CN204473140U - 新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，涉及飞行器技术领域。所述飞行器包括机身、涵道电动机、机翼、副翼、底板、支架、轴承座、主轴、飞行控制器、电池、接收机、齿轮、舵机、涵道风扇、凸台、顶丝、载荷更换装置以及降落伞。所述飞行器不仅保留了传统倾转旋翼飞机的优势，同时具有结构简单、容易操控、复杂地域起降适应能力强等特点。

Description

新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器

技术领域

本实用新型涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器。

背景技术

美国空军的鱼鹰运输机（V-22）的机翼是在发动机的内侧，这种设计不利于抵制一种危险的气流现象——涡环状态。当V-22的一侧旋翼陷入自身产生的下降气流里，而另一侧的旋翼仍然在产生升力的时候，飞机周围的气流就会陷入涡环状态。这时飞机就会失控，机身开始旋转，最后是倒转俯冲。涡环状态最容易出现在V-22快速垂直降落或者低速前行的时候。而我们的这种飞行器机翼是在发动机外面，可以增加机翼旋转的扭力，不利于涡环状态的发生。

在V-22中，飞机向前飞行时侧翼提供大部分升力，但侧翼会引起V-22致命的缺点。在V-22下降时，它超高转速的螺旋桨把平稳的气流压到侧翼片的表面上，气流在侧翼叶片上被分离就形成了涡流。因为这个原因，V-22的飞行手册规定，在垂直降落的时候，飞机的下降速度不能超过每分钟800英尺，换算一下也就是仅仅每小时9.1英里。如此迟缓的降落速度，让V-22在着陆时几乎成了一个活靶子，V-22的这个性能极限对飞机上的乘员来说可以说是致命的。在敌人的炮火攻击下，当一个V-22的飞行员急切地希望快速降落的时候，他可能会不自觉地加快下降速度，这样他就更有可能遇上气流涡环状态，飞机就会失去控制，左右摇摆，然后倒转着俯冲向地面，最后机毁人亡。而且V-22采用的是变矩桨，这种桨结构工艺复杂，重量重，价格贵，调距桨和轴系的构造复杂，可靠性低，控制复杂。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，所述飞行器不仅保留了传统倾转旋翼飞机的优势，同时具有结构简单、容易操控、复杂地域起降适应能力强等特点。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：包括机身、涵道电动机、机翼、副翼、底板、支架、轴承座、主轴、飞行控制器、电池以及接收机，所述机身位于飞行器的中央，底板安装于机身下方，用于固定各种部件，两个轴承座分别安装于机身两侧边缘的中间，并固定于底板上，用于支撑主轴，两个轴承座内各嵌入一个轴承，轴承与轴承座之间过盈配合，主轴横穿整个机身，并穿过轴承座上的轴承，与轴承固定连接，主轴上固定有齿轮，舵机固定在底板上，舵机的动力输出端与齿轮啮合，涵道风扇对称的固定在机身外侧主轴的两端，所述涵道风扇内固定有涵道电动机，每个涵道风扇对应一个机翼和一个副翼，所述机翼安装于涵道风扇的外侧，机翼的下表面与涵道风扇的进气方向平行，所述副翼安装于涵道风扇的喷气口处，每个涵道电动机对应一个电池，电池对称的固定在底板上，所述飞行控制器固定在机身内部的底板上，电池通过所述飞行控制器为所述舵机和涵道电动机提供电源，所述支架固定在底板的下侧，用于平衡并支撑机身，所述接收机固定在机身内，接收机的信号输出端与飞行控制器的信号输入端连接，用于接收无线遥控信号。

进一步的技术方案在于：所述飞行控制器包括ARM处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、舵机驱动模块、涵道电动机驱动模块、GPS接收模块、遥控解码模块以及气压测量模块，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器固定在机身的内部，分别与ARM处理器的信号输入端连接，用于采集飞行器的姿态和周围环境信息；所述GPS接收模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于接收GPS信号；所述遥控解码模块与接收机的信号输出端连接，用于处理接收机接收的遥控信号；舵机和涵道电动机分别通过舵机驱动模块和涵道电动机驱动模块与飞行控制器的电源输出端连接，所述气压测量模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于检测周围环境的气压信息。

进一步的技术方案在于：两个凸台分别安装于两个轴承座的内侧，并用顶丝固定于主轴上，防止主轴移动。

进一步的技术方案在于：所述飞行器还包括载荷更换装置，所述载荷更换装置位于底板中心的正下方。

进一步的技术方案在于：所述载荷更换装置为涵洞形。

进一步的技术方案在于：所述机身的横截面为鱼形。

进一步的技术方案在于：所述电池为锂电池。

进一步的技术方案在于：所述舵机上的齿轮与主轴上的齿轮比为3:4。

进一步的技术方案在于：所述ARM处理器使用STM32系类芯片。

进一步的技术方案在于：所述机身内设有降落伞。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述飞行器是一款颠覆了传统观念的超级飞行器，它不但具有直升机的垂直起降和悬停的灵活性能，还具有固定翼飞机的高速飞行性能，必要时还能够像雄鹰一样俯冲，给敌人致命一击。它对场地要求非常低，可以达到固定翼飞机难以到达的地方。所述飞行器采用两个永磁无刷电动机，组成涵道风扇动力系统，对称分布在机身两侧，在机载飞行控制器的控制下，通过采集多个传感器（九轴姿态传感器：三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器等组成）的实时信号，经过主控stm32 ARM处理器的处理，改变电动机和机翼的方向以及副翼的动作方向，实现飞行器的上升、下降以及航向控制。在全新设计的飞行器结构下，所述飞行器不仅保留了传统倾转旋翼飞机的优势，同时具有结构简单、容易操控、复杂地域起降适应能力强等特点，具有广阔的应用空间。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是本实用新型的俯视结构示意图；

图3是本实用新型中飞行控制器的原理框图；

其中：1、机身 2、涵道电动机 3、机翼 4、副翼 5、底板 6、支架 7、轴承座 8、主轴 9、飞行控制器 10、电池 11、接收机 12、齿轮 13、舵机 14、涵道风扇 15、凸台 16、顶丝 17、载荷更换装置 18、降落伞。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本实用新型公开了一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，包括机身1、涵道电动机2、机翼3、副翼4、底板5、支架6、轴承座7、主轴8、飞行控制器9、电池10以及接收机11。所述机身1位于飞行器的中央，底板5安装于机身1下方，用于固定各种部件，所述机身1的横截面为鱼形，更加符合空气动力学要求。两个轴承座7分别安装于机身1两侧边缘的中间，并固定于底板5上，用于支撑主轴8，两个轴承座7内各嵌入一个轴承，轴承与轴承座之间过盈配合，主轴8横穿整个机身1，并穿过轴承座7上的轴承，与轴承固定连接，主轴8上固定有齿轮12，两个凸台15分别安装于两个轴承座7的内侧，并用顶丝16固定于主轴8上，防止主轴8移动。进一步的，所述舵机13上的齿轮与主轴上的齿轮12比为3:4。

如图2所示，舵机13固定在底板5上，舵机13的动力输出端与齿轮12啮合，涵道风扇14对称的固定在机身1外侧主轴8的两端。所述涵道风扇14内固定有涵道电动机2，每个涵道风扇14对应一个机翼3和一个副翼4，所述机翼3安装于涵道风扇14的外侧，机翼3的下表面与涵道风扇14的进气方向平行。所述副翼4安装于涵道风扇14的喷气口处，每个涵道电动机2对应一个电池10，电池10对称的固定在底板5上，所述电池10可以为锂电池。所述飞行控制器9固定在机身1内部的底板5上，电池10通过所述飞行控制器9为所述舵机13和涵道电动机2提供电源。所述支架6固定在底板5的下侧，用于平衡并支撑机身1，所述飞行器还包括载荷更换装置17，所述载荷更换装置17位于底板5中心的正下方，一般情况下所述载荷更换装置17为涵洞形，涵洞内可以挂载不同的需要运输的装置。进一步的，所述机身内还可以设有降落伞18。所述接收机11固定在机身内，接收机11的信号输出端与飞行控制器9的信号输入端连接，用于接收无线遥控信号。

如图3所示，所述飞行控制器9包括ARM处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、舵机驱动模块、涵道电动机驱动模块、GPS接收模块、遥控解码模块以及气压测量模块，所述ARM处理器使用STM32系类芯片。所述三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器固定在机身的内部，分别与ARM处理器的信号输入端连接，用于采集飞行器的姿态和周围环境信息；所述GPS接收模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于接收GPS信号；所述遥控解码模块与接收机的信号输出端连接，用于处理接收机接收的遥控信号；舵机和涵道电动机分别通过舵机驱动模块和涵道电动机驱动模块与飞行控制器的电源输出端连接，所述气压测量模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于检测周围环境的气压信息。

相比于传统的多轴飞行器，所述飞行器只使用了两个电动机，可以实现常规飞行器难以实现的高难度动作，比如俯冲，360无死角盘旋。它不但具有垂直起降飞行器（直升飞机、四轴）的垂直起降和悬停的功能，还具固定翼涡轮螺旋桨飞机的高速巡航飞行能力。

所述飞行器的机翼可以随着发动机的旋转而旋转，而且气流始终从机翼正前方流过，降低了起降时的阻力，节省了燃料，缩短了起降时的时间，具有重要的军事价值。发动机在内侧，这样结构更紧凑；机翼在外侧，有助于增加翼展，大翼展飞机拥有良好的滑翔性能，有助于增加航程。涵道后面的一对副翼可以同向动作或反向动作，以此来控制飞行方向和平稳升降。

飞行控制器通过调节副翼，使机翼前后气流行程相等，流度相同，机翼前后表面压强相同，防止起降时飞机向后移动，实现垂直起降。垂直起飞时当空气的压强和机翼的长度相同时，鱼鹰机翼所受空气的阻力是本飞行器的10倍左右（机翼的宽度是厚度的10倍左右），因此起降阻力更小。

机身和机翼符合空气动力学，它们的横截面类似鱼形，当平行于翼弦方向的气流（在此将其视为不可压流）流经机翼时，根据伯努利定律（伯努利定律p+ρgz+(1/2)*ρv²=C 式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和速度；z为铅垂高度；g为重力加速度）可知上表面气流的流速整体上要高于下表面气流速度，也就是说气流作用在机翼上表面的静压整体上小于作用在下表面上的静压。由于上下表面压差的存在，使得飞机最终受到向上升力。

机翼可以随着涵道的旋转而旋转，而且气流始终从机翼正方向流过，降低了起降时的阻力，节省了燃料和起降时的时间，增大航程减小伤亡，具有重要的军事价值。机翼后面的一对副翼可以同向动作或反向动作，以此来控制飞行方向、平稳升降、俯仰、盘旋以及各种飞行姿态。两个无刷电机的信号来自于同一个信道的PWM方波，使用同一个电源，从而保证电动机转速同步，使双涵道产生的气动力平衡，不可能出现一台电机转速下降时发生倾转的事故，技术简单、可靠性高。

涵道风扇内部空间狭小，且有支撑架构，支撑能够切断形成的涡环。鱼鹰采用的是旋翼浆，会产生旋翼涡环（直升机以小速度下降，特别是以小速度垂直下降时，旋翼所经历的一种状态。此时，旋翼的诱导速度与相对来流速度方向相逆，在数值上大致相等，下方相对来流绕过桨盘周围，在上方重新被旋翼吸入，形成环状气团——涡环，涡环状态的特点是流动状态非常不稳定，产生振动及拉力变化无常。）使旋翼拉力减小或不对称，鱼鹰将倾转同时伴随着可怕的高度迅速下降，而且平稳气流始终从机翼正前方平稳流过，不会被压到侧翼片的表面上，也就不会被分离形成涡流。

采用齿轮传动机构提供由直升机模式向固定翼飞机模式过渡飞行所需倾转力矩，通过高精度数字舵机驱动齿轮、主轴旋转，从而实现涵道及机翼倾转。结构简单、容易操控、安全可靠、制造成本低。

所述飞行器融合了直升机与固定翼飞机的优点，是一种军民两用的高技术产品，因此，在未来高技术战争和国民经济建设中必将发挥巨大的作用，在军民领域的用途非常广泛。 据美国军方称，“鱼鹰”倾转旋翼机可满足32种军事任务的需求，并能赋予战场指挥官更多的选择和更大的灵活性。它出动时所需的支援较少，且不需要机场和跑道，加之维修简单，生存力强，因而特别适用于进行特种作战和缉毒行动，可大大提高军队布防、缉毒、救援、拯救人质等行动的速度。美国前国防部长科恩指出，“鱼鹰”将会改变人们的行动方式，适应21世纪美军的多方需要，大大缩短军事打击、解救人质、灾难救援、人道主义援助和维护和平的反应时间。 倾转旋翼机能完成直升机所能完成的一切任务，由于其速度快、航程远、有效载荷较大等优点，因此它特别适合执行兵员装备突击运输、战斗搜索和救援、特种作战、后勤支援、医疗后撤、反潜等方面的任务。

在民用运输方面，由于常规直升机经济性差、速度较小、振动大，因而作为一种运输工具受到了很大限制。而倾转旋翼机的飞行速度与支线客机相近，可在没有机场的任何地区执行运输任务，特别适用于经济不发达地区的开发和建设，可以局部替代支线客机成为现代化空中运输网的一个重要组成部分，在商业上具有极高的价值，它不仅解决部分空港和跑道拥挤问题及边远地区的运输问题，而且其运输成本要比常规直升机和固定翼飞机低得多。除此之外，飞行器娱乐价值极高，一机多用，既可以享有固定翼滑翔机娱乐功能，还能享有四轴、直升飞机的娱乐功能，容易操控，安全，趣味性高，功能好。在航模领域快速发展的今天拥有极高的市场空间。可以用于航空摄影、电力巡线等不但具有固定一滑翔机的高速性能，还具有四轴的悬停功能，功能更多，超控更灵活。通过增加航程，可以提高作业效率。

上述特点和优势使得该机有着广阔的应用前景。在民用方面，该机能够快速抵达、悬停作业，并能在复杂地形起降，适合在地震、泥石流等灾害地区执行侦察、搜救等任务。在军用方面，该机适合作为舰载机使用，其体积小、动力系统简单可靠的优势有利于充分使用宝贵的甲板面积、减少维护量，大幅增强母舰的作战能力。同时在搭载不同任务模块后，可在战场侦察、通信中继、边境监控、特种作战等任务中发挥巨大优势。

市场分析和经济效益预测：（1）具有有极其重要的军事使用价值和研究价值。可以作为大型运输机、舰载直升机和小型侦查无人机等。

（2）在民用运输、救灾、航空摄影等方面由于对场地要求低，易操纵，易维修，拥有广阔市场空间。

（3）由于国内外市场上几乎没有民用以及军用的二轴飞行器，对于航模爱好者来说是一大遗憾。垂直起降倾转旋翼二轴飞行器娱乐价值极高，一机多用，既可以做为滑翔机又可以拥有直升飞机的功能，容易操控，安全，趣味性高，功能多样。在航模领域快速发展的今天拥有极高的市场空间。

Claims (10)

1.一种新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：包括机身（1）、涵道电动机（2）、机翼（3）、副翼（4）、底板（5）、支架（6）、轴承座（7）、主轴（8）、飞行控制器（9）、电池（10）以及接收机（11），所述机身（1）位于飞行器的中央，底板（5）安装于机身（1）下方，用于固定各种部件，两个轴承座（7）分别安装于机身（1）两侧边缘的中间，并固定于底板（5）上，用于支撑主轴（8），两个轴承座（7）内各嵌入一个轴承，轴承与轴承座之间过盈配合，主轴（8）横穿整个机身（1），并穿过轴承座（7）上的轴承，与轴承固定连接，主轴（8）上固定有齿轮（12），舵机（13）固定在底板（5）上，舵机（13）的动力输出端与齿轮（12）啮合，涵道风扇（14）对称的固定在机身（1）外侧主轴（8）的两端，所述涵道风扇（14）内固定有涵道电动机（2），每个涵道风扇（14）对应一个机翼（3）和一个副翼（4），所述机翼（3）安装于涵道风扇（14）的外侧，机翼（3）的下表面与涵道风扇（14）的进气方向平行，所述副翼（4）安装于涵道风扇（14）的喷气口处，每个涵道电动机（2）对应一个电池（10），电池（10）对称的固定在底板（5）上，所述飞行控制器（9）固定在机身（1）内部的底板（5）上，电池（10）通过所述飞行控制器（9）为所述舵机（13）和涵道电动机（2）提供电源，所述支架（6）固定在底板（5）的下侧，用于平衡并支撑机身（1），所述接收机（11）固定在机身内，接收机（11）的信号输出端与飞行控制器（9）的信号输入端连接，用于接收无线遥控信号。

2.根据权利要求1所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述飞行控制器（9）包括ARM处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁传感器、舵机驱动模块、涵道电动机驱动模块、GPS接收模块、遥控解码模块以及气压测量模块，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁传感器固定在机身的内部，分别与ARM处理器的信号输入端连接，用于采集飞行器的姿态和周围环境信息；所述GPS接收模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于接收GPS信号；所述遥控解码模块与接收机的信号输出端连接，用于处理接收机接收的遥控信号；舵机和涵道电动机分别通过舵机驱动模块和涵道电动机驱动模块与飞行控制器的电源输出端连接，所述气压测量模块与ARM处理器的信号输入端连接，用于检测周围环境的气压信息。

3.根据权利要求1或2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：两个凸台（15）分别安装于两个轴承座（7）的内侧，并用顶丝（16）固定于主轴（8）上，防止主轴（8）移动。

4.根据权利要求1或2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述飞行器还包括载荷更换装置（17），所述载荷更换装置（17）位于底板（5）中心的正下方。

5.根据权利要求4所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述载荷更换装置（17）为涵洞形。

6.根据权利要求1或2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述机身（1）的横截面为鱼形。

7.根据权利要求2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述电池（10）为锂电池。

8.根据权利要求1或2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述舵机（13）上的齿轮与主轴上的齿轮（12）比为3:4。

9.根据权利要求2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述ARM处理器使用STM32系类芯片。

10.根据权利要求1或2所述的新型垂直起降倾转旋翼二轴飞行器，其特征在于：所述机身内设有降落伞（18）。