CN116513455A - 一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器 - Google Patents

一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器 Download PDF

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CN116513455A CN202310413670.5A CN202310413670A CN116513455A CN 116513455 A CN116513455 A CN 116513455A CN 202310413670 A CN202310413670 A CN 202310413670A CN 116513455 A CN116513455 A CN 116513455A
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周建波
朱俊杰
陈律
江游
李焯晨
沈宇峰
张锐
贺东京
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Changsha Aviation Vocational And Technical College Air Force Aviation Maintenance Technical College
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Abstract

本发明提供了一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，包括机身、上机翼、下机翼、动力系统、变距系统和组合式操纵舵面；飞行器采用尾座式加四旋翼飞行器的气动布局，在垂直起降、悬停和过渡阶段为四旋翼飞行器模式，在平飞阶段为固定翼飞行器模式；上机翼、下机翼分别设置在飞行器处于平飞状态时机身的上端、下端；动力系统为四组，分别设置在上机翼、下机翼的两侧；所述变距系统与所述动力系统一一对应设置，所述变距系统可以调整旋翼的桨距；所述组合式操纵舵面由四个操纵舵面组成，可兼具副翼、升降舵和方向舵功能。与其他的垂直起降固定翼飞行器相比，本发明具有操纵性高、可靠性高、飞行效率高、结构简单、重量轻和航程远等优点。

Description

一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器。
背景技术
在飞行器中，固定翼飞行器因具有飞行时间长和航程远的特点而被广泛应用。然而，固定翼飞行器在起飞和降落阶段一般均需要进行长距离滑行的跑道，这对其使用环境有较大的限制。
某些小型固定翼飞行器采用了弹射起飞或手抛起飞，降落伞辅助降落的方式，虽然不需要专门的跑道，但是在起飞时需要借助专门的弹射器或者经过专业训练的操作人员；在降落时，虽然降落伞能够减缓小型固定翼飞行器落地的冲击力，但是对飞行器仍有一定的损伤，显然也不是理想的起飞降落方式。
垂直起降固定翼飞行器虽然能够解决以上问题，但是也存缺点。具体的，现有的垂直起降固定翼飞行器主要包括以下几种形式：
(1)第一种为倾转旋翼类型，如美国的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机，通过倾转旋翼或发动机使动力方向实现从水平到垂直的相互转换，动力方向为垂直时，可垂直起降和悬停，动力方向为水平时，可高速平飞。该类型飞行器的缺点是动力倾转机构会增加结构重量和复杂程度、降低可靠性，且控制难度大，容易发生飞行事故。
(2)第二种为旋翼螺旋桨型，如纵横大鹏系列和远度科技灵隼系列无人机，飞行器同时具有水平位置和竖直位置的两套动力系统；在起飞和降落时，水平位置的旋翼旋转，产生向上的升力；在平飞时，竖直位置的螺旋桨旋转，产生向前的推力，依靠机翼产生升力。这种类型飞行器的缺点是在平飞阶段，水平位置的旋翼不需要旋转，不产生任何积极效果，反而增加了飞行器的重量，降低了飞行器的效率。
(3)第三种为尾座式，通过偏转飞行器机身来使飞行器实现水平飞行和垂直起降的状态转换。这种类型飞行器的缺点是在垂直起降与悬停阶段，由于飞行速度较慢，再加上旋翼滑流作用的影响，操纵效率低，抗风性能差。此外，不论是在垂直起降阶段还是平飞阶段，飞行器都是利用同一套旋翼动力。然而，飞行器在垂直起降阶段，需要小桨距旋翼以产生较大的静拉力；在平飞阶段，需要大桨距旋翼以获得最大效率。因此，旋翼在垂直起降和平飞两种飞行状态下不都在最佳工作状态，整体效率低、续航性能差。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，具体技术方案如下：
一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，包括机身、上机翼、下机翼、动力系统、变距系统和组合式操纵舵面；
所述上机翼设置在所述飞行器处于平飞状态时机身的上端，所述下机翼设置在所述飞行器处于平飞状态时机身的下端；
所述动力系统的数量为四组，其中两组设置在所述上机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼的前缘；另外两组设置在所述下机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼的前缘；每组所述动力系统均包括旋翼和动力部件；相邻所述旋翼的旋转方向相反；
所述变距系统的数量为四组，且与所述动力系统一一对应设置；所述动力部件通过所述变距系统连接所述旋翼；
所述组合式操纵舵面由四个可被独立控制的操纵舵面组成，其中两个操纵舵面设置在所述上机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼的后缘；另外两个操纵舵面设置在所述下机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼的后缘。
可选的，在每组所述动力系统中，所述旋翼均包括转轴、桨毂和叶片；所述桨毂的数量为两个，且对称设置在所述转轴的两端；所述叶片的数量为两个，且分别连接在所述桨毂远离所述转轴的端部；所述动力部件通过所述变距系统连接所述桨毂。
可选的，每组所述变距系统均包括第一舵机、舵盘、第一连接杆、摇臂、第一变距连接架、第二变距连接架和第二连接杆；
所述第一舵机和所述第一变距连接架均设置在所述上机翼上或所述下机翼上；所述舵盘的一端与所述第一舵机连接，而另一端与所述第一连接杆的一端铰接；所述第一连接杆的另一端与所述摇臂的一端铰接，所述摇臂的另一端与所述第二变距连接架铰接；所述摇臂的中部与所述第一变距连接架连接；
所述第二变距连接架套设在所述动力部件的输出轴上，且其端部通过所述第二连接杆与所述桨毂连接。
可选的，所述组合式操纵舵面中的每个操纵舵面均包括舵面和第二舵机，所述第二舵机设置在所述上机翼上或所述下机翼上，且其输出端与所述舵面连接，可带动所述舵面转动。
可选的，所述的具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器还包括起落架，所述起落架的数量为四个，其中两个设置在所述上机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼的后缘的两端端部；另外两个设置在所述下机翼的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼的后缘的两端端部。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明所述具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，相较于其他的可垂直起降固定翼飞行器，具有以下优点：第一、设计了尾座式加四旋翼飞行器的气动布局，本飞行器在垂直起降、悬停以及过渡阶段为四旋翼飞行器模式，该阶段不需要通过控制操纵舵面来控制飞行器的姿态，而是像四旋翼飞行器一样，通过分别控制上、下机翼所安装旋翼的转速，控制四个旋翼产生升力的大小，从而控制飞行器的姿态，提高了飞行器的操纵性和可靠性；第二、设计了可兼具副翼、升降舵和方向舵功能的组合式操纵舵面，取消了尾翼，具有结构简单、重量轻和航程远的优点；第三、通过控制组合式操纵舵面或上机翼、下机翼所安装旋翼的转速，均可以控制飞行器的俯仰和偏航，当组合式操纵舵面的控制或旋翼转速的控制发生故障时，仍可以操纵飞行器，具有安全性高的优点；第四、设计了变距系统，可以根据飞行状态的变化调整桨距，使旋翼始终保持在最佳效率状态下工作，提高了飞行器的效率，增大了飞行器的航时。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中的一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器的立体结构示意图；
图2是图1中的变距系统的结构示意图；
图3是本发明实施例1中的一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器在垂直起飞和垂直降落阶段的结构示意图；
图4是本发明实施例1中的一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器在平飞前调整阶段和降落前调整阶段的结构示意图；
图5是是本发明实施例1中的一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器在平飞阶段的结构示意图；
其中，1、机身，2、上机翼，3、下机翼，4、动力系统，4.1、转轴，4.2、桨毂，4.3、叶片，4.4、动力部件，4a、上左旋翼，4b、上右旋翼，4c、下左旋翼，4d、下右旋翼，5、变距系统，5.1、第一舵机，5.2、舵盘，5.3、第一连接杆，5.4、摇臂，5.5、第一变距连接架，5.6、第二变距连接架，5.7、第二连接杆，6、组合式操纵舵面，6.1、第二舵机，6a、上左舵面，6b、上右舵面，6c、下左舵面，6d、下右舵面，7、起落架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见图1，一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，包括机身1、上机翼2、下机翼3、动力系统4、变距系统5和组合式操纵舵面6；
所述上机翼2设置在所述飞行器处于平飞状态时机身1的上端，所述下机翼3设置在所述飞行器处于平飞状态时机身1的下端；所述动力系统4的数量为四组，其中两组设置在所述上机翼2的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼2的前缘；另外两组设置在所述下机翼3的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼3的前缘；每组所述动力系统4均包括旋翼和动力部件4.4；相邻所述旋翼的旋转方向相反，如上机翼左侧旋翼(即上左旋翼4a)与上机翼右侧旋翼(即上右旋翼4b)、下机翼左侧旋翼(即下左旋翼4c)的旋转方向相反；
所述变距系统5的数量为四组，且与所述动力系统4一一对应设置；所述动力部件4.4通过所述变距系统5连接所述旋翼；
所述组合式操纵舵面6由四个可被独立控制的操纵舵面组成，其中两个操纵舵面设置在所述上机翼2的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼2的后缘；另外两个操纵舵面设置在所述下机翼3的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼3的后缘。
在每组所述动力系统4中，所述旋翼均包括转轴4.1、桨毂4.2和叶片4.3；所述桨毂4.2的数量为两个，且对称设置在所述转轴4.1的两端；所述叶片4.3的数量为两个，且分别连接在所述桨毂4.2远离所述转轴4.1的端部；所述动力部件4.4通过所述变距系统5连接所述桨毂4.2。
参见图2，每组所述变距系统5均包括第一舵机5.1、舵盘5.2、第一连接杆5.3、摇臂5.4、第一变距连接架5.5、第二变距连接架5.6和第二连接杆5.7；
所述第一舵机5.1和所述第一变距连接架5.5均设置在所述上机翼2上或所述下机翼3上；所述舵盘5.2的一端与所述第一舵机5.1连接，而另一端与所述第一连接杆5.3的一端铰接；所述第一连接杆5.3的另一端与所述摇臂5.4的一端铰接，所述摇臂5.4的另一端与所述第二变距连接架5.6铰接；所述摇臂5.4的中部与所述第一变距连接架5.5连接；
所述第二变距连接架5.6套设在所述动力部件4.4的输出轴上，且其端部通过所述第二连接杆5.7与所述桨毂4.2连接，通过所述动力部件4.4带动所述第二变距连接架5.6上下运动，进而带动桨毂4.2绕着桨毂4.2的轴线偏转，达到变距的效果。所述变距系统5可以根据飞行器飞行状态的变化调整桨距，在垂直起降状态下，减小桨距以产生较大的静拉力，在平飞状态下，增大桨距以提高效率，使旋翼始终保持在最佳效率状态下工作，提高了飞行器的效率，增大了飞行器的航时。
所述组合式操纵舵面6中的每个操纵舵面均包括舵面和第二舵机6.1，所述第二舵机6.1设置在所述上机翼2上或所述下机翼3上，且其输出端与所述舵面连接，可带动所述舵面转动。
参见图5，在平飞阶段，沿飞行器飞行方向，当设置在所述上机翼2和所述下机翼3同一侧的所述舵面向上(或向下)偏转，且设置在所述上机翼2和所述下机翼3另一侧的所述舵面向下(或向上)偏转，可产生滚转力矩，使飞行器左(或右)滚转，组合式操纵舵面6可实现副翼的功能；
当设置在所述上机翼2两侧的所述舵面和设置在所述下机翼3两侧的所述舵面都向上(或向下)偏转，可产生俯仰力矩，使飞行器抬头(或低头)，组合式操纵舵面6可实现升降舵的功能；
当设置在所述上机翼2左(或右)侧的所述舵面向上偏转、设置在所述下机翼3左(或右)侧的所述舵面向下偏转，且设置在所述上机翼2右(或左)侧的所述舵面和设置在所述下机翼3右(或左)侧的所述舵面不偏转，可产生偏航力矩，使飞行器左(或右)偏航，组合式操纵舵面6可实现方向舵的功能；
因此，所述组合式操纵舵面6可实现副翼、升降舵和方向舵的功能，除旋翼飞行器之外，传统的飞行器几乎都需要尾翼来控制飞行器的姿态，如偏航和俯仰。与其他有尾翼的同类飞行器相比，本飞行器不需要尾翼，具有结构简单、重量轻和航程远的优点。
另外，参见图5，在平飞阶段，通过增大上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速或减小下左旋翼4c和下右旋翼4d(即下机翼右侧旋翼)的转速，可使飞行器低头，通过增大下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速或减小上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速，可使飞行器抬头；
通过增大上左旋翼4a和下左旋翼4c的转速或减小上右旋翼4b和下右旋翼4d的转速，可使飞行器向右偏航；
通过增大上右旋翼4b和下右旋翼4d的转速或减小上左旋翼4a和下左旋翼4c的转速，可使飞行器向左偏航；
因此，本发明还可通过控制上左旋翼4a、上右旋翼4b、下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速，进而控制飞行器的俯仰和偏航。
本发明可通过控制组合式操纵舵面6或控制上左旋翼4a、上右旋翼4b、下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速，均可以控制飞行器的俯仰和偏航，当组合式操纵舵面6的控制或上左旋翼4a、上右旋翼4b、下左旋翼4c和下右旋翼4d转速的控制发生故障时，仍可以控制飞行器的俯仰和偏航，具有安全性高的优点。
所述具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器还包括起落架7，所述起落架7的数量为四个，其中两个设置在所述上机翼2的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼2的后缘的两端端部；另外两个设置在所述下机翼3的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼3的后缘的两端端部。
图3-5展示出了本发明飞行器的飞行轨迹图，飞行器的飞行过程包括垂直起飞阶段，如图3所示；平飞前调整阶段，也称为过渡阶段，如图4所示；平飞阶段，如图5所示；降落前调整阶段，也称为过渡阶段，如图4所示；以及垂直降落阶段，如图3所示。以下对各阶段进行具体描述：
一、垂直起飞阶段
飞行器通过起落架7垂直地放置在起飞平面上，所述上机翼2和所述下机翼3的前缘向上，所述上机翼2和所述下机翼3的后缘向下；4个旋翼的旋转平面位于水平面。4个旋翼的转速相同，相邻的2个旋翼的旋转方向相反，旋翼旋转产生竖直向上的升力，当4个旋翼产生的升力之和大于飞行器自身重力时，飞行器以旋翼飞行器模式垂直起飞。
二、平飞前调整阶段(也称为过渡阶段)
当飞行器垂直起飞后，通过增大上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速或减小下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速，产生低头力矩，使飞行器逐渐低头，可使飞行器从旋翼飞行器模式逐渐切换至固定翼飞行器模式。本发明设计了尾座式加四旋翼飞行器的气动布局，飞行器在垂直起降、悬停以及过渡阶段为四旋翼飞行器模式，该阶段不需要通过控制操纵舵面来控制飞行器的姿态，而是像四旋翼飞行器一样，通过分别控制所述上机翼2、所述下机翼3所安装旋翼的转速，控制四个旋翼产生升力的大小，从而控制飞行器的姿态，提高了飞行器的操纵性和可靠性。
三、平飞阶段
当飞行器的姿态调整到水平时，4个旋翼的旋转平面位于竖直平面，此时4个旋翼产生向前的推力，所述上机翼2、所述下机翼3产生向上的升力，飞行器以固定翼飞行器模式飞行，飞行器能够以一个较快的速度平飞。
通过增大上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速或减小下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速，可使飞行器低头，通过增大下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速或减小上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速，可使飞行器抬头；此外，通过控制组合式操纵舵面6的上左舵面6a(即设置在所述上机翼2左侧的所述舵面)、上右舵面6b(即设置在所述上机翼2右侧的所述舵面)、下左舵面6c(即设置在所述下机翼3左侧的所述舵面)和下右舵面6d(即设置在所述下机翼3右侧的所述舵面)都向上(或向下)偏转，也可产生俯仰力矩，使飞行器抬头(或低头)。
通过增大上左旋翼4a和下左旋翼4c的转速或减小上右旋翼4b和下右旋翼4d的转速，可使飞行器向右偏航，通过增大上右旋翼4b和下右旋翼4d的转速或减小上左旋翼4a和下左旋翼4c的转速，可使飞行器向左偏航；此外，通过控制组合式操纵舵面6的上左舵面6a(或上右舵面6b)向上偏转，下左舵面6c(或下右舵面6d)向下偏转，且上右舵面6b(或上左舵面6a)和下右舵面6d(或下左舵面6c)不偏转，也可产生偏航力矩，使飞行器左(或右)偏航。
通过控制组合式操纵舵面6的上左舵面6a和下左舵面6c向上(或向下)偏转，上右舵面6b和下右舵面6d向下(或向上)偏转，可产生滚转力矩，使飞行器左(或右)滚转。
四、降落前调整阶段(也称为过渡阶段)
当飞行器准备要降落时，通过增大下左旋翼4c和下右旋翼4d的转速或减小上左旋翼4a和上右旋翼4b的转速，产生抬头力矩，使飞行器逐渐抬头，可使飞行器从固定翼飞行器模式逐渐切换至旋翼飞行器模式。
五、竖直降落阶段
降落阶段，飞行器处于旋翼飞行器模式，4个旋翼的旋转平面位于水平面。逐渐减小4个旋翼的转速，当4个旋翼产生的升力之和小于飞行器自身重力时，飞行器以旋翼飞行器模式竖直降落。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，其特征在于，包括机身(1)、上机翼(2)、下机翼(3)、动力系统(4)、变距系统(5)和组合式操纵舵面(6)；
所述上机翼(2)设置在所述飞行器处于平飞状态时机身(1)的上端，所述下机翼(3)设置在所述飞行器处于平飞状态时机身(1)的下端；
所述动力系统(4)的数量为四组，其中两组设置在所述上机翼(2)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼(2)的前缘；另外两组设置在所述下机翼(3)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼(3)的前缘；每组所述动力系统(4)均包括旋翼和动力部件(4.4)；相邻所述旋翼的旋转方向相反；
所述变距系统(5)的数量为四组，且与所述动力系统(4)一一对应设置；所述动力部件(4.4)通过所述变距系统(5)连接所述旋翼；
所述组合式操纵舵面(6)由四个可被独立控制的操纵舵面组成，其中两个操纵舵面设置在所述上机翼(2)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼(2)的后缘；另外两个操纵舵面设置在所述下机翼(3)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼(3)的后缘。
2.根据权利要求1所述的具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，其特征在于，在每组所述动力系统(4)中，所述旋翼均包括转轴(4.1)、桨毂(4.2)和叶片(4.3)；所述桨毂(4.2)的数量为两个，且对称设置在所述转轴(4.1)的两端；所述叶片(4.3)的数量为两个，且分别连接在所述桨毂(4.2)远离所述转轴(4.1)的端部；所述动力部件(4.4)通过所述变距系统(5)连接所述桨毂(4.2)。
3.根据权利要求2所述的具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，其特征在于，每组所述变距系统(5)均包括第一舵机(5.1)、舵盘(5.2)、第一连接杆(5.3)、摇臂(5.4)、第一变距连接架(5.5)、第二变距连接架(5.6)和第二连接杆(5.7)；
所述第一舵机(5.1)和所述第一变距连接架(5.5)均设置在所述上机翼(2)上或所述下机翼(3)上；所述舵盘(5.2)的一端与所述第一舵机(5.1)连接，而另一端与所述第一连接杆(5.3)的一端铰接；所述第一连接杆(5.3)的另一端与所述摇臂(5.4)的一端铰接，所述摇臂(5.4)的另一端与所述第二变距连接架(5.6)铰接；所述摇臂(5.4)的中部与所述第一变距连接架(5.5)连接；
所述第二变距连接架(5.6)套设在所述动力部件(4.4)的输出轴上，且其端部通过所述第二连接杆(5.7)与所述桨毂(4.2)连接。
4.根据权利要求1所述的具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，其特征在于，所述组合式操纵舵面(6)中的每个操纵舵面均包括舵面和第二舵机(6.1)，所述第二舵机(6.1)设置在所述上机翼(2)上或所述下机翼(3)上，且其输出端与所述舵面连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的具有组合式操纵舵面的尾座式四变距旋翼飞行器，其特征在于，还包括起落架(7)，所述起落架(7)的数量为四个，其中两个设置在所述上机翼(2)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时上机翼(2)的后缘的两端端部；另外两个设置在所述下机翼(3)的两侧，且位于所述飞行器处于平飞状态时下机翼(3)的后缘的两端端部。
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