入到所述短舱(9)内部。

10.根据权利要求1所述的混合动力倾转旋翼无人飞行器，其特征在于，所述内翼段(3)内设有用于驱动所述倾转外翼段转动的倾转驱动机构；所述内翼段(3)的后缘可转动地设有机翼副翼舵面(6)，所述机翼副翼舵面(6)的转动角度为0-90度。

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