CN117087865A - 一种飞翼气动飞行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种飞翼气动飞行器及控制方法，该飞翼气动飞行器至少包括：喷气发动机、发动机进气口、发动机喷气口和矢量喷气口；喷气发动机位于飞翼气动飞行器的内部，用于为飞翼气动飞行器提供动力；进气口位于飞翼气动飞行器的背部，且发动机进气口关于机身中线对称；发动机喷气口和矢量喷气口分别位于飞翼气动飞行器的后缘位置，发动机喷气口和发动机进气口的连线与机身中线平行，通过增加矢量喷气口，以后调节矢量喷气口的偏转方向和角度，产生直接矢量力，精准进行姿态控制而不产生耦合力矩，使得飞翼控制规律更加简洁，实现飞翼气动飞行器高效安全控制。

Description

一种飞翼气动飞行器及控制方法

技术领域

本申请属于飞行器技术领域，尤其涉及一种飞翼气动飞行器及控制方法。

背景技术

飞翼气动飞行器是一种为尾翼的固定翼飞行器，没有明确的机身，其机组人员、有效载荷、设备、燃料等都安装在主翼结构内。飞翼气动飞行器相比常规布局有更好的升阻特性，并且提供了更高的结构效率，从而实现轻量化和高燃油效率。

因为飞翼布局缺乏传统的稳定面和相关的控制面，所以飞翼具有不稳定和难以控制的固有缺点，特别是航向控制。因此飞翼布局设计的难点是设计合适的航向控制舵面，保证良好的操纵性和飞行品质。航向控制舵面包括差动内外副翼、开裂式方向舵、全动翼尖等，此类舵面需要占用较大的机翼面积、或者引起严重的操纵耦合效应，最终以降低飞行性能或飞行安全性为代价。如何能高效、方便对飞翼气动飞行器进行控制，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明意在提供一种飞翼气动飞行器及控制方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

本发明实施例第一方面提供一种飞翼气动飞行器，所述飞翼气动飞行器至少包括：喷气发动机、 进气口、发动机喷气口和矢量喷气口；所述喷气发动机位于所述飞翼气动飞行器的内部，用于为所述飞翼气动飞行器提供动力；

所述发动机进气口位于所述飞翼气动飞行器的背部，且所述发动机进气口关于机身中线对称；

所述发动机喷气口和所述矢量喷气口分别位于所述飞翼气动飞行器的后缘位置，所述发动机喷气口和所述进气口的连线与所述机身中线平行。

可选地，空气通过所述发动机进气口输入至喷气发动机，经所述喷气发动机的发动机喷气口喷出，为所述飞翼气动飞行器提供推力。

可选地，通过所述进气口进入到所述飞翼气动飞行器内的空气，经过外涵道加压，从所述矢量喷气口喷出。

可选地，通过所述矢量喷气口上下偏转，对气流方向进行改变，产生直接矢量力。

本发明实施例第二方面提供一种基于第一方面所述的飞翼气动飞行器的控制方法，所述方法包括：

获取飞翼气动飞行器的发动机喷气口的状态和矢量喷气口状态；

根据所述发动机喷气口的状态和矢量喷气口状态，控制所述发动机喷气口的偏转方向和角度，以及所述矢量喷气口的偏转方向和角度进行改变，产生直接矢量力，进而对所述飞翼气动飞行器的姿态进行控制。

可选地，所述对所述飞翼气动飞行器的姿态进行控制，包括：

对所述飞翼气动飞行器进行航向控制、横向控制和俯仰控制。

可选地，所述对所述飞翼气动飞行器进行航向控制，包括：

当飞翼气动飞行器进行航向控制，两侧矢量喷气口不发生偏转，矢量喷气口内固定的内导流片使气流与流向平行，第一矢量喷气口以第一流量状态工作，第二矢量喷气口以第二流量状态工作，所述第一流量大于所述第二流量，以使所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口产生平行于机身中线的矢量力与偏航力矩，使得所述飞翼气动飞行器进行偏转。

可选地，所述对所述飞翼气动飞行器进行横向控制，包括：

当所述飞翼气动飞行器进行横向控制时，两侧矢量喷气口固定的内导流片使气动与流向平行，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口向不同的方向偏转，以使所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口产生滚转力矩，以使所述飞翼气动飞行器进行横向运动。

可选地，所述对所述飞翼气动飞行器进行俯仰控制，包括：

当所述飞翼气动飞行器进行俯仰控制时，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口同时同向偏转，且所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口的流量相同，使得机头向下或向上偏转。

可选地，所述方法还包括：

在所述飞翼气动飞行器在巡航状态下，两侧的矢量喷气口进行偏转，射流以平行机身中线方向喷出，产生推力。

本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例提供的飞翼气动飞行器及控制方法，该飞翼气动飞行器至少包括：喷气发动机、发动机进气口、发动机喷气口和矢量喷气口；喷气发动机位于飞翼气动飞行器的内部，用于为飞翼气动飞行器提供动力；进气口位于飞翼气动飞行器的背部，且发动机进气口关于机身中线对称；发动机喷气口和矢量喷气口分别位于飞翼气动飞行器的后缘位置，发动机喷气口和发动机进气口的连线与机身中线平行。实现飞翼气动飞行器三个方向的解耦控制。本发明通过控制矢量喷气口的偏转方向和角度，产生直接矢量力，精准进行姿态控制而不产生耦合力矩，使得飞翼控制规律更加简洁，实现飞翼气动飞行器高效安全控制，显著提升飞行器气动特性，并且通过矢量力进行控制，不产生额外阻力，保持了飞翼气动飞行器低阻力特性，简化了飞机控制舵面，能够直接替代常规飞行器控制舵面，减少了飞机可移动控制面和对应的控制机构，有利于飞机减小重量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例中一种飞翼气动飞行器的结构示意图；

图2为本申请一实施例中采用矢量力控制的引气系统的示意图；

图3为本申请一实施例中采用矢量力控制的喷口示意图；

图4为本申请一实施例中采用矢量力控制的喷口偏转示意图；

附图标记：

1-飞翼气动飞行器； 2-发动机进气口；3-中央体；4-发动机喷气口；

5-引气系统-矢量喷口支流；6-引气系统-发动机主流； 7-矢量喷气口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1，为本申请一实施例中一种飞翼气动飞行器的结构示意图，该飞翼气动飞行器1至少包括：喷气发动机、发动机进气口2、发动机喷气口4和矢量喷气口7；喷气发动机位于飞翼气动飞行器的内部，用于为飞翼气动飞行器提供动力；

进气口位于飞翼气动飞行器的背部，且发动机进气口关于机身中线对称；

发动机喷气口和矢量喷气口分别位于飞翼气动飞行器的后缘位置，发动机喷气口和发动机进气口的连线与机身中线平行。

可选地，空气通过发动机进气口输入至喷气发动机，经喷气发动机的发动机喷气口喷出，为飞翼气动飞行器提供推力。

可选地，通过进气口进入到飞翼气动飞行器内的空气，经过外涵道加压，从矢量喷气口喷出。

可选地，通过矢量喷气口上下偏转，对气流方向进行改变，产生直接矢量力。

具体地，飞翼气动飞行器1由2台喷气发动机推动，发动机进气口2位于飞行器背部；中央体3位于飞行器中部；空气经过发动机进气口后，一部分进入内涵道与燃料混合燃烧，产生高温高压气体，经发动机喷气口4喷出，为飞翼气动飞行器1提供推力。另一部分经外涵道加压，从与引气系统-矢量喷口支流5对应的矢量喷气口喷出，提供用于飞翼气动飞行器1飞行控制的矢量力。

本发明实施例提供的飞翼气动飞行器，在飞翼气动飞行器后缘位置布置矢量喷气口，矢量喷气口关于机身中线对称，可独立地上下偏转。气源由喷气发动机提供，通过布置在机身内部的引气系统到达矢量喷口，由于矢量喷口的上下偏转，气流方向随之发生改变，产生直接的矢量推力，飞机左右喷口的差动引起矢量推力的不平衡，从而差生有效控制力，实现飞机的横向、航向控制。

本发明实施例提供一种基于上述的飞翼气动飞行器的控制方法，该方法包括：

A1、获取飞翼气动飞行器的发动机喷气口的状态和矢量喷气口状态；

A2、根据发动机喷气口的状态和矢量喷气口状态，控制发动机喷气口的偏转方向和角度，以及矢量喷气口的偏转方向和角度进行改变，产生直接矢量力，进而对飞翼气动飞行器的姿态进行控制。

可选地，对飞翼气动飞行器的姿态进行控制，包括：

对飞翼气动飞行器进行航向控制、横向控制和俯仰控制。

具体地，本发明实施例可进行发动机引气，靠射流产生的直接力作用于飞翼气动飞行器产生控制效果，其中射流来源于发动机。飞翼气动飞行器采用大涵道比涡轮喷气发动机，引气来源于外涵道，确保控制射流具有足够的流量，以产生满足飞行控制所需的控制力。

本发明实施例还可以对飞翼气动飞行器进行航向控制、横向控制和俯仰控制。具体地，当进行航向控制时，矢量喷气口不偏转，矢量喷气口固定的内导流片使气流与流向平行，一侧喷气口以大流量状态工作，另一侧以小流量或零流量工作。两侧喷气口产生平行于机身中线的矢量力与偏航力矩，并且无滚转力矩和俯仰力矩，消除了控制耦合效应。

当进行横向控制时，两侧矢量喷气口固定的内导流片使气动与流向平行，两侧喷口差动，即一侧喷口向上，另一侧喷口向下偏转，两侧喷口流量相同。此时喷口出产生滚转力矩，飞机实现滚转控制，此时无俯仰力矩和偏航力矩产生，同样实现无耦合的横向控制。

当进行俯仰控制时，两侧矢量喷气口同时同向偏转，喷口流量相同。此时喷口产生大小相同的向上或向下的力分量，使机头向下或向上偏转，产生俯仰控制效果，同样地，此时无偏航和滚转力矩产生。

图2是本发明提供的采用矢量力控制的引气系统示意图。引气系统-发动机主流6为飞行提供主要动力，从涵道发动机内涵道而来。引气系统-矢量喷口支流5从喷气发动机外涵道而来。气流通过矢量喷气口7射入外部流场。

图3是本发明提供的采用矢量力控制的喷口示意图。气流如箭头方向所示进入进气道，进气道在机身内部经过弯转，适应发动机工况，主流从发动机喷气口4流出，引气系统-矢量喷口支流5从旁路引出，最终通过矢量喷气口7流出。

图4 是本发明提供的采用矢量力控制的喷口偏转示意图。矢量喷气口7根据控制飞行需要进行偏转，喷口可上下偏转，从而改变气流方向上下偏转，产生直接矢量力。

当飞翼气动飞行器进行航向控制，两侧矢量喷气口不发生偏转，矢量喷气口内固定的内导流片使气流与流向平行，第一矢量喷气口以第一流量状态工作，第二矢量喷气口以第二流量状态工作，第一流量大于第二流量，以使第一矢量喷气口和第二矢量喷气口产生平行于机身中线的矢量力与偏航力矩，使得飞翼气动飞行器进行偏转。

如当飞翼气动飞行器1需要进行航向控制，向右前方飞行时，位于飞行器左侧和右侧的矢量喷气口7不偏转，同时左侧喷气口流量达到最大，而右侧喷气口进行小流量喷气。即使不需要右侧喷气口产生矢量力，喷气口也保持一定流量，以保证紧急情况下的迅速响应。此时左侧喷气口产生较大的推力，而右侧推力较小，由此产生偏航力矩使得飞机朝右前方偏转，达到了航向控制目的。当飞翼气动飞行器1向左侧飞行时，反之亦然。

可选地，对飞翼气动飞行器进行横向控制，包括：

当飞翼气动飞行器进行横向控制时，两侧矢量喷气口固定的内导流片使气动与流向平行，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口向不同的方向偏转，以使第一矢量喷气口和第二矢量喷气口产生滚转力矩，以使飞翼气动飞行器进行横向运动。

如当飞翼气动飞行器1需要从左往右进行滚转，即需要产生从左往右的力矩。此时左侧矢量喷气口7向下偏转，气流朝飞行器下方喷出，右侧矢量喷气口7向上方偏转，产生滚转力矩。即使两侧喷口产生横向流动，也因为方向相反而抵消，从而不会产生额外的偏航和俯仰力矩。

可选地，对飞翼气动飞行器进行俯仰控制，包括：

当飞翼气动飞行器进行俯仰控制时，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口同时同向偏转，且第一矢量喷气口和第二矢量喷气口的流量相同，使得机头向下或向上偏转。

如当飞翼气动飞行器1需要从抬头，即向上俯仰，需要产生抬头力矩，矢量喷气口需要产生向下的力。飞翼气动飞行器1两侧的矢量喷气口均向上偏转，气流向上方喷出，产生的合力朝上，并且不会产生额外的偏航和滚转力矩，有利于控制规律的实现。

可选地，该方法还包括：

在飞翼气动飞行器在巡航状态下，两侧的矢量喷气口进行偏转，射流以平行机身中线方向喷出，产生推力。

除以上飞机进行偏航、滚转、俯仰等机动时，巡航状态喷口不进行偏转，射流以平行飞机中轴线方向喷出，产生推力。射流保持一定流量，保证能够及时响应机动状态需求，同时尽可能少从发动机引气，确保发动机功率损失不大。此时喷口起到辅助发动机主喷口的作用。

本发明的有益效果是：1、实现飞翼气动飞行器三个方向的解耦控制。本发明通过控制喷口的偏转方向和角度，产生直接矢量力，精准进行姿态控制而不产生耦合力矩，使得飞翼控制规律更加简洁，实现飞翼气动飞行器高效安全控制。2、显著提升飞行器气动特性。本发明通过矢量力进行控制，不产生额外阻力，保持了飞翼气动飞行器低阻力特性。3、简化了飞机控制舵面。本发明能够直接替代常规飞行器控制舵面，减少了飞机可移动控制面和对应的控制机构，有利于飞机减小重量。

本发明实施例提供的飞翼气动飞行器及控制方法，该飞翼气动飞行器至少包括：喷气发动机、发动机进气口、发动机喷气口和矢量喷气口；喷气发动机位于飞翼气动飞行器的内部，用于为飞翼气动飞行器提供动力；进气口位于飞翼气动飞行器的背部，且发动机进气口关于机身中线对称；发动机喷气口和矢量喷气口分别位于飞翼气动飞行器的后缘位置，发动机喷气口和发动机进气口的连线与机身中线平行。实现飞翼气动飞行器三个方向的解耦控制。本发明通过控制喷口的偏转方向和角度，产生直接矢量力，精准进行姿态控制而不产生耦合力矩，使得飞翼控制规律更加简洁，实现飞翼气动飞行器高效安全控制。显著提升飞行器气动特性；本发明通过矢量力进行控制，不产生额外阻力，保持了飞翼气动飞行器低阻力特性。简化了飞机控制舵面；本发明能够直接替代常规飞行器控制舵面，减少了飞机可移动控制面和对应的控制机构，有利于飞机减小重量。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

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 (10)

1.一种飞翼气动飞行器，其特征在于，所述飞翼气动飞行器至少包括：喷气发动机、 进气口、发动机喷气口和矢量喷气口；所述喷气发动机位于所述飞翼气动飞行器的内部，用于为所述飞翼气动飞行器提供动力；

所述发动机进气口位于所述飞翼气动飞行器的背部，且所述发动机进气口关于机身中线对称；

所述发动机喷气口和所述矢量喷气口分别位于所述飞翼气动飞行器的后缘位置，所述发动机喷气口和所述进气口的连线与所述机身中线平行。

2.根据权利要求1所述的飞翼气动飞行器，其特征在于，空气通过所述发动机进气口输入至喷气发动机，经所述喷气发动机的发动机喷气口喷出，为所述飞翼气动飞行器提供推力。

3.根据权利要求2所述的飞翼气动飞行器，其特征在于，通过所述进气口进入到所述飞翼气动飞行器内的空气，经过外涵道加压，从所述矢量喷气口喷出。

4.根据权利要求1所述的飞翼气动飞行器，其特征在于，通过所述矢量喷气口上下偏转，对气流方向进行改变，产生直接矢量力。

5.一种基于如权利要求1至4的任一所述的飞翼气动飞行器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取飞翼气动飞行器的发动机喷气口状态和矢量喷气口状态；

根据所述发动机喷气口状态和矢量喷气口状态，控制所述发动机喷气口的偏转方向和角度，以及所述矢量喷气口的偏转方向和角度进行改变，产生直接矢量力，进而对所述飞翼气动飞行器的姿态进行控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对飞翼气动飞行器的姿态进行控制，包括：

对所述飞翼气动飞行器进行航向控制、横向控制和俯仰控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对飞翼气动飞行器进行航向控制，包括：

当所述飞翼气动飞行器进行航向控制时，两侧矢量喷气口不发生偏转，矢量喷气口内固定的内导流片使气流与流向平行，第一矢量喷气口以第一流量状态工作，第二矢量喷气口以第二流量状态工作，所述第一流量大于所述第二流量，以使所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口产生平行于机身中线的矢量力与偏航力矩，使得所述飞翼气动飞行器进行偏转。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对飞翼气动飞行器进行横向控制，包括：

当所述飞翼气动飞行器进行横向控制时，两侧矢量喷气口固定的内导流片使气动与流向平行，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口向不同的方向偏转，以使所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口产生滚转力矩，以使所述飞翼气动飞行器进行横向运动。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对飞翼气动飞行器进行俯仰控制，包括：

当所述飞翼气动飞行器进行俯仰控制时，第一矢量喷气口和第二矢量喷气口同时同向偏转，且所述第一矢量喷气口和所述第二矢量喷气口的流量相同，使得飞翼气动飞行器的机头向下或向上偏转。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述飞翼气动飞行器在巡航状态下，两侧的矢量喷气口进行偏转，射流以平行机身中线方向喷出，产生推力。