CN116692055A - 一种双发动机的小型长航时无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双发动机的小型长航时无人机，采用高效低耗油率的活塞发动机，优化设计整机外形以提高升阻比；利用高效的能源管理系统实时监测和控制飞行功耗，提高能量利用效率；合理设计和有效集成各部件快拆卡扣、电气系统接口，提升了操作便捷性，降低了运维难度；利用高性能复合材料和优化铺层设计，大幅降低了结构重量，进而实现了无人机超长航时的飞行续航时间(24小时以上)，提升了无人机作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人机，属于无人航空飞行器中飞机设计技术领域。
背景技术
现有纯电动倾转旋翼无人机航时较短，在1h以内，搭载载荷较少；混合动力和燃油动力无人机航时长，但使用维护不方便，操作复杂，且震动大，对任务载荷的测量结果有影响。另外，现有长航时无人机大多采用滑跑起飞的方式，起飞过程需要在专用的跑道进行，且对跑道宽度、长度、周围环境都有较高的要求，不利于便携管理和灵活机动配置。
本申请提案中相比于常规长航时无人机，采用燃油发动机方案，通过优良的气动外形优化设计提高升阻比；高效的能源管理系统能够实时监控飞行功耗，提高能量利用率；并对各部件快拆卡扣、电气系统接口等进行合理的设计和有效的集成；采用高性能复合材料，大幅降低结构重量，因此实现无人机超长航时的飞行续航时间(24h以上)，提升无人机作业效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种双发动机的小型长航时无人机，其特征在于包括：
机身、机翼、平尾、动力装置，
其中：
机身外形采用飞行阻力小的流线型设计，机头为钝头体，
机身包括前机身和后机身，前机身和后机身通过连接框段套接，前后两个连接框段通过四颗螺栓紧固，连接框段上部半圆槽比下部半圆槽外形尺寸小，因此能够防止安装人员将前机身和后机身对接安装时上下装反，确保在户外场地进行前机身和后机身安装连接的快速可靠；
前机身的上部设置三个大开口区域：前设备舱盖、中部机翼安装面和后伞仓盖，
前设备舱盖采用“透波玻璃纤维+聚甲基丙烯酰亚胺泡沫”的夹层结构成型，以避免对机身内部的天线电磁波造成遮挡和/或屏蔽，
后伞仓盖与前机身采用后部扭簧铰链+前部舵机闭合控制，需要打开后伞仓盖时，前部舵机偏转90度，使后伞仓盖在后部扭簧的作用下自动向后弹开，便于内部降落伞的释放，
后机身的下部设置一个小维护口盖，便于机载设备的安装调试，
后机身与垂尾一体成型，从而内部减少框和肋的设置，
垂尾的后部设置方向舵，
方向舵的梢部向前延申至垂尾的前缘，构成气动补偿结构，以降低方向舵的铰链力矩和/或载荷，
方向舵由两个舵机共同操控，以提升可靠性，
前机身和中央翼依靠上下左右多颗螺栓紧固，螺栓通过后伞舱盖下部伞舱空间进行操作安装紧固，不对机身额外增加工艺和维修口盖，
机翼为双梁式结构，包括中央翼、外翼段、翼梢小翼、副翼，在中央翼前部通过吊挂结构吊挂动力装置，吊挂结构与中央翼共固化一体成型，以降低结构重量；中央翼与机身采用上下连接；
中央翼的下部设置与弹射架连接的金属结构件，实现无人机在弹射架上的固定和释放，
机翼采用大展弦比，前缘为S形曲线，机翼的中央翼与机身融合，
机翼在翼梢小翼处收敛，以降低机翼的诱导阻力；
机翼的后缘平直，便于副翼舵面的安装和旋转，
副翼舵面采用无连杆设计，在翼面外部无外露的结构件，以保证上下翼面的完整光滑，
副翼舵面的前缘与翼面内嵌，以保证气流顺滑流过。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的整机等轴测图。
图2为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的整机侧视图。
图3为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的整机俯视图。
图4为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的另一整机等轴测图。
图5为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的又一整机等轴测图。
图6为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的前机身局部图。
图7为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的后机身局部图。
图8为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的弹射架局部图。
图9为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的另一前机身局部图。
图10为根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机的另一后机身局部图。
具体实施方案
现在通过实例对本发明的实施方式进行说明。
如图1-图10所示，本发明采用常规机翼+正常尾翼布局，机翼展弦比较大，升阻特性良好；正常尾翼布局最为常规，能够提供较好的纵向和航向操稳特性；结构简单可靠，加工制造和装配相对简单，降低成本。采用翼吊双发动力方式，两台燃油发动机，并设计专用减速器系统，带动高性能碳纤维螺旋桨提供向前的拉力；燃油发动机配置机载发电机系统，能够为机载设备和任务载荷提供充足供电。
根据本发明的一个实施例的双发动机的小型长航时无人机如附图1所示，包括：机身1、机翼2、平尾3、动力装置4。
(1)气动外形优化设计
本发明无人机进行了充分合理的气动外形优化设计，能够有效降低巡航飞行空气阻力，具体如下：
1)机身外形采用飞行阻力小的流线型设计，机头为钝头体，保证充足的机体内部空间，尾部按流线型轮廓收敛，能够有效减小机身部分的压差阻力。
2)机翼采用较大展弦比，前缘为S形曲线，中央翼201与机身1融合设计，减小部件间的干扰阻力；在翼梢小翼203处收敛，有效降低机翼2的诱导阻力；机翼2后缘平直，便于副翼舵面204的安装和旋转。
副翼舵面204采用无连杆设计，在翼面外部无外露的结构件，保证上下翼面的完整光滑，副翼舵面204前缘与翼面内嵌设计，保证气流顺滑流过，降低气动阻力。
(2)高可靠和易维护的结构设计
全机部件主要分为机身1、机翼2、平尾3、动力装置4。
机翼2为典型双梁式结构设计，包括中央翼201、外翼段202、翼梢小翼203、副翼204；在中央翼201前部吊挂动力装置4，吊挂结构401采用钛合金和铝锂合金，确保连接强度和刚度的同时有效降低结构重量；吊挂金属结构401与中央翼201共固化一体成型，显著降低该处连接件的结构重量；中央翼201与机身1采用上下连接，共有6颗螺栓110紧固，局部蒙皮和结构有增厚和加强；另外中央翼201下部设置与弹射架5连接的金属结构件501，实现无人机在弹射架5上的固定和释放。
机身分为前机身101和后机身102，两者通过创新设计的连接框段109(图6)套接，连接框段109外形上下有差异，具备防呆设计，确保外场机身连接的快速可靠；前机身和后机身依靠上下左右六颗螺栓110紧固，螺栓110通过前机身后部的伞仓空间进行操作，不对机身额外增加工艺和维修口盖，提升结构承载效率，确保轻质结构条件下足够的连接强度和刚度。
前机身101上部设置三个大开口区域，前设备舱盖103、中部机翼安装面和后伞仓盖104，其中前设备舱盖103要求机身内部的天线电磁波不受遮挡和屏蔽，因此采用透波玻璃纤维+PMI硬质泡沫的夹层结构成型，后伞仓盖104采用碳纤维模压成型，与机身101采用后部扭簧铰链+前部舵机111闭合控制，需要开盖时，前部舵机109偏转90度，后伞仓盖104在后部扭簧的作用下自动向后弹开，便于内部降落伞的释放。
后机身102下部设置一个小维护口盖105，便于机载设备的安装调试；后机身105与垂尾106一体成型，内部减少框和肋的设置，提升结构效率，降低结构重量；另外方向舵107梢部向前延申至垂尾106的前缘，构成气动补偿结构，降低了方向舵107铰链力矩和载荷；垂尾106的后部设置方向舵107，由两颗舵机108共同操控，提升系统可靠性和冗余。
3平尾采用全动平尾设计，转轴设置在根肋靠前位置，有效降低平尾铰链力矩；转轴采用高性能缠绕碳纤维薄壁管材，减重效果明显；平尾操控舵机通过摇臂控制转轴，带动左右平尾旋转；舵机安装在后机身后部，平尾上无电器元件、操纵机构和线缆，有效降低系统重量，提高整机纵向操稳特性。
本发明的有益效果包括：
1)本发明机身外形采用飞行阻力小的流线型设计，机头为钝头体，保证充足的机体内部空间，尾部按流线型轮廓收敛，能够有效减小机身部分的压差阻力。
2)本发明机翼采用较大展弦比，前缘为S形曲线，中央翼与机身融合设计，减小部件间的干扰阻力；在翼梢小翼处收敛，有效降低机翼的诱导阻力。
3)本发明副翼舵面采用无连杆设计，在翼面外部无外露的结构件，保证上下翼面的完整光滑，副翼舵面前缘与翼面内嵌设计，保证气流顺滑流过，降低气动阻力。
4)本发明采用正常尾翼布局，能够提供较好的纵向和航向操稳特性；结构简单可靠，加工制造和装配相对简单，降低成本。
5)本发明采用了轻量化高结构效率的全机结构设计，各连接金属件，采用高强度钛合金和铝锂合金数控加工，确保结构强度和刚度的同时有效减重；活动部件操纵冗余备份，提升可靠性；复材部件大量采用共固化结构，显著降低全机结构部件，降低外场操作和维护难度。
6)本发明的无人机平尾采用全动平尾设计，有效降低平尾铰链力矩；转轴采用高性能缠绕碳纤维薄壁管材，减重效果明显，提高整机纵向操稳特性。
Claims (4)
1.一种双发动机的小型长航时无人机，其特征在于包括：
机身(1)、机翼(2)、平尾(3)、动力装置(4)，
其中：
机身外形采用飞行阻力小的流线型设计，机头为钝头体，
机身包括前机身(101)和后机身(102)，前机身(101)和后机身(102)通过连接框段(109)套接，前后两个连接框段(109)通过四颗螺栓(114)紧固，连接框段(109)上部半圆槽(112)比下部半圆槽(113)外形尺寸小，因此能够防止安装人员将前机身(101)和后机身(102)对接安装时上下装反，确保在户外场地进行前机身(101)和后机身(102)安装连接的快速可靠；
前机身(101)的上部设置三个大开口区域：前设备舱盖(103)、中部机翼安装面(115)和后伞仓盖(104)，
前设备舱盖(103)采用“透波玻璃纤维+聚甲基丙烯酰亚胺泡沫”的夹层结构成型，以避免对机身内部的天线电磁波造成遮挡和/或屏蔽，
后伞仓盖(104)与前机身(101)采用后部扭簧铰链+前部舵机(111)闭合控制，需要打开后伞仓盖(104)时，前部舵机偏转90度，使后伞仓盖(104)在后部扭簧的作用下自动向后弹开，便于内部降落伞的释放，
后机身(102)的下部设置一个小维护口盖(105)，便于机载设备的安装调试，
后机身(102)与垂尾(106)一体成型，从而内部减少框和肋的设置，
垂尾(106)的后部设置方向舵(107)，
方向舵(107)的梢部向前延申至垂尾(106)的前缘，构成气动补偿结构，以降低方向舵(107)的铰链力矩和/或载荷，
方向舵由两个舵机(108)共同操控，以提升可靠性，
前机身(101)和中央翼(201)依靠上下左右多颗螺栓(110)紧固，螺栓(110)通过后伞舱盖(104)下部伞舱空间(116)进行操作安装紧固，不对机身额外增加工艺和维修口盖，
机翼为双梁式结构，包括中央翼(201)、外翼段(202)、翼梢小翼(203)、副翼(204)，在中央翼前部通过吊挂结构(401)吊挂动力装置(4)，吊挂结构(401)与中央翼(201)共固化一体成型，以降低结构重量；中央翼(201)与机身采用上下连接；
中央翼(201)的下部设置与弹射架(5)连接的金属结构件(501)，实现无人机在弹射架上的固定和释放，
机翼采用大展弦比，前缘为S形曲线，机翼的中央翼(201)与机身融合，
机翼在翼梢小翼(203)处收敛，以降低机翼的诱导阻力；
机翼的后缘平直，便于副翼舵面(204)的安装和旋转，
副翼舵面(204)采用无连杆设计，在翼面外部无外露的结构件，以保证上下翼面的完整光滑，
副翼舵面(204)的前缘与翼面内嵌，以保证气流顺滑流过。
2.根据权利要求1所述的双发动机的小型长航时无人机，其特征在于：
后伞仓盖(104)采用碳纤维模压成型。
3.根据权利要求1所述的双发动机的小型长航时无人机，其特征在于：
吊挂结构(401)采用钛合金和铝锂合金，以在确保连接强度和刚度的同时有效降低结构重量。
4.根据权利要求1所述的双发动机的小型长航时无人机，其特征在于：
前机身(101)和中央翼(201)依靠上下左右六颗螺栓(110)紧固。
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