CN117382882A - 可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法 - Google Patents

可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法 Download PDF

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CN117382882A CN202311624975.7A CN202311624975A CN117382882A CN 117382882 A CN117382882 A CN 117382882A CN 202311624975 A CN202311624975 A CN 202311624975A CN 117382882 A CN117382882 A CN 117382882A
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Abstract

本发明属于飞行器技术领域，公开了一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法；所述涵道风扇飞行器包括：机身、前翼、后翼、涵道风扇、倾转伺服机构和飞行控制器；其中，涵道风扇包括前排涵道风扇和后排涵道风扇；前、后排涵道风扇的数量均为多个，分别安装于前、后翼并处于机身的两侧，各前、后排涵道风扇均配置有倾转伺服机构，用于驱动前排涵道风扇进行倾转，倾转的角度范围至少包括0°～90°；飞行控制器用于控制各倾转伺服机构驱动涵道风扇倾转以及控制各涵道风扇电机的转速。本发明公开了基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及水上自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的场景。

Description

可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，特别涉及一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法。
背景技术
垂直起降飞行器无需跑道、起降机动灵活，广泛应用于空中客运、快速货运、农业植保、应急搜救、等任务；其中，常见的垂直起降飞行器包括直升机、多旋翼飞行器、分布式涵道风扇飞行器、倾转旋翼飞行器等。进一步解释性的，由于垂直起降飞行器的飞行时间和航程限制，在海洋、湖泊、河流上空执行任务时，飞行器需要具有能够在水面上驻留、起降甚至游动的功能，如此不仅可以节省能源，还可以为执行水上搜救等水上任务提供便利。
目前，现有公布的垂直起降飞行器多数针对陆上起降而设计，配置的动力系统、稳定控制系统等无法满足水上垂直起降的能力要求，少数飞行器虽可以实现水上垂直起降，但并未设计水上游动控制系统，不利于进行水上任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及水上自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的使用场景。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，包括：机身、前翼、后翼、涵道风扇、倾转伺服机构和飞行控制器；其中，
所述机身的底部采用船底构型，露出水面部采用座舱式结构；所述机身安装有作为升力翼面的所述前翼和所述后翼；
所述涵道风扇为电机驱动的动力装置，包括前排涵道风扇和后排涵道风扇；其中，所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并处于所述机身的两侧，各前排涵道风扇均配置有所述倾转伺服机构，用于驱动前排涵道风扇进行倾转；所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并处于所述机身的两侧，各后排涵道风扇均配置有所述倾转伺服机构，用于驱动后排涵道风扇进行倾转；各前排涵道风扇和各后排涵道风扇倾转的角度范围至少包括0°～90°；
所述飞行控制器用于控制各倾转伺服机构，驱动对应的前排涵道风扇或后排涵道风扇进行倾转；所述飞行控制器用于控制各涵道风扇的电机的转速。
本发明的进一步改进在于，
所述船底构型为气动修形后的游艇船底构型。
本发明的进一步改进在于，
所述前翼和所述后翼均采用机翼结构。
本发明的进一步改进在于，
所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并处于所述机身的两侧具体为，所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并对称布置于所述机身的两侧；
所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并处于所述机身的两侧具体为，所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并对称布置于所述机身的两侧。
本发明的进一步改进在于，
所述机身上安装的所述前翼与所述后翼存在高度差；
布置于所述前翼的所述前排涵道风扇与布置于所述后翼的所述后排涵道风扇存在高度差。
本发明的进一步改进在于，
所述前排涵道风扇与所述后排涵道风扇之间存在的高度差ΔH满足，
L≥6D时，ΔH≥20％D；
L≤6D时，ΔH≥20％D+5％(6D-L)；
式中，D为所有涵道风扇中尺寸最大涵道风扇的直径D；L为前排涵道风扇与后排涵道风扇的间距；
所述前排涵道风扇、所述后排涵道风扇的最低高度Hmin满足，
Hmin≥40％(H-Hcsx)；
式中，H为机身高度；Hcsx为满载水上降落吃水线高度。
本发明的进一步改进在于，还包括：
动力电池，用于为所述涵道风扇飞行器上的用电设备进行供电。
本发明的进一步改进在于，还包括：
船桨推进装置，所述船桨推进装置固定安装于所述机身的后端。
本发明的进一步改进在于，
所述涵道风扇的总拉力超过预设满载重量的120％，各涵道风扇的电机具有防水功能。
本发明提供的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器的操作方法，包括：
所述涵道风扇飞行器进行平飞时，所有涵道风扇倾转至0°的水平状态，以提供前飞拉力；
所述涵道风扇飞行器进行垂直起降时，所有涵道风扇倾转至90°的垂直状态，以通过涵道风扇提供充足的拉力实现陆地或水上垂直起降；
所述涵道风扇飞行器进行水上游动时，部分涵道风扇倾转至水平状态，以提供游动拉力；部分涵道风扇倾转至45°～90°的倾斜状态，以提供水上姿态稳定控制力；其中，水上游动所需的航向控制由所述飞行控制器下发指令，对处于水平状态的涵道风扇进行差速控制，使得机身左右两侧布置的涵道风扇产生力矩并实现飞行器航向偏转；水上游动所需的姿态稳定控制由所述飞行控制器下发指令，根据机身姿态控制机身左右两侧处于倾斜状态的涵道风扇达到不同转速，以产生不同拉力来保持机身姿态稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，采用涵道风扇电推进作为动力，可提高飞行器对外部人员的安全性；采用机身和船底构型融合设计结构，能够兼顾飞行性能和游动性能；采用飞行控制器控制倾转伺服机构驱动涵道风扇倾转与控制电机转速的耦合控制手段，可实现飞行器水上垂直起降和自由游动功能，能够解决水上游动稳定控制的技术问题。综上，本发明公开了一种基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的使用场景。
本发明中，前排涵道风扇和后排涵道风扇布置有高度差，可独立转速控制和倾转控制，前排、后排涵道风扇分别倾转至水平、垂直或倾斜状态，能够产生前向拉力、向上拉力、航向力矩和机身姿态稳定力矩，实现飞行器在水面的自由游动；前排涵道风扇和后排涵道风扇可独立转速控制和倾转控制，产生各自独立的推力矢量，可平静水面可以控制飞行器以一定的抬头姿态角在滑行起降，借助涵道风扇向上拉力和翼身气动力来降低对飞行器的能源消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例中，涵道风扇飞行器的外形布局示意图；
图2是本发明实施例中，涵道风扇水平状态下飞行器平飞和水面游动的姿态示意图；其中，图2中(a)为主视示意图，图2中(b)为左视示意图，图2中(c)为俯视示意图；
图3是本发明实施例中，涵道风扇竖直状态下飞行器垂直起降的姿态示意图；其中，图3中(a)为主视示意图，图3中(b)为左视示意图，图3中(c)为俯视示意图；
图4是本发明实施例中，涵道风扇飞行器的主要布局参数示意图；
图中附图标记说明，
1、机身；2、前排涵道风扇；3、后排涵道风扇；4、前翼；5、后翼；6、倾转伺服机构；7、飞行控制器；8、动力电池。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例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。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例提供的一种可水上垂直起降和自由游动的涵道风扇飞行器，包括：机身1、前排涵道风扇2、后排涵道风扇3、前翼4、后翼5、倾转伺服机构6和飞行控制器7；其中，
所述机身1的底部采用游艇船底构型，露出水面部采用座舱式结构；
所述机身1安装有作为升力翼面的前翼4和后翼5；
所述前排涵道风扇2的数量为多个，分别安装于所述前翼4并处于所述机身1的两侧；其中，每个前排涵道风扇2均配置有倾转伺服机构6，用于驱动对应的前排涵道风扇2进行倾转；所述倾转的角度范围至少包括0°～90°；
所述后排涵道风扇3的数量为多个，分别安装于所述后翼5并处于所述机身1的两侧；其中，每个后排涵道风扇3均配置有倾转伺服机构6，用于驱动对应的后排涵道风扇3进行倾转；所述倾转的角度范围至少包括0°～90°；
所述飞行控制器7用于控制各倾转伺服机构6，驱动对应的前排涵道风扇2或后排涵道风扇3进行倾转；所述飞行控制器7还用于控制各涵道风扇的驱动电机的转速。
本发明实施例提供的技术方案中，机身1的下部基于游艇船底构型进行气动修形设计，可兼顾水上游动和飞行性能，露出水面部分采用座舱式设计以便载人或载货；前排涵道风扇2为采用电机驱动的动力装置，可在机身1的左、右两侧对称布置，其可在倾转伺服机构6的驱动下进行0°至90°的倾转；后排涵道风扇3是和前排涵道风扇2类似的动力装置，也可在倾转伺服机构6的驱动下倾转；前翼4和后翼5是飞行器的升力翼面，也是涵道风扇的连接结构；倾转伺服机构6接受飞行控制器7指令，驱动涵道风扇进行倾转，以实现水上垂直起降和自由游动。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，前排涵道风扇2、后排涵道风扇3在机身1上布置存在高度差，以避免平飞时前后涵道风扇的气动干扰。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，前翼4和后翼5在机身1布置存在高度差，以避免飞行时滑流干扰。
本发明实施例提供的技术方案还可包括：动力电池8，用于为前排涵道风扇2、后排涵道风扇3、倾转伺服机构6、飞行控制器7等机上设备供电，能够同时提供机上设备所需的电压、功率。
请参阅图2和图3，本发明实施例提供的涵道风扇飞行器的发明点及工作原理解释：
涵道风扇飞行器平飞时，涵道风扇倾转至水平状态，提供前飞拉力；
涵道风扇飞行器垂直起降时，所有涵道风扇倾转至垂直状态，涵道风扇产生大于自身重量的拉力进行起降，起降平台可以是陆地也可以是水上；
涵道风扇飞行器水上游动时，涵道风扇部分倾转至水平状态，提供游动拉力，部分倾转至垂直状态，提供水上姿态稳定控制力。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，机身1的底部结构类似游艇船底，具有游艇的静稳定性，飞行器满载时水上驻留时吃水线不高于飞行器座舱上表面。
本发明实施例具体示例性的，前排涵道风扇2和后排涵道风扇3均在机身1的左右对称布置，左右布置的数量可根据飞行器重量尺寸、涵道风扇拉力和尺寸设定为2、4、6或8等；另外，所有涵道风扇的总拉力超过满载重量的120％。
本发明实施例具体示例性的，前排涵道风扇2和后排涵道风扇3的电机采用独立控制器，电机具备防水功能，可由飞行控制器7下发指令进行独立转速控制。
请参阅图4，本发明实施例提供的技术方案中，所述前排涵道风扇2和后排涵道风扇3的布置存在高度差ΔH，该高度差ΔH的选取与涵前排或后排涵道风扇3中最大涵道风扇的直径D、前后两排涵道风扇的间距L有关，高度差ΔH满足：L≥6D时，ΔH≥20％D；L≤6D时，ΔH≥20％D+5％(6D-L)；另外，所述前排涵道风扇2和后排涵道风扇3的布置存在最低高度Hmin，该高度Hmin与飞行器机身1高度H、满载水上降落吃水线高度Hcsx有关，满足Hmin≥40％(H-Hcsx)。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，飞行器在水上游动所需的航向控制由飞行控制器下发指令，对左右对称的涵道风扇进行差速控制，左右涵道风扇产生的力矩控制飞行器航向偏转；其中，飞行器在水上游动时采取一种新提出的姿态稳定控制策略，将前排涵道风扇或后排涵道风扇倾转至45°～90°的倾斜状态，根据机身姿态控制左右两侧涵道风扇达到不同转速，产生不同拉力来保持机身姿态的稳定。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，前翼4和后翼5采用机翼结构来提升飞行器的气动性能，飞行速度低于60千米/小时或重量小于50千克的飞行器可以简化为连接杆，起到涵道风扇承载和拉力传递作用。
本发明实施例提供的技术方案核心发明点包括：提出了基于涵道风扇的可水上垂直起降飞行器方案，独立控制且可倾转的涵道风扇可以平飞和垂直起降，机身采取传统飞机座舱和船底结构兼容设计，具有水上垂直起降功能，且涵道保护内部高转桨叶不对外部人员构成安全威胁，噪声较小，非常适用于水上救援等有人操作任务；前排涵道风扇和后排涵道风扇布置有高度差，可独立转速控制和倾转控制，前排和后排涵道风扇分别倾转至水平、垂直或倾斜状态，能够产生前向拉力、向上拉力、航向力矩和机身姿态稳定力矩，实现飞行器在水面的自由游动；前排涵道风扇和后排涵道风扇可独立转速控制和倾转控制，产生各自独立的推力矢量，可平静水面可以控制飞行器以一定的抬头姿态角在滑行起降，借助涵道风扇向上拉力和翼身气动力来降低对飞行器的能源消耗。另外，飞行器水上游动的航向控制，由飞行控制器对左右对称的涵道风扇进行差速控制产生偏航力矩来实现，可替换地，可由飞行器机身横向布置的涵道风扇产生直接横向力来实现，也可由机身后底部布置方向舵来实现。进一步的，飞行器水上游动采用涵道风扇拉力，可替换地，也可在机身后部布置船桨推进来实现。
综上所述，现有的垂直起降飞行器多数针对陆上起降而设计，配置的动力系统、稳定控制系统等无法满足水上垂直起降的能力要求，少数飞行器虽可以实现水上垂直起降，但并未设计水上游动控制系统，不利于进行水上任务。具体示例性的，申请号为CN202020297716.3的中国发明专利申请提出了基于分布式旋翼和固定翼结合的水上垂直起降飞行器，其机体采用传统飞机舱体，采用垂直布置的分布式旋翼提供起降拉力、水平布置的分布式旋翼提供前飞拉力，机体连接两个浮筒来实现水上和陆地起降；解释性的，上述公开的飞行器未设计专门的游动控制系统，且所采用的分布式开放旋翼在实施水上任务时对外部人员安全有一定危险，不利于水上任务。具体示例性的，申请号为CN202211581736.3的中国发明专利申请提出了一种基于倾转旋翼的短距起降水上无人机及其飞行策略，在机翼前方对称布置2个倾转旋翼提供前飞拉力和起降拉力，在机翼后方对称布置2个固定旋翼提供起降拉力，在尾翼上布置可倾转旋翼提供稳定力矩，具有水上短距起降和垂直起降的能力；解释性的，上述公开的飞行器采用开放式旋翼，旋翼数量少而直径较大，在实施水上任务时对外部人员安全有一定危险，同时较大的旋翼直径要求较大的机身高度来避免翼尖划水，给飞行性能带来损失。鉴于上述现有技术存在的技术缺陷，本发明实施例具体提供了一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器方案，其兼顾了水上垂直起降飞行器和游动的功能，可应用于空中客运、快速货运、农业植保、应急搜救等任务，特别适用于水上搜救、大型湖泊或海洋渔业作业、水下勘察等场景；具体解释性的，本发明提出的飞行器采用涵道风扇作为动力装置，每个涵道风扇在倾转伺服机构驱动下可以独立进行0°～90°的倾转；涵道风扇水平状态时产生水平的推力，驱动飞行器前飞或在水面游动；涵道风扇倾转至垂直状态时产生垂直向上的推力，驱动飞行器起飞或平稳降落。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，包括：机身(1)、前翼(4)、后翼(5)、涵道风扇、倾转伺服机构(6)和飞行控制器(7)；其中，
所述机身(1)的底部采用船底构型，露出水面部采用座舱式结构；所述机身(1)安装有作为升力翼面的所述前翼(4)和所述后翼(5)；
所述涵道风扇为电机驱动的动力装置，包括前排涵道风扇(2)和后排涵道风扇(3)；其中，所述前排涵道风扇(2)的数量为多个，分别安装于所述前翼(4)并处于所述机身(1)的两侧，各前排涵道风扇(2)均配置有所述倾转伺服机构(6)，用于驱动前排涵道风扇(2)进行倾转；所述后排涵道风扇(3)的数量为多个，分别安装于所述后翼(5)并处于所述机身(1)的两侧，各后排涵道风扇(3)均配置有所述倾转伺服机构(6)，用于驱动后排涵道风扇(3)进行倾转；各前排涵道风扇(2)和各后排涵道风扇(3)倾转的角度范围至少包括0°～90°；
所述飞行控制器(7)用于控制各倾转伺服机构(6)，驱动对应的前排涵道风扇(2)或后排涵道风扇(3)进行倾转；所述飞行控制器(7)用于控制各涵道风扇的电机的转速。
2.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述船底构型为气动修形后的游艇船底构型。
3.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述前翼(4)和所述后翼(5)均采用机翼结构。
4.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述前排涵道风扇(2)的数量为多个，分别安装于所述前翼(4)并处于所述机身(1)的两侧具体为，所述前排涵道风扇(2)的数量为多个，分别安装于所述前翼(4)并对称布置于所述机身(1)的两侧；
所述后排涵道风扇(3)的数量为多个，分别安装于所述后翼(5)并处于所述机身(1)的两侧具体为，所述后排涵道风扇(3)的数量为多个，分别安装于所述后翼(5)并对称布置于所述机身(1)的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述机身(1)上安装的所述前翼(4)与所述后翼(5)存在高度差；
布置于所述前翼(4)的所述前排涵道风扇(2)与布置于所述后翼(5)的所述后排涵道风扇(3)存在高度差。
6.根据权利要求5所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述前排涵道风扇(2)与所述后排涵道风扇(3)之间存在的高度差ΔH满足，
L≥6D时，ΔH≥20％D；
L≤6D时，ΔH≥20％D+5％(6D-L)；
式中，D为所有涵道风扇中尺寸最大涵道风扇的直径D；L为前排涵道风扇与后排涵道风扇的间距；
所述前排涵道风扇(2)、所述后排涵道风扇(3)的最低高度Hmin满足，
Hmin≥40％(H-Hcsx)；
式中，H为机身高度；Hcsx为满载水上降落吃水线高度。
7.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，还包括：
动力电池(8)，用于为所述涵道风扇飞行器上的用电设备进行供电。
8.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，还包括：
船桨推进装置，所述船桨推进装置固定安装于所述机身(1)的后端。
9.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，
所述涵道风扇的总拉力超过预设满载重量的120％，各涵道风扇的电机具有防水功能。
10.一种权利要求1至9中任一项所述的可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器的操作方法，其特征在于，包括：
所述涵道风扇飞行器进行平飞时，所有涵道风扇倾转至0°的水平状态，以提供前飞拉力；
所述涵道风扇飞行器进行垂直起降时，所有涵道风扇倾转至90°的垂直状态，以通过涵道风扇提供充足的拉力实现陆地或水上垂直起降；
所述涵道风扇飞行器进行水上游动时，部分涵道风扇倾转至水平状态，以提供游动拉力；部分涵道风扇倾转至45°～90°的倾斜状态，以提供水上姿态稳定控制力；其中，水上游动所需的航向控制由所述飞行控制器下发指令，对处于水平状态的涵道风扇进行差速控制，使得机身左右两侧布置的涵道风扇产生力矩并实现飞行器航向偏转；水上游动所需的姿态稳定控制由所述飞行控制器下发指令，根据机身姿态控制机身左右两侧处于倾斜状态的涵道风扇达到不同转速，以产生不同拉力来保持机身姿态稳定。
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