CN115123522A - 一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，包括机体、两外部储存装置、中部储存装置、导管和驱动装置；机体包括机身及其两侧连接的机翼；两外部储存装置分别与两侧机翼连接，外部储存装置包括储存器一及其内部的活塞连杆组一；中部储存装置与机身中部连接，中部储存装置包括两个储存器二及其内部的活塞连杆组二；一导管导通一侧的储存器一和储存器二，另一导管导通另一侧的储存器一和储存器二；驱动装置用于驱动塞连杆组一及活塞连杆组二，进而促使储存器一和储存器二中的流体流动，引起机体的质心转移。在采用上述机构后，能防止破坏飞机气动外形、提高操纵效率、降低飞机重量，实现多个储存装置之间的联合控制。

Description

一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构

技术领域

本发明涉及飞行器姿态控制机构领域，特别涉及一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构。

背景技术

传统固定翼飞行器一般通过控制机翼上的舵面产生力矩进而控制飞机姿态变化，但是这种方法会影响飞机良好的气动外形，并且产生较大的阻力，影响飞机飞行性能，增加能耗，因此需要提出一种能够替代传统方式的新方案。

对此已经有研究者提出变质心的概念，即利用飞行器机体内的刚体滑块达到变质心的目的，但这种方案限制于其机构自身设计，难以长距离运输，并且常常附加对导轨的需求，不便于装配。而且刚体滑块相较于机构本身的质量占比较小，对于大展弦比飞机，即翼展较大的飞行器，其对机翼的负载能力也提出了更大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，以解决现有的舵面控制机构技术、变质心控制机构技术能量消耗高，控制反应慢，占比空间大等问题，实现飞行器多通道姿态控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，包括机体、两个外部储存装置、中部储存装置、导管和驱动装置；所述机体包括机身及其两侧连接的机翼；两所述外部储存装置分别与两侧所述机翼连接，所述外部储存装置包括储存器一及其内部的活塞连杆组一；所述中部储存装置与所述机身中部连接，所述中部储存装置包括两个并排布置的储存器二及其内部的活塞连杆组二；一所述导管导通位于左侧所述机翼的所述储存器一和位于所述机身左侧的储存器二，另一所述导管导通位于右侧所述机翼的所述储存器一和位于所述机身右侧的所述储存器二；所述储存器一与所述储存器二内均含流体，所述活塞连杆组一用于控制所述储存器一中的流体转移，所述活塞连杆组二用于控制所述储存器二中的流体转移；所述驱动装置用于驱动所述塞连杆组一及活塞连杆组二工作，促使储存器一及储存器二中的流体朝规定的方向流动，从而引起所述机体的质心转移。

在其中一个实施例中，两所述储存器一的轴向中线沿所述机翼展向方向布置，两所述储存器二的轴向中线沿所述机身展向方向布置。

在其中一个实施例中，在沿所述机身展向方向上，所述储存器一与所述储存器二分离布置。

在其中一个实施例中，所述储存器一和所述储存器二均为柔性容器。

在其中一个实施例中，两所述导管沿所述机身展向方向对称分布。

在其中一个实施例中，所述驱动装置与所述中部储存装置连接。

在其中一个实施例中，所述驱动装置包括两个，两所述驱动装置分别与两所述外部储存装置连接。

在其中一个实施例中，所述驱动装置包括三个，一个所述驱动装置与所述中部储存装置连接，另外两个所述所述驱动装置分别与两所述外部储存装置连接。

在其中一个实施例中，所述外部储存装置、中部储存装置和所述驱动装置均设有多个连接件，多个配合连接的所述连接件用于将其对应的装置安装至所述机体的安装位上。

在其中一个实施例中，各装置的所述连接件之间的连接方式为可拆卸连接。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，能防止飞机气动外形的破坏、操纵效率高、降低飞机重量；

该流体驱动控制机构通过导管导通外部储存装置和中部储存装置，实现外部储存装置和中部储存装置之间的联合控制，具有可观的发展前景；

通过外部储存装置和中部储存装置中的流体质量的非对称分配可实现对飞行器的滚转姿态控制；

通过外部储存装置和中部储存装置的位置分布及其内部的流体质量分配可实现对飞行器的俯仰姿态控制；

通过控制外部储存装置中的流体质量大小，可对机翼的静态变形进行控制，实现一定的主动气动弹性控制；

同时外部储存装置、中部储存装置、导管和驱动装置均为可拆卸的外载式模块，便于整体的拆装与维护；

此外流体来源可为飞行器自身工况需求的产出，如燃油或是氢动力的飞行器所得到的水等，便于远距离的传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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是本发明优选实施方式提供的外部储存装置示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的中部储存装置示意图；

图3是本发明优选实施方式提供的整体安装示意图；

图4是本发明优选实施方式提供的外部储存装置安装示意图；

图5是本发明优选实施方式提供的中部储存装置安装示意图；

图6是本发明优选实施方式提供的工作原理示意图一；

图7是本发明优选实施方式提供的工作原理示意图二；

图8是本发明优选实施方式提供的工作原理示意图三；

图9是本发明优选实施方式提供的工作原理示意图四；

图10是本发明优选实施方式提供的工作原理示意图五。

附图标记如下：

1、机体；10、机身中部；11、机身头部；12、机身尾部；13、左侧机翼；14、右侧机翼；

2、外部储存装置；20、储存器一；200、活塞连杆组一；21、连接件一；22、连接件二；

3、中部储存装置；30、储存器二；300、活塞连杆组二；31、连接件三；32、连接件四；

4、导管；40、管体一；41、管体二；

5、驱动装置；50、驱动机械组；51、驱动设备；52、连接件五；53、连接件六；

6、连接孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其实施例如图1至图3所示，包括机体1、两个外部储存装置2、中部储存装置3、导管4和驱动装置5；机体1包括机身及其两侧连接的机翼，机身又包括为机身中部10、机身头部11和机身尾部12，机翼又包括左侧机翼13和右侧机翼14；两外部储存装置2分别与左侧机翼13的翼尖和右侧机翼14的翼尖连接，外部储存装置2包括储存器一20及其内部的活塞连杆组一200；中部储存装置3与机身中部10连接，中部储存装置3包括两个并排布置的储存器二30及其内部的活塞连杆组二300；一导管4导通左侧机翼13的储存器一20和机身中部10左侧的储存器二30，另一导管4导通右侧机翼14的储存器一20和机身中部10右侧的储存器二30；储存器一20与储存器二30内均含流体，活塞连杆组一200用于控制储存器一20中的流体转移，活塞连杆组二300用于控制储存器二30中的流体转移；驱动装置5用于驱动塞连杆组一200及活塞连杆组二300工作，促使储存器一20及储存器二30中的流体朝规定的方向流动，从而引起整个飞行器的机体1的质心转移。

在采用上述设置方式后，能防止飞机气动外形的破坏、操纵效率高、降低飞机重量；该流体驱动控制机构通过导管4导通外部储存装置2和中部储存装置3，实现外部储存装置2和中部储存装置3之间的联合控制，具有可观的发展前景；通过外部储存装置2和中部储存装置3中的流体质量的非对称分配可实现对飞行器的滚转姿态控制；通过外部储存装置2和中部储存装置3的位置分布及其内部的流体质量分配可实现对飞行器的俯仰姿态控制；通过控制外部储存装置2中的流体质量大小，可对机翼的静态变形进行控制，实现一定的主动气动弹性控制；此外流体来源可为飞行器自身工况需求的产出，如燃油或是氢动力的飞行器所得到的水等，便于远距离的传输。

如图3至图5所示，两储存器一20的轴向中线沿机翼展向方向布置，两储存器二30的轴向中线沿机身展向方向布置，在沿机身展向方向上，储存器一20与储存器二30分离布置，即储存器一20的重心与储存器二30的重心一前一后布置。

在采用上述设置方式后，可通过储存器一20和储存器二30的位置分布及其内部的流体质量分配可实现对飞行器的俯仰姿态控制。

如图4至图5所示，储存器一20和储存器二30均为柔性容器。

在采用上述设置方式后，柔性柔性包括但不限于水袋，柔性容器的使用可将储存器一20和储存器二30灵活安置于机体1的结构间隙中，减少流体驱动控制机构对原飞行器气动构型的影响。

如图3和图8所示，两导管4沿机身展向方向对称分布，其布置形式包括但不限于，每一导管4包括两个相互垂直导通的管体一40和管体二41，管体一40连接导通储存器一20，管体二41连接导通储存器二20。

在采用上述设置方式后，导管4导通储存器一20和储存器二30，实现外部储存装置2和中部储存装置3之间的联合控制，具有可观的发展前景；可通过储存器一20和储存器二30中的流体质量的非对称分配可实现对飞行器的滚转姿态控制。

如图4、图5和图8所示，驱动装置5的安装位置包括但不限于；

一，驱动装置5与中部储存装置3连接，驱动装置5包括两个并排布置且相互连接的的驱动机械组50和驱动设备51，两驱动机械组50的另一端连接于两储存器二30未连接导管4的端面，驱动装置5用于驱动活塞连杆组二300，促使储存器二30及导通的储存器一20内的流体流动。

二，驱动装置5包括两个，两驱动装置5分别与两外部储存装置2连接，驱动装置5包括相互连接的驱动机械组50和驱动设备51，驱动机械组50的另一端连接于储存器一20未连接导管4的端面，驱动装置5用于驱动活塞连杆组一200，促使储存器一20及导通的储存器二30内的流体流动。

三，驱动装置5包括三个，一个驱动装置5与中部储存装置3连接，其结构及连接方式与上述一所提及的相同，另外两个驱动装置5分别与两外部储存装置2连接，其结构及连接方式与上述二所提及的相同，在此处不多加赘述。

在采用上述设置方式后，为驱动装置5的安装提供三种不同的实施方式，使用时可根据实际需要进行选择，以便选取最合适的驱动方式；驱动装置5数量越多，其驱动力越充足，控制能力越强，稳定性越高，但相应的制作成本越高；驱动设备51包括但不限于电机驱动、泵体驱动。

如图3至图5所示，外部储存装置2、中部储存装置3和驱动装置5均设有多个连接件，多个配合连接的连接件用于将其对应的装置安装至机体1的安装位上，各装置的连接件之间的连接方式为可拆卸连接，可拆卸连接的方式包括但不限于插销连接；

外部储存装置2设有连接件一21和连接件二22，连接件一21连接于储存器一20，连接件二22连接于机翼翼尖，接件一21与连接件二22配合连接；

中部储存装置3设有多个连接件三31和多个连接件四32，多个连接件三31连接于储存器二30，多个连接件四32连接于机身中部10，连接件三31与连接件四32一一配合连接；

驱动装置5设有多个连接件五52和多个连接件六53，多个连接件五52连接于驱动连接组50，多个连接件六53连接于机身中部10，连接件五52与连接件六53一一配合连接；

接件一21、连接件二22、连接件三31、连接件四32、连接件五52和连接件六53均设有多个连接孔6，接件一21和连接件二22、连接件三31和连接件四32、连接件五52和连接件六53均通过各自的连接孔6进行插销连接。

在采用上述设置方式后，插销连接可为外部储存装置2、中部储存装置3、驱动装置5提供一种可拆卸的方式，便于整体的拆装与维护。

本发明的安装步骤如下：

如图3至图5所示，通过连接件一21和连接件二22的插销连接，将两个储存器一20分别安装于两侧的机翼翼尖；

通过连接件三31和连接件四32的插销连接，将两个并排布置的储存器二30安装于机身中部10；

将两条导管4对称安装于机体1下方，并分别导通两组储存器一20和储存器二30。

驱动装置5的安装分为三种情况，

一为仅置于中部储存装置3处的驱动装置5，其安装方式是通过连接件三31和连接件五52的连接，使驱动装置5与中部储存装置3连接，通过连接件五52和连接件六53的插销连接，将驱动装置5安装于机身中部10的下方；

二为仅置于外部储存装置2处的两个驱动装置5，其安装方式是通过连接件二22和连接件五52的连接，使两驱动装置5分别与两外部储存装置2连接，通过连接件五52和连接件六53的插销连接，将两驱动装置5分别安装于左侧机翼13的翼尖下方和右侧机翼14的翼尖下方；

三为同时置于中部储存装置3处和外部储存装置2处的三个驱动装置5，其安装方式是同时具备上述一和二两种情况的安装方式，在此不重复赘述。

以上整个流体驱动控制机构可作为控制飞行器的滚转姿态的机构，另外飞行器的飞行过程中，除需要控制滚转姿态，还需要控制还需要控制俯仰姿态，为了实现俯仰姿态的控制，则可再安装一组同款的流体驱动控制机构。

与上述步骤同理安装另一组流体驱动控制机构，该组的流体驱动控制机构原上述的流体驱动控制机构安装位置相互垂直，该组安装方式与原上述的不同之处在于两个储存器一20分别安装于机身头部11的下方和机身尾部12的下方，该组的驱动装置4的第二种情况的安装方式与原上述的不同之处在于通过连接件五52和连接件六53的插销连接，将两驱动装置5分别安装于机身头部11的下方和机身尾部12的下方；除此之外，安装步骤无不同。

以上安装的另一组流体驱动控制机构可作为控制飞行器的俯仰姿态的机构。

需要说明的是，可同时安装控制滚转姿态的流体驱动控制机构和控制俯仰姿态的流体驱动控制机构，通过两个不同的流体驱动控制机构对两种形式的姿态进行分别控制；亦可仅安装控制滚转姿态的流体驱动控制机构，通过不同的操作手段，同时起到滚转姿态和俯仰姿态的控制。

以下将对上述两种情况分为两个不同的实施例进行工作原理的阐述。

第一个实施例为同时安装控制滚转姿态的流体驱动控制机构和控制俯仰姿态的流体驱动控制机构，其工作原理如下：

常规气动舵面对于滚转姿态的控制方式，是通过舵面的偏转，在飞行器两侧机翼翼面产生不对称的控制力，控制力对飞行器质心的力矩即为滚转力矩。

如图6至8所示，本实施例创新性地采用变质心原理，飞行器的机翼的气动力保持不变，即飞行过程中两侧机翼所受的力是对称的，当质心位于机身中部10时，由于两侧机翼受力对称，因而两侧气动力对飞行器质心滚转轴取力矩为零，即没有滚转力矩。而当控制滚转姿态的流体驱动控制机构对其中的流体进行传输，即左侧机翼13的储存器一20中的流体通过导管4传输至机身中部10左侧的储存器二30中，机身中部10右侧的储存器二30中的流体通过导管4传输至右侧机翼14的储存器一20中，实现了流体质量向右侧机翼14方向转移，且由于左侧机翼13的储存器一20到机身中部10左侧的储存器二30的流体与机身中部10右侧的储存器二30到右侧机翼14的储存器一20的流体体积相同，即在机身展向方向上不存在质量转移，此时质心仅向右侧机翼14方向转移，该过程并未改变机翼的气动外形，故机翼所受的气动力保持不变，且质心向右侧机翼14方向转移，导致左右两侧受力不对称，此时取力矩不为零，产生了滚转力矩；同理，流体反方向传输可实现流体质量向左侧机翼13方向转移，此时质心仅向左侧机翼13方向转移，产生相反的滚转力矩。

与上述同理，控制俯仰姿态的流体驱动控制机构亦可实现流体质量向机身头部11或机身尾部12转移；流体质量向机身头部11方向转移时，质心仅向机身头部11方向转移，产生俯仰力矩；流体质量向机身尾部12方向转移时，质心仅机身尾部12方向转移，产生相反的俯仰力矩。

需要说明的是，控制滚转姿态的流体驱动控制机构和控制俯仰姿态的流体驱动控制机构可同时工作，使得滚转力矩和俯仰力矩的同时产生，实现滚转与俯仰耦合的情况。

第二个实施例为仅安装控制滚转姿态的流体驱动控制机构，其工作原理如下：

本实施例对滚转姿态的控制与第一个实施例相同，因此不做重复赘述。

如图9所示，本实施例对俯仰姿态的控制是通过将左侧机翼13的储存器一20中的流体通过导管4传输至机身中部10左侧的储存器二30中，同时将右侧机翼14的储存器一20中的流体通过导管4传输至机身中部10右侧的储存器二30中，实现流体质量向中部转移，且传输至两储存器二30的流体体积相同，即在机翼展向方向上不存在质量偏移，此时质心仅向机身尾部12方向的移动，进而实现机身头部11上仰，机身尾部12下俯；同理，流体反方向传输，实现流体质量向两翼转移，此时质心仅向机身头部11方向的移动，进而实现机身尾部12上仰，机身头部11下俯。

需要说明的是，在飞行器转弯时，需要同时产生滚转力矩和俯仰力矩，如图10所示，在仅有一组流体驱动控制机构的情况下，通过将左侧机翼13的储存器一20中的流体通过导管4传输至机身中部10左侧的储存器二30中，同时将右侧机翼14的储存器一20中的流体通过导管4传输至机身中部10右侧的储存器二30中，传输至机身中部10左侧的储存器二30中的流体小于传输至机身中部10右侧的储存器二30，即在留在左侧机翼13的储存器一20中的流体质量大于留在右侧机翼14的储存器一20中的质量，质心向左侧机翼13方向偏移，同时由于机身中部10的两储存器二30中的流体质量均大于初始值，质心向机身尾部12方向偏移，最终实现的效果为质心向左后方偏移，即同时产生了滚转力矩与俯仰力矩；同理，流体经过不同组合的传输方向，最终可分别实现质心向右后方、左前方、右前方偏移，同时产生滚转力矩与俯仰力矩。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，

包括机体、两个外部储存装置、中部储存装置、导管和驱动装置；

所述机体包括机身及其两侧连接的机翼；

两所述外部储存装置分别与两侧所述机翼连接，所述外部储存装置包括储存器一及其内部的活塞连杆组一；

所述中部储存装置与所述机身中部连接，所述中部储存装置包括两个并排布置的储存器二及其内部的活塞连杆组二；

一所述导管导通位于左侧所述机翼的所述储存器一和位于所述机身左侧的储存器二，另一所述导管导通位于右侧所述机翼的所述储存器一和位于所述机身右侧的所述储存器二；

所述储存器一与所述储存器二内均含流体，所述活塞连杆组一用于控制所述储存器一中的流体转移，所述活塞连杆组二用于控制所述储存器二中的流体转移；

所述驱动装置用于驱动所述塞连杆组一及活塞连杆组二工作，促使储存器一及储存器二中的流体朝规定的方向流动，从而引起所述机体的质心转移。

2.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，两所述储存器一的轴向中线沿所述机翼展向方向布置，两所述储存器二的轴向中线沿所述机身展向方向布置。

3.根据权利要求2所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，在沿所述机身展向方向上，所述储存器一与所述储存器二分离布置。

4.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，所述储存器一和所述储存器二均为柔性容器。

5.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，两所述导管沿所述机身展向方向对称分布。

6.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，所述驱动装置与所述中部储存装置连接。

7.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，所述驱动装置包括两个，两所述驱动装置分别与两所述外部储存装置连接。

8.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，所述驱动装置包括三个，一个所述驱动装置与所述中部储存装置连接，另外两个所述所述驱动装置分别与两所述外部储存装置连接。

9.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，所述外部储存装置、中部储存装置和所述驱动装置均设有多个连接件，多个配合连接的所述连接件用于将其对应的装置安装至所述机体的安装位上。

10.根据权利要求1所述的用于飞行器姿态控制的流体驱动控制机构，其特征在于，各装置的所述连接件之间的连接方式为可拆卸连接。

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