CN114248916A - 垂直起降组合体飞行器及固定翼飞行器的垂直起降方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种垂直起降组合体飞行器及固定翼飞行器的垂直起降方法，该垂直起降组合体飞行器包括固定翼飞行器与旋翼飞行器，旋翼飞行器包括中心机盒、多根旋翼臂和多根侧翼臂架，旋翼臂远离中心机盒的端部设置有电机安装壳，电机安装壳内安装有输出轴朝下布置的旋转电机，旋转电机的输出轴连接有螺旋桨，侧翼臂架的上表面设置有重构装置，侧翼臂架的上表面还设置有摄像头，中心机盒内设置有动力源和控制模块；固定翼飞行器上设置有多个机翼，机翼的下表面设置对接装置，对接装置供重构装置对接固定且对接完成后具备自动锁定功能。本申请具有以下可预期的技术效果：方便于固定翼飞行器对接及分离，辅助固定翼飞行器稳定且高效的垂直起降。

Description

垂直起降组合体飞行器及固定翼飞行器的垂直起降方法

技术领域

本申请涉及飞行器总体设计技术领域，尤其是涉及一种垂直起降组合体飞行器及固定翼飞行器的垂直起降方法。

背景技术

在航空飞行器领域，固定翼飞行器的起飞常采用滑跑、起飞等方式，降落时常采用滑跑、伞降、撞网等方式，因此固定翼飞行器的起飞与降落均对场地、辅助装置等外部条件要求较高。

近年来发展的垂直起降固定翼飞行器采用耦合式动力系统设计，一般采用复合式和倾转式布局，在固定翼飞行器上增加了旋翼飞行器的垂直起降系统，实现固定翼飞行器便捷起飞与降落。

虽然可以使固定翼飞行器的起降过程对场地要求小，但同时也带来以下负面影响：固定翼飞行器上附加的垂直起降系统，会破坏固定翼飞行器的气动特性，气动效率变低，同时增加了固定翼飞行器巡航时的自身重量，使固定翼飞行器的有效载荷下降、巡航距离缩短、巡航航时缩短，故而有待改进。

发明内容

为了改善常见带有垂直起降系统的固定翼飞行器存在的气动效率低、有效载荷小、巡航距离短、巡航航时短等问题，本申请提供一种垂直起降组合体飞行器及固定翼飞行器的垂直起降方法。

本申请提供一种垂直起降组合体飞行器，采用如下的技术方案：

一种垂直起降组合体飞行器，包括固定翼飞行器与旋翼飞行器，

所述旋翼飞行器包括中心机盒、多根旋翼臂和多根侧翼臂架，多根所述旋翼臂对称布置且水平布置于所述中心机盒的周侧，所述旋翼臂远离所述中心机盒的端部设置有电机安装壳，所述电机安装壳内安装有输出轴朝下布置的旋转电机，所述旋转电机的输出轴连接有水平布置的螺旋桨，多根所述侧翼臂架相对于旋翼飞行器对称设计，所述侧翼臂架的两端连接于其中相邻的两个所述电机安装壳之间，所述侧翼臂架的上表面设置有重构装置，所述侧翼臂架的上表面还设置有摄像头，所述中心机盒内设置有动力源和控制模块；

所述固定翼飞行器上设置有多个机翼，所述机翼的下表面设置有与所述重构装置相适配的对接装置，所述对接装置供所述重构装置对接固定且对接完成后具备自动锁定功能，当旋翼飞行器与固定翼飞行器相靠近时，所述摄像头用于实时拍摄识别所述对接装置的位置。

进一步地，所述旋翼臂、所述旋转电机、所述螺旋桨设置有四组、六组或者八组，所述侧翼臂架设置有两根且平行布置；所述固定翼飞行器为常规设计的飞行器且设置有两个所述机翼。

进一步地，所述侧翼臂架和所述电机安装壳之间一体成型，所述旋翼臂的端部和所述电机安装壳之间活动式装配，所述旋翼臂的长度可以自由调节。

进一步地，所述旋翼臂的内部中空设计，所述旋翼臂的两端分别连通至所述侧翼臂架的内部和所述中心机盒的内部，所述旋翼臂的内部空腔用于走线。

进一步地，旋翼飞行器的主要机身制作材料为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维，旋翼飞行器的主要机身包括但不限于所述中心机盒、所述旋翼臂、所述侧翼臂架和所述螺旋桨；所述对接装置的制作材料同样为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维。

进一步地，所述重构装置包括两条对接导轨和锁定连接头，两条所述对接导轨均沿所述侧翼臂架的长度方向布置且相互平行，所述锁定连接头设于所述对接导轨的一端且用于对接固定翼飞行器的机翼。

进一步地，每一根所述侧翼臂架上的所述摄像头设置有2-4个，多个所述摄像头沿所述对接导轨的长度方向均匀间隔布置，多个所述摄像头位于两根所述对接导轨之间。

进一步地，所述控制模块安装于所述中心机盒内的中心位置处，所述动力源设置有多组且绕所述控制模块均匀对称布置。

进一步地，所述动力源为锂电池或者油电混合动力源。

本申请还提供一种固定翼飞行器的垂直起降方法，采用如下的技术方案：

一种固定翼飞行器的垂直起降方法，基于上述的垂直起降组合体飞行器，该方法包括以下步骤：

S1，固定翼飞行器与旋翼飞行器以组合体形式，依靠旋翼飞行器垂直起飞至预设的安全起飞高度；

S2，固定翼飞行器飞控激活，启动动力系统，与旋翼飞行器以组合体形式前飞；

S3，待前飞速度达到固定翼飞行器的起飞速度时，组合体分体为固定翼飞行器与旋翼飞行器，固定翼飞行器按照预设航线执行飞行任务，旋翼飞行器则降落至指定着落地；

S4，固定翼飞行器完成飞行任务后向地面控制站发出返航指令，地面控制站接到指令后，激活旋翼飞行器，启动旋翼飞行器的动力系统，飞至固定翼预设的降落航线附近，依靠GPS导航信息进行粗对准；

S5，当固定翼飞行器与旋翼飞行器相对距离到达一定数值后，再依靠计算机视觉定位、电子信息定位手段进行精对准；

S6，精对准完成后，旋翼飞行器上的重构装置锁定固定翼飞行器机翼上的对接装置，重构成组合体飞行器，降落至指定着陆区。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.利用旋翼飞行器垂直起降、空中悬停的优势，采用旋翼飞行器与固定翼飞行器空中分体与重构的方式，既实现固定翼飞行器便捷的垂直起降需求，同时可大幅减少固定翼飞行器巡航时自身重量，发挥其原有的高效巡航及大负载优势，具有重要的军、民用应用前景；

2.结构设计更加稳定，操控也比较方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的垂直起降组合体飞行器的俯视结构示意图。

图2是本申请实施例的垂直起降组合体飞行器的正视结构示意图。

图3是本申请实施例的旋翼飞行器的俯视结构示意图。

附图标记说明：

101、旋翼飞行器；1、中心机盒；2、旋翼臂；3、侧翼臂架；4、电机安装壳；5、旋转电机；6、螺旋桨；7、重构装置；71、对接导轨；72、锁定连接头；8、摄像头；9、动力源；10、控制模块；102、固定翼飞行器；21、机翼。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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，此处所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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种垂直起降组合体飞行器。参照图1-图3，包括固定翼飞行器102与旋翼飞行器101，旋翼飞行器101包括中心机盒1、多根旋翼臂2和多根侧翼臂架3，多根旋翼臂2对称布置且水平布置于中心机盒1的周侧，旋翼臂2远离中心机盒1的端部设置有电机安装壳4，电机安装壳4内安装有输出轴朝下布置的旋转电机5，旋转电机5的输出轴连接有水平布置的螺旋桨6，多根侧翼臂架3相对于旋翼飞行器101对称设计，侧翼臂架3的两端连接于其中相邻的两个电机安装壳4之间，侧翼臂架3的上表面设置有重构装置7，侧翼臂架3的上表面还设置有摄像头8，中心机盒1内设置有动力源9和控制模块10。

固定翼飞行器102上设置有多个机翼21，机翼21的下表面设置有与重构装置7相适配的对接装置(未具体在附图中画出)，对接装置供重构装置7对接固定且对接完成后具备自动锁定功能，当旋翼飞行器101与固定翼飞行器102相靠近时，摄像头8用于实时拍摄识别对接装置的位置。

在本实施例中，中心机盒1为方形盒，且其四角均设置为圆弧形，旋翼臂2、旋转电机5、螺旋桨6设置有四组(在其他实施例中还可以为六组或者八组)，侧翼臂架3设置有两根且平行布置，四根旋翼臂2连接至中心机盒1的四个圆弧形角上。上述设计的旋翼飞行器101，结构更加简单，自身重量更轻。固定翼飞行器102为常规设计的飞行器且设置有两个机翼21，在其他实施类中，固定翼飞行器102还可以扩展为V尾、飞翼等布局。

采用旋转电机5+螺旋桨6来为旋翼飞行器101提供升力，升力应可满足旋翼飞行器101和固定翼飞行器102组合体垂直起降的需求，且飞行时间应至少满足两次组合体飞行器能够垂直起降。

摄像头8具体为高清光学摄像镜头，当旋翼飞行器101通过GPS导引与固定翼飞行器102相对距离较近时，摄像镜头用于实时拍摄识别固定翼飞行器102，并由控制系统计算出相对位置，实现精准的相对位置测算。

本申请实施例一种垂直起降组合体飞行器的实施原理为：利用旋翼飞行器101垂直起降、空中悬停的优势，采用旋翼飞行器101与固定翼飞行器102空中分体与重构的方式，既实现固定翼飞行器102便捷的垂直起降需求，同时可大幅减少固定翼飞行器102巡航时自身重量，发挥其原有的高效巡航及大负载优势，具有重要的军、民用应用前景。

本申请实施例中，侧翼臂架3和电机安装壳4之间一体成型，可以使侧翼臂架3和电机安装壳4之间连接牢固性更高，一体性更好。

本申请实施例中，旋翼臂2的端部和电机安装壳4之间活动式装配，旋翼臂2的长度可以自由调节，进而可根据辅助起降的固定翼飞行器102的机型尺寸进行相应调整，适应性更好。

本申请实施例中，旋翼臂2的内部中空设计，旋翼臂2的两端分别连通至侧翼臂架3的内部和中心机盒1的内部，旋翼臂2的内部空腔用于走线，进而旋翼飞行器101的表面不会出现线缆，这种线缆隐藏式设计更加合理，有利于旋翼飞行器101在空中飞行。

本申请实施例中，旋翼飞行器101的主要机身制作材料为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维，旋翼飞行器101的主要机身包括但不限于中心机盒1、旋翼臂2、侧翼臂架3和螺旋桨6，在确保旋翼飞行器101具有良好的结构牢固性时，还可以大幅度降低旋翼飞行器101的自身重量，进一步有利于发挥高效巡航及大负载优势。对接装置的制作材料同样为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维，也可以适当降低该固定翼飞行器102的自身重量，进一步有利于发挥高效巡航及大负载优势。

本申请实施例中，重构装置7包括两条对接导轨71和锁定连接头72，两条对接导轨71均沿侧翼臂架3的长度方向布置且相互平行，锁定连接头72设于对接导轨71的一端且用于对接固定翼飞行器102的机翼21，上述结构设计的重构装置7方便与固定翼飞行器102的机翼21进行对接及锁定，固定翼飞行器102的机翼21进行对接及锁定技术，可以参考航天卫星领域里的对接重构技术，由于技术较为普通且有迹可循，本实施例中不再对重构装置7和对接装置进行更细致的赘述。

本申请实施例中，每一根侧翼臂架3上的摄像头8设置有3个(在其他实施例中该数量还可以为2或者4个)，多个摄像头8沿对接导轨71的长度方向均匀间隔布置，多个摄像头8位于两根对接导轨71之间，上述设计的摄像头8，以利于实时拍摄识别固定翼飞行器102的机翼21位置，更有利于固定翼飞行器102与旋翼飞行器101之间精准对接重构。

本申请实施例中，控制模块10安装于中心机盒1内的中心位置处，动力源9设置有多组且绕控制模块10均匀对称布置，动力源9为锂电池或者油电混合动力源，上述对称式设计，尽可能装载更多的动力源9，而且中心机盒1的重心更加靠近中心位置，有利于旋翼飞行器101稳定飞行。

本申请实施例还公开一种固定翼飞行器的垂直起降方法。参照图1-图3，基于上述的垂直起降组合体飞行器，该方法包括以下步骤：

S1，固定翼飞行器102与旋翼飞行器101以组合体形式，依靠旋翼飞行器101垂直起飞至预设的安全起飞高度；

S2，固定翼飞行器102飞控激活，启动动力系统，与旋翼飞行器101以组合体形式前飞；

S3，待前飞速度达到固定翼飞行器102的起飞速度时，组合体分体为固定翼飞行器102与旋翼飞行器101，固定翼飞行器102按照预设航线执行飞行任务，旋翼飞行器101则降落至指定着落地；

S4，固定翼飞行器102完成飞行任务后向地面控制站发出返航指令，地面控制站接到指令后，激活旋翼飞行器101，启动旋翼飞行器101的动力系统，飞至固定翼预设的降落航线附近，依靠GPS等导航信息进行粗对准；

S5，当固定翼飞行器102与旋翼飞行器101相对距离到达一定数值后，再依靠计算机视觉定位、电子信息定位等手段进行精对准；

S6，精对准完成后，旋翼飞行器101上的重构装置7锁定固定翼飞行器102机翼21上的对接装置，重构成组合体飞行器，降落至指定着陆区。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直起降组合体飞行器，其特征在于：包括固定翼飞行器(102)与旋翼飞行器(101)，

所述旋翼飞行器(101)包括中心机盒(1)、多根旋翼臂(2)和多根侧翼臂架(3)，多根所述旋翼臂(2)对称布置且水平布置于所述中心机盒(1)的周侧，所述旋翼臂(2)远离所述中心机盒(1)的端部设置有电机安装壳(4)，所述电机安装壳(4)内安装有输出轴朝下布置的旋转电机(5)，所述旋转电机(5)的输出轴连接有水平布置的螺旋桨(6)，多根所述侧翼臂架(3)相对于旋翼飞行器(101)对称设计，所述侧翼臂架(3)的两端连接于其中相邻的两个所述电机安装壳(4)之间，所述侧翼臂架(3)的上表面设置有重构装置(7)，所述侧翼臂架(3)的上表面还设置有摄像头(8)，所述中心机盒(1)内设置有动力源(9)和控制模块(10)；

所述固定翼飞行器(102)上设置有多个机翼(21)，所述机翼(21)的下表面设置有与所述重构装置(7)相适配的对接装置，所述对接装置供所述重构装置(7)对接固定且对接完成后具备自动锁定功能，当旋翼飞行器(101)与固定翼飞行器(102)相靠近时，所述摄像头(8)用于实时拍摄识别所述对接装置的位置。

2.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述旋翼臂(2)、所述旋转电机(5)、所述螺旋桨(6)设置有四组、六组或者八组，所述侧翼臂架(3)设置有两根且平行布置；所述固定翼飞行器(102)为常规设计的飞行器且设置有两个所述机翼(21)。

3.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述侧翼臂架(3)和所述电机安装壳(4)之间一体成型，所述旋翼臂(2)的端部和所述电机安装壳(4)之间活动式装配，所述旋翼臂(2)的长度可以自由调节。

4.根据权利要求3所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述旋翼臂(2)的内部中空设计，所述旋翼臂(2)的两端分别连通至所述侧翼臂架(3)的内部和所述中心机盒(1)的内部，所述旋翼臂(2)的内部空腔用于走线。

5.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：旋翼飞行器(101)的主要机身制作材料为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维，旋翼飞行器(101)的主要机身包括但不限于所述中心机盒(1)、所述旋翼臂(2)、所述侧翼臂架(3)和所述螺旋桨(6)；所述对接装置的制作材料同样为轻质高强度材料，轻质高强度材料包括但不限于玻璃纤维或者碳纤维。

6.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述重构装置(7)包括两条对接导轨(71)和锁定连接头(72)，两条所述对接导轨(71)均沿所述侧翼臂架(3)的长度方向布置且相互平行，所述锁定连接头(72)设于所述对接导轨(71)的一端且用于对接固定翼飞行器(102)的机翼(21)。

7.根据权利要求6所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：每一根所述侧翼臂架(3)上的所述摄像头(8)设置有2-4个，多个所述摄像头(8)沿所述对接导轨(71)的长度方向均匀间隔布置，多个所述摄像头(8)位于两根所述对接导轨(71)之间。

8.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述控制模块(10)安装于所述中心机盒(1)内的中心位置处，所述动力源(9)设置有多组且绕所述控制模块(10)均匀对称布置。

9.根据权利要求1所述的垂直起降组合体飞行器，其特征在于：所述动力源(9)为锂电池或者油电混合动力源。

10.一种固定翼飞行器的垂直起降方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一项所述的垂直起降组合体飞行器，该方法包括以下步骤：

S1，固定翼飞行器(102)与旋翼飞行器(101)以组合体形式，依靠旋翼飞行器(101)垂直起飞至预设的安全起飞高度；

S2，固定翼飞行器(102)飞控激活，启动动力系统，与旋翼飞行器(101)以组合体形式前飞；

S3，待前飞速度达到固定翼飞行器(102)的起飞速度时，组合体分体为固定翼飞行器(102)与旋翼飞行器(101)，固定翼飞行器(102)按照预设航线执行飞行任务，旋翼飞行器(101)则降落至指定着落地；

S4，固定翼飞行器(102)完成飞行任务后向地面控制站发出返航指令，地面控制站接到指令后，激活旋翼飞行器(101)，启动旋翼飞行器(101)的动力系统，飞至固定翼预设的降落航线附近，依靠GPS导航信息进行粗对准；

S5，当固定翼飞行器(102)与旋翼飞行器(101)相对距离到达一定数值后，再依靠计算机视觉定位、电子信息定位手段进行精对准；

S6，精对准完成后，旋翼飞行器(101)上的重构装置(7)锁定固定翼飞行器(102)机翼(21)上的对接装置，重构成组合体飞行器，降落至指定着陆区。

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