CN204223181U - 一种复合式垂直起降飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合式垂直起降飞行器，包括机身（8）、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼（1）、用于锁定所述旋翼/机翼的锁定装置、鸭式前翼（3）、水平尾翼（2），所述的鸭式前翼包括左前翼、右前翼，所述的水平尾翼包括左尾翼、右尾翼；该飞行器还包括姿态控制装置，姿态控制装置由调姿装置（4）、调速器模块（9）、飞行控制系统（6）、电源模块（5）组成；调姿装置由电机（4a）、与电机功率连接的螺旋桨（4b）组成；有4组调姿装置分别设置在所述的左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼。独立于旋翼/机翼的姿态控制装置不会造成飞行控制交叉耦合的问题，使升力产生机制转换期间的飞行控制更加稳定。

Description

一种复合式垂直起降飞行器

技术领域

本实用新型涉及一种垂直起降飞行器，尤其涉及一种复合式的垂直起降飞行器。

背景技术

S-72型复合式飞行器为西科斯基研制的“X翼”系统的复合式垂直起降试验机，该飞行器使用了“旋翼/机翼”技术（Rotor/Wing，RW）。“X翼”是作为“停转旋翼” （stopped rotor）系统的构思，四片桨叶的主旋翼能用于像常规直升机一样垂直飞行，一旦达到足够的前飞速率后就在半空中停止转动，作为像“X形状”的固定翼飞行。此外，“X翼”采用了环流控制旋翼（circulation control rotor，CCR），依靠CCR旋翼从旋翼桨叶叶片后缘吹出压缩空气，推动旋翼转动。

    波音公司研制的 X-50A“蜻蜓”无人机是一种复合式垂直起降试验机，这种复合式飞行器称之为鸭式旋翼/机翼（Canard Rotor/Wing，CRW）飞行器，X-50A“蜻蜓”设计有类似直升机的宽旋翼，它在起飞时就像普通直升机一样使用顶部旋翼，当飞机平飞时，旋翼被锁定在机身上，它就成为固定机翼，从而使飞机既具有直升机一样的垂直起降和空中悬停能力，又能像固定翼飞机那样高速巡航飞行，这种设计不仅融合了两种不同种类飞机的飞行性能，提高了各自的飞行包线，而且还具有较低的信号特征值和很好的高速飞行生存性。X-50A “蜻蜓”无人机具有鸭式前翼和宽大的水平尾翼，机顶上有一字形的旋翼/机翼。在直升机模式状态下，旋翼/机翼在喷气翼尖的作用下旋转，产生升力。一字形的旋翼/机翼相当于双叶旋翼，可以用跷跷板铰链完成挥舞和领先-滞后动作，所以X-50A “蜻蜓”无人机对非对称升力的补偿还是常规的。X-50A “蜻蜓”无人机的动力装置是一台涡扇发动机，从压缩机引出高压气流，通过管路输送到旋翼/机翼的翼尖，驱动喷气翼尖。由于喷气翼尖不产生反扭力，X-50A“蜻蜓”无人机没有尾桨。达到一定的平飞速度后，鸭式前翼和水平尾翼产生足够的升力，旋翼/机翼锁住，作为固定的机翼，飞机转入固定翼状态。

X-50A“蜻蜓”采用宽弦刚性桨毂可锁定的两用旋翼/机翼（stopped rotor）。粗短宽厚的刚性旋转机翼从根本上解决了很多细长的柔性旋翼桨叶难以解决的问题，但是和常规直升机相比，这些飞机的悬停和非常规机动性能受到一定损失。CRW飞行器最主要的技术问题是来自于升力产生机制转换期间的飞行控制问题，容易造成控制交叉耦合；而且机身容易受到了严重的气流扰动，在两个方向的空速发生叠加而且机翼仍处于旋翼的旋转工作状态时，飞机会产生一个难以恢复的抬头力矩，可以直接导致飞机失控。事实上，所有在升力产生机制中转换的“旋翼/机翼”技术（Rotor/Wing， RW）都有这个机制转换期间的控制问题，机制转换动辄几十秒，快的也要 10 几秒，转换过快容易造成失控，同时机制转换也有速度和高度的限制，不是随时随地想转换就可以转换的。在战斗中，这个转换时间和高度、速度的要求给战术动作带来很大的困扰。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以更加平稳地转换升力产生机制的复合式垂直起降飞行器。

为解决上述的技术问题，本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器包括机身、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼、用于锁定旋翼/机翼的锁定装置、鸭式前翼、水平尾翼，鸭式前翼包括左前翼、右前翼，水平尾翼包括左尾翼、右尾翼；其中，该飞行器还包括姿态控制装置，姿态控制装置由调姿装置、调速器模块、飞行控制系统、电源模块组成；调姿装置由电机、与电机功率连接的螺旋桨组成；调速器模块用于分别调节各组调姿装置的电机的输出功率，调速器模块接受飞行控制系统的控制；电源模块用于提供电源；有4组调姿装置分别设置在左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼。飞行控制系统对调速器模块实施控制，调速器模块分别调节各组电机的输出功率，通过调节各组调姿装置所产生的推力的差异，实现对飞行器飞行姿态的控制；通过设置有独立于旋翼/机翼（Rotor/Wing，RW）的姿态控制装置，使升力产生机制转换期间的飞行控制更加稳定，独立于旋翼/机翼的姿态控制装置不会造成飞行控制交叉耦合的问题，使飞行器可以更加安全、平稳地转换到固定翼模式或直升机模式；而且以电机作为动力装置的姿态控制装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的进一步改进，调姿装置的螺旋桨设置为可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转；调姿装置还包括使螺旋桨倾转的倾转装置。通过倾转调姿装置的螺旋桨使螺旋桨可以产生垂直推力和纵向推力的矢量分量，可以提高姿态控制装置对飞行姿态控制的效率；调姿装置所产生的推力的方向可以在垂直方向和水平方向之间进行切换，提高的调姿装置的利用效率；还可以通过倾转调姿装置的螺旋桨，进行偏航控制。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的进一步改进，倾转装置包括短舱、活动连接机构、使短舱倾转的致动装置；致动装置与短舱可操作地连接；短舱通过活动连接机构与水平尾翼或鸭式前翼活动连接；短舱用于装载传动装置；电机通过传动装置与螺旋桨功率连接，电机与飞行器固定连接。通过仅倾转调整装置的螺旋桨，而电机固定地连接在机身、翼体等飞行器的其它部位，这样的好处是，减轻了活动连接部分部件的重量，减轻了水平尾翼或鸭式前翼的负载。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的另一个改进，倾转装置包括短舱、活动连接机构、使短舱倾转的致动装置；致动装置与短舱可操作地连接；短舱通过活动连接机构与水平尾翼或鸭式前翼活动连接；短舱用于装载电机；电机通过电机输出轴或传动装置与螺旋桨功率连接。电机与螺旋桨可以同时倾转，电机不用通过传动轴等复杂的传动装置与螺旋桨连接，这样可以简化调姿装置的结构。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的另一个改进，调姿装置还包括涵道，涵道与螺旋桨组成涵道风扇，涵道与水平尾翼或鸭式前翼活动连接；倾转装置包括活动连接涵道的活动连接机构、使涵道倾转的致动装置；涵道可以设置为环形机翼。使用涵道风扇功率连接电机，可以保护飞行器起降场所的人员或物品不容易受到螺旋桨的伤害，所以更加安全；此外螺旋桨置于涵道中，可以吸进螺旋桨上层额外的环境空气，起到一定的引射增升的作用。涵道设置为环形机翼的好处是可以增加飞行器水平纵向飞行时的翼面的面积。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的更进一步改进，可以将各组调姿装置的螺旋桨分别设置在左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的端部。可以使调姿装置的螺旋桨远离飞行器的重心，这样可以提高调姿装置姿态控制的效率。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的更进一步改进，活动连接机构为铰链机构或转轴机构；致动装置为伺服致动器或电机-齿轮组。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的更进一步改进，电源模块包括电功率储存装置、发电机，发电机与电功率储存装置电耦合；调姿装置的螺旋桨与发电机功率连接。这样可以利用调姿装置作为飞行器的减速装置，还可以将飞行器的动能转化储存为电能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的姿态控制装置工作原理图。

图2是本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的外观结构图。

图3是本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的机翼/旋翼转换示意图。

图4是本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的倾转装置示意图。

具体实施方式

图2所示本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的外观结构图，包括机身8、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼1、用于锁定旋翼/机翼1的锁定装置、鸭式前翼3、水平尾翼2，鸭式前翼3包括左前翼、右前翼，水平尾翼2包括左尾翼、右尾翼；其中，该飞行器还包括姿态控制装置；图1所示本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的姿态控制装置工作原理图，姿态控制装置由调姿装置4、调速器模块9、飞行控制系统6、电源模块5组成；调姿装置4由电机4a、与电机4a功率连接的螺旋桨4b组成；调速器模块9用于分别调节各组调姿装置4的电机4a的输出功率，调速器模块9接受飞行控制系统6的控制；电源模块5用于提供电源；有4组调姿装置4分别设置在左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼。

电源模块5用于为电机4a提供电源，还可以为调速器模块9、飞行控制系统6等用电装置提供电源。电源模块5可以是电功率储存装置，例如充电电池、超级电容、核电池等等，充电电池可以采用锂离子电池，也可以是其它类型的充电电池例如镍镉电池、镍氢电池、铁锂电池等；电源模块5也可以是发电装置，包括发电机和功率连接发电机的功率输入装置，功率输入装置可以是热机或螺旋桨等；电源模块5也可以是连接有发电装置的电功率储存装置。电机4a采用无刷电机最优，但并非是限定，也可以是其它类型的电机，如有刷电机、交流电机、直流电机、单相电机、三相电机等等。调速器模块9可以采用包括电子调速器（electronic speed controller）、直流电机调速器、交流电机调速器等可以调节电机输出功率的装置；调速器模块9可以为与电机4a或其它设备组合在一起的一个模块，也可以是独立的调速器，可以是单组输出控制单组电机的调速器，也可以是多组输出分别控制多组电机的调速器；调速器的类型应该与电机4a的类型相匹配，例如无刷电机采用无刷电子调速器、有刷电机采用有刷电子调速器等等。调速器模块9接受飞行控制系统6控制，调速器模块9可以与飞行控制系统6信号连接或电联接；飞行控制系统6是进行飞行姿态和运动参数实施控制的自动控制系统，飞行控制系统6可以采用电子飞行控制系统、数字式飞行控制系统、电传操纵系统等具备自动控制能力的飞行控制系统；可以利用飞行控制系统6采集飞行姿态数据、分析处理数据、自动发出控制信号，通过调速器模块9控制电机4a的输出功率，从而实现对飞行器飞行姿态的控制。

调姿装置4的螺旋桨4b在旋转时会形成反作用扭矩，可以采取平衡反作用扭矩的设置或者设置平衡反作用扭矩的装置。可以采用将各组调姿装置4的螺旋桨4b的旋转方向设置为正向与反向两两搭配、采用反作用扭矩抵消的共轴正反双桨、倾斜螺旋桨4b等可以平衡反作用扭矩的设置。平衡反作用扭矩的装置可以是尾桨、设置在气流下方的舵面，也可以是其它类型的装置，例如波音公司MD600N直升机采用的NOTAR尾桨，即用喷气引射和旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力的装置；平衡反作用扭矩的装置不是必需的。还可以利用平衡反作用扭矩的设置方法或者设置平衡反作用扭矩的装置来实现偏航控制。本实用新型所提及的螺旋桨是指在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力的装置，风扇、扇叶、旋翼等也属于本实用新型所述螺旋桨的范围。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的进一步改进，调姿装置4的螺旋桨4b设置为可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转；调姿装置4还包括使螺旋桨4b倾转的倾转装置。所谓水平位置是指螺旋桨4b可以产生水平推力的位置，所谓垂直位置是指螺旋桨4b可以产生垂直推力的位置。

如图4所示本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的倾转装置示意图，可以通过多种方法实现螺旋桨4b的倾转。例如倾转装置可以包括短舱10、活动连接机构13、使短舱10倾转的致动装置11；致动装置11与短舱10可操作地连接；短舱10通过活动连接机构13与水平尾翼2或鸭式前翼3活动连接；短舱10用于装载传动装置；电机4a通过传动装置与螺旋桨4b功率连接，电机4a与飞行器固定连接。电机4a固定连接，仅倾转螺旋桨4b，这样可以减轻了活动连接部件的重量，减轻了水平尾翼或鸭式前翼的负载；电机4a可以与水平尾翼或鸭式前翼的翼体固定连接，还可以与飞行器的其它部位固定连接，例如机身8等；然后利用传动轴等传动装置功率连接电机4a与螺旋桨4b。作为另一种改进，倾转装置还可以包括短舱10、活动连接机构13、使短舱10倾转的致动装置11；致动装置11与短舱10可操作地连接；短舱10通过活动连接机构13与水平尾翼2或鸭式前翼3活动连接；短舱10用于装载电机4a；电机4a通过电机输出轴或传动装置与螺旋桨4b功率连接。电机4a与螺旋桨4b同时倾转，可以简化调姿装置的结构。当然，倾转装置设置短舱不是必需的，可以通过利用活动连接机构13直接与电机4a连接，致动装置11与电机4a可操作连接等方式实现螺旋桨4b的倾转。

作为另一种改进，调姿装置4还包括涵道，涵道与螺旋桨4b组成涵道风扇（Ducted Fan）。涵道与可以与水平尾翼2或鸭式前翼3活动连接；倾转装置包括活动连接涵道的活动连接机构13、使涵道倾转的致动装置11。涵道还可以设置为环形机翼。还可以在涵道中设置有短舱，短舱通过连接肋或连接面与涵道体连接，短舱用于装载电机4a或传动装置，电机4a通过输出轴或传动装置与涵道中的螺旋桨4b功率连接。

作为以上本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的更进一步改进，各组调姿装置4的螺旋桨4b分别设置在左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的端部。活动连接机构13可以为铰链机构或转轴机构；致动装置11可以为伺服致动器或电机-齿轮组等装置。致动装置11的连接方式可以有多种，可以根据致动装置11的不同类型采用不同的可操作的连接方式，例如直接连接或通过曲轴12等机构间接连接。致动装置11可以与飞行控制系统6信号连接或电联接；伺服致动器是指一种飞行控制系统的执行机构，亦称舵机；它可以按照飞控计算机的输出指令对飞行器的各操纵面进行直接（如复合舵机型）或间接（如辅助舵机型）控制；伺服致动器有多种类型，可以采用电液伺服致动器，也可以采用其它类型的伺服致动器，例如电动式伺服致动器或气动式伺服致动器等等。机翼或前翼、尾翼与机身8连接的位置为根部，本实用新型所提到鸭式前翼3的端部或水平尾翼2的端部是指远离根部的翼体的最外端，“梢部、尖部”等表述均属于本实用新型 “端部”的精神和范围之内。

作为本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的更进一步改进，电源模块5包括电功率储存装置、发电机，发电机与电功率储存装置电耦合；调姿装置4的螺旋桨4b与发电机功率连接；更进一步地改进，电机4a包括转子与定子，电机4a的转子兼作发电机的转子。

如图3所示本实用新型一种复合式的垂直起降飞行器的机翼/旋翼转换示意图；当飞行器处于直升机模式作垂直起降或悬停时，可以利用姿态控制装置进行滚转、俯仰、悬停等飞行姿态的控制；当飞行器处于固定翼模式作纵向水平飞行时，可以90度倾转调姿装置4使调姿装置4产生纵向水平推力，作为飞行器水平推力的一种补充；可以利用姿态控制装置作升力产生机制转换期间的飞行姿态控制，使飞行器可以平稳地过渡到直升机模式或固定翼模式。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围；依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种复合式垂直起降飞行器，包括机身（8）、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼（1）、用于锁定所述旋翼/机翼（1）的锁定装置、鸭式前翼（3）、水平尾翼（2），所述的鸭式前翼（3）包括左前翼、右前翼，所述的水平尾翼（2）包括左尾翼、右尾翼；其特征在于：该飞行器还包括姿态控制装置，所述的姿态控制装置由调姿装置（4）、调速器模块（9）、飞行控制系统（6）、电源模块（5）组成；所述的调姿装置（4）由电机（4a）、与电机（4a）功率连接的螺旋桨（4b）组成；所述的调速器模块（9）用于分别调节各组调姿装置（4）的电机（4a）的输出功率，所述调速器模块（9）接受所述飞行控制系统（6）的控制；所述电源模块（5）用于提供电源；有4组调姿装置（4）分别设置在所述的左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼。

2.根据权利要求1所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿装置（4）还包括涵道，所述的螺旋桨（4b）与所述的涵道组成涵道风扇。

3.根据权利要求1所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述调姿装置（4）的螺旋桨（4b）设置为可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转；所述的调姿装置（4）还包括使所述螺旋桨（4b）倾转的倾转装置。

4.根据权利要求3所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的倾转装置包括短舱（10）、活动连接机构（13）、使短舱（10）倾转的致动装置（11）；所述的致动装置（11）与所述的短舱（10）可操作地连接；所述的短舱（10）通过所述的活动连接机构（13）与所述的水平尾翼（2）或鸭式前翼（3）活动连接；所述的短舱（10）用于装载传动装置；所述的电机（4a）通过传动装置与所述的螺旋桨（4b）功率连接，所述的电机（4a）与飞行器固定连接。

5.根据权利要求3所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的倾转装置包括短舱（10）、活动连接机构（13）、使短舱（10）倾转的致动装置（11）；所述的致动装置（11）与所述的短舱（10）可操作地连接；所述的短舱（10）通过所述的活动连接机构（13）与所述的水平尾翼（2）或鸭式前翼（3）活动连接；所述的短舱（10）用于装载所述电机（4a）；所述的电机（4a）通过电机输出轴或传动装置与所述的螺旋桨（4b）功率连接。

6.根据权利要求3所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿装置（4）还包括涵道，所述涵道与所述螺旋桨（4b）组成涵道风扇，涵道与所述的水平尾翼（2）或鸭式前翼（3）活动连接；所述的倾转装置包括活动连接涵道的活动连接机构（13）、使涵道倾转的致动装置（11）。

7.根据权利要求6所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于： 所述的涵道设置为环形机翼。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的各组调姿装置（4）的螺旋桨（4b）分别设置在所述左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的端部。

9.根据权利要求4至7中任一项所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的各组调姿装置（4）的螺旋桨（4b）分别设置在所述左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的端部。

10.根据权利要求9所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的活动连接机构（13）为铰链机构或转轴机构；所述的致动装置（11）为伺服致动器或电机-齿轮组。

11.根据权利要求3至7中任一项所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的电源模块（5）包括电功率储存装置、发电机，所述的发电机与所述的电功率储存装置电耦合；所述的调姿装置（4）的螺旋桨（4b）与所述的发电机功率连接。