CN206750143U - 一种电动复合翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种电动复合翼飞行器，涉及无人机设计领域，解决现有复合翼飞行器存在的在固定翼巡航阶段，多旋翼动力系统成为死重，损失了复合翼飞行器的性能，或者存在动力系统的动力过剩，导致动力系统效率低等问题，包括固定翼组件、旋翼组件和倾转机构，旋翼组件包括四套动力系统，前置旋翼的旋翼平面保持水平；后置旋翼电机对称安装在转轴的两端，转轴通过三通管件安装在尾撑杆的末端，后置旋翼的旋翼平面设置10度的上反角；航电系统为动力系统供电，倾转机构包括舵机和连杆机构，倾转机构舵机通过舵机摇臂带动连杆机构驱动转轴倾转，实现后置旋翼的同步倾转。本新型应用于包括民航和军事的诸多领域，不仅适用于模型飞机、无人机，也可适用于载人飞机。

Description

一种电动复合翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及无人机设计领域，具体涉及一种多旋翼与固定翼相结合的复合飞行器。

背景技术

目前小型无人机领域多旋翼的应用要远多于固定翼无人机。多旋翼无人机可以垂直起降和悬停，该特点或优势适应了现在市场上大多数对无人机应用场合的需求，但多旋翼在任何状态下始终要靠其旋翼提供的拉力来克服重力，这就会对多旋翼的航时及有效载重造成极大的限制，其飞行时间最多二三十分钟，在大载重时飞行时间甚至缩短至几分钟，此外多旋翼飞行器的飞行速度也受到很大限制。

固定翼飞行器在飞行时靠机翼产生的升力来抵消重力，动力系统仅仅克服阻力，由于固定翼飞行器在巡航时的升阻比一般能达到10左右，可以认为在同等重量的情况下，固定翼的动力系统仅需付出多旋翼的动力系统1/10的代价，从而固定翼飞行器在航时方面较多旋翼飞行器有着巨大的优势，另外，固定翼飞行器的有效载重和稳定性一般也要优于多旋翼飞行器。但是固定翼飞行器的起降对场地的限制比较大，或者需要笨重的弹射架系统。正是该缺点限制了固定翼无人机的大规模推广应用。

根据多旋翼和固定翼的优缺点，航空领域的一些研发人员找到了一种固定翼和多旋翼相结合同时兼具两者优点的飞行器，大致分为两类，一类是直接在正常式的固定翼上面直接添加多旋翼系统，多旋翼动力系统和固定翼动力系统相互独立，在垂直起降时多旋翼系统工作固定翼系统不工作，固定翼巡航阶段固定翼动力系统工作而多旋翼系统不工作，该类复合翼虽兼具了多旋翼和固定翼的优点，但是在固定翼巡航阶段，多旋翼动力系统成为死重，极大的损失了复合翼飞行器的性能；另一类是将多旋翼的动力和固定翼的动力合二为一，机载动力系统既作为多旋翼的动力又作为固定翼巡航时的动力，该类飞行器固然提高了飞行器的动力系统利用率，消除了固定翼巡航时的死重，但由此也带来动力过剩的问题，该类飞行器垂直起降时需要的升力要大于本身的重力，而在固定翼巡航时的需用推力仅为该类飞行器重量的1/10，大推力的动力系统长时间在小推力下工作，虽然动力系统的利用率提高了，但是动力系统的效率极低。

在已知的具有垂直起降功能的固定翼当中，直接在正常式的固定翼上面直接添加多旋翼系统的方案类似的有成都纵横自动化技术有限公司的“CW-10大鹏”和“CW-20大鹏”无人机，该类飞行器的缺点如前所述，在固定翼巡航阶段多旋翼系统成为死重极大的损失了固定翼飞行器的性能。

将多旋翼的动力系统和固定翼的动力系统合二为一具有垂直起降功能的固定翼的方案有倾转旋翼复合飞行器和尾座式飞行器，已有的方案有已经服役的“V22”鱼鹰，“Fire Fly 6”倾转旋翼电动无人机，中航工业成都所的“VD200”无人机等，如前所述该类飞行器的缺点是动力过剩，在巡航时动力系统的效率较低。

综上，现有技术中多旋翼飞行器具有垂直起降和悬停的优势，但是其载重和航时受到很大的限制，抗风能力也不强。

固定翼飞行器具有大载重、长航时和抗风性较强的优势，但是其起降需要依赖于一定的跑道，或需要笨重的弹射系统。

现有多旋翼和固定翼复合的飞行器有的在固定翼模式巡航时多旋翼系统完全成为死重损失了固定翼模式的性能，有的在固定翼模式飞行时动力系统过剩，巡航时动力系统的效率较低。

实用新型内容

本实用新型为解决现有复合翼飞行器存在的在固定翼巡航阶段，多旋翼动力系统成为死重，损失了复合翼飞行器的性能，或者存在动力系统的动力过剩，导致动力系统效率低等的问题，提出一种新的电动复合翼飞行器。

电动复合翼飞行器，包括固定翼组件，所述固定翼组件包括机翼、机身、尾撑杆、垂尾、平尾和航电系统；所述垂尾与机身通过尾撑杆连接，平尾对称安装在垂尾上方；还包括旋翼组件和倾转机构，所述旋翼组件包括两个前置旋翼、两个前置旋翼电机、两个后置旋翼和两个后置旋翼电机，前置旋翼电机通过前置旋翼支撑杆对称固定安装在机身两侧的机翼上，前置旋翼的旋翼平面保持水平；后置旋翼电机对称安装在转轴的两端，所述转轴通过三通管件安装在尾撑杆的末端，所述后置旋翼的旋翼平面设置10度的上反角；

所述航电系统包括电源管理器和两套供电系统，一套供电系统为前置旋翼电机供电，另一套供电系统为后置旋翼电机供电；

所述倾转机构包括倾转机构舵机和连杆机构，所述倾转机构舵机固定在垂尾蒙皮上，连杆机构的一端与舵机摇臂连接，连杆机构的另一端与转轴固连；所述倾转机构舵机通过舵机摇臂带动连杆机构驱动转轴倾转，实现后置旋翼的同步倾转。

本实用新型的有益效果：

一、本实用新型的电动复合翼飞行器通过倾转机构的设计使得两个后置旋翼既作为旋翼系统的动力又作为固定翼系统的动力，动力系统利用率较高，减小了固定翼模式飞行时的死重；通过设计前置旋翼和后置旋翼相对重心的位置以及后置旋翼的上反角，使得固定翼模式巡航时动力系统的效率达到最高。所以该电动复合翼飞行器不仅具有多旋翼的能垂直起降、悬停等优势，还具有固定翼的长航时、大载重、速度高以及抗风性强等优势。

二、本实用新型因为采用了两套供电系统，可以根据实际飞行任务来分配电池配比，通过增加给前置旋翼的供电电池重量，减小给后置旋翼的供电电池重量，可以以牺牲固定翼模式的巡航时间来使得该电动复合翼飞行器的多旋翼模式工作时间增长；通过减小给前置旋翼的供电电池重量，增加给后置旋翼的供电电池重量，可以以牺牲多旋翼模式的工作时间来使得该电动复合翼飞行器的固定翼巡航工作时间增长；该电动复合翼飞行器可满足多种任务模式。

三、本实用新型的倾转机构为舵机控制的连杆机构，结构简单，重量较轻。

四、本实用新型的动力系统均为电动机，比传统的动力系统要轻很多，所以前置旋翼动力系统增加的死重较少，动力系统寿命较长且可靠，环境适应性较强。

五、本实用新型的电动复合翼飞行器可应用于包括民航和军事的诸多领域，不仅适用于模型飞机、无人驾驶飞机，也可适用于载人飞机。

附图说明

图1为本实用新型所述的电动复合翼飞行器的结构示意图；

图2为本实用新型所述的电动复合翼飞行器的俯视图；

图3为本实用新型所述的电动复合翼飞行器多旋翼模式垂直起降时的结构示意图；

图4为本实用新型所述的电动复合翼飞行器过渡飞行时的结构示意图；

图5为本实用新型所述的电动复合翼飞行器固定翼模式巡航时的结构示意图；

图6为本实用新型所述的电动复合翼飞行器倾转机构的局部放大示意图。

图中：1、机翼，2、前置旋翼，3、机身，4、内侧副翼，5、外侧副翼，6、升降舵，7、方向舵，8、转轴，9、倾转机构舵机，10、后置旋翼，11、尾撑杆， 12、前置旋翼支撑杆，13、前置旋翼电机，14、内侧副翼舵机，15、外侧副翼舵机，16、平尾，17、升降舵舵机，18、垂尾，19、方向舵舵机，20、舵机摇臂，21、倾转机构连杆，22、轴环连杆，23、三通管件，24、后置旋翼电机， 25、垂尾蒙皮。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，一种电动复合翼飞行器，包括固定翼组件，所述固定翼组件包括机翼1、机身3、尾撑杆11、垂尾 18、平尾16、内侧副翼4，外侧副翼5，方向舵7，升降舵6和航电系统；

机翼1包括左机翼和右机翼，左右机翼对称安装于机身3的两侧。内侧副翼4包括左内侧副翼和右内侧副翼，对称安装于左右机翼内侧。内侧副翼舵机 14包括左右内侧副翼的舵机，左右内侧副翼通过内侧副翼舵机14来驱动控制固定翼模式的滚转机动。

外侧副翼5包括左外侧副翼和右外侧副翼，对称安装于左右机翼外侧。外侧副翼舵机15包括左右外侧副翼的舵机，左右外侧副翼通过外侧副翼舵机15 来驱动控制固定翼模式的滚转机动。

所述垂尾18与机身3通过尾撑杆11连接，方向舵7由方向舵舵机19来驱动控制固定翼模式的偏航机动。

平尾16包括左平尾和右平尾，左右平尾对称安装于18的上方，所述垂尾 18为T形尾翼。升降舵6包括左升降舵和右升降舵，升降舵舵机17包括左升降舵舵机和右升降舵舵机，升降舵6由升降舵舵机17来驱动控制固定翼模式的俯仰机动。

还包括转轴8、旋翼组件和倾转机构，所述旋翼组件包含四套动力系统，每套动力系统由旋翼+电机组成，即：两个前置旋翼2，用于驱动两个前置旋翼2 的前置旋翼电机13，两个后置旋翼10，用于驱动两个后置旋翼10的后置旋翼电机24；

所述前置旋翼2包括左前置旋翼和右前置旋翼，前置旋翼电机13包括左前置旋翼电机和右前置旋翼电机，左右前置旋翼分别由左右前置旋翼电机13驱动，前置旋翼支撑杆12包括左前置旋翼支撑杆和右前置旋翼支撑杆，左右前置旋翼电机13通过左右前置旋翼支撑杆12固连在左机翼和右机翼1上。

所述后置旋翼10包括左后置旋翼和右后置旋翼，后置旋翼电机24包括左后置旋翼电机和右后置旋翼电机，左右后置旋翼10由左右后置旋翼电机24驱动。左右后置旋翼电机24固定安装在转轴8的两端。

所述前置旋翼2的旋翼平面保持水平；所述转轴8通过三通管件23安装在尾撑杆11的末端，所述后置旋翼10的旋翼平面设置10度的上反角；

所述倾转机构包括倾转机构舵机9和连杆机构，所述倾转机构舵机9固定在垂尾蒙皮25上，连杆机构一端与舵机摇臂20连接，连杆机构的另一端与转轴8固连；所述倾转机构舵机9通过舵机摇臂20带动连杆机构驱动转轴8倾转，实现两个后置旋翼10的同步倾转。

航电系统组件包含电源管理器和两套供电系统，在电源管理器的控制下，两套供电系统分别为前置旋翼电机13和后置旋翼电机24供电。

本实施方式所述的电动复合翼飞行器的固定翼外形采用上单翼，T形尾翼布局。

本实施方式所述的连杆机构包括连杆21和轴环连杆22；所述舵机摇臂20 固连在倾转机构舵机9上且位于垂尾18的一侧，轴环连杆22固定在转轴8上且与三通管件23接触对齐，所述舵机摇臂20和轴环连杆22平行且通过连杆21 连接；倾转机构舵机9通过舵机摇臂20、连杆21和轴环连杆22使转轴8与后置旋翼10同步转动。

本实施方式所述的电动复合翼飞行器的重心位置在前置旋翼2和后置旋10 翼之间，前置旋翼2与后置旋翼10到飞行器的重心距离之比为1：3，在垂直起降时前置旋翼承载所需推力的3/4，后置旋翼提供所需推力的1/4。使重心远离后置旋翼，可以通过减小后置旋翼的最大推力来提高巡航时动力系统的效率。使得两个后置旋翼加一起的最大推力满足飞行器的加速及爬升要求，单个后置旋翼的最大推力满足飞行器的巡航要求，两个后置旋翼既作为旋翼系统的动力又作为固定翼系统的动力，提高了动力系统的利用率，减小了该类飞行器在固定翼模式飞行时的死重。

本实施方式中，设定电动复合翼飞行器垂直起降和悬停时为多旋翼模式，由多旋翼到固定翼的转变过程称为过渡模式，在爬升和巡航时为固定翼模式。

在多旋翼模式下，电源管理器控制两个前置旋翼电机13分别驱动两个前置旋翼2，两个后置旋翼电机24分别驱动两个后置旋翼10工作；

过渡模式下，在加速时倾转机构控制两个后置旋翼10同步向前倾转30度，在该状态下维持飞行器水平加速至失速速度；

在水平速度超过失速速度以后，四套动力系统全部关闭，在飞行器滑翔过程中通过倾转机构继续向前倾转后置旋翼10至水平，此后立即启动两个后置旋翼10对飞行器进行加速或爬升，前置旋翼2不再工作。

过渡模式结束后，倾转机构驱动两个后置旋翼10向前倾转至水平状态，飞行器进入固定翼模式；

固定翼模式下，在飞行器处于爬升状态时，电源管理器控制两个后置旋翼 10都工作，在飞行器处于巡航状态时，电源管理器控制一个后置旋翼10工作。

本实施方式所述的前置旋翼2仅在多旋翼模式和过渡模式使用，需提供较大的推力，为减小其在起降时的功率，可以使用较大尺寸的桨。后置旋翼在多旋翼模式、过渡模式和固定翼模式下一直在工作，需要提供的推力较小，为减小桨在巡航时的阻力，后置旋翼的桨直径不宜过大。由于前置旋翼2和后置旋翼10的最大推力相差过大，选得的电机型号要求必须有两套供电系统。

本实施方式所述的后置旋翼10的旋翼平面位于平尾16的下方，前置旋翼2 的旋翼平面在机翼1的上方，所述后置旋翼10的旋翼直径小于前置旋翼2的旋翼直径，后置旋翼10之间的轴距小于前置旋翼2间的轴距，并且两个后置旋翼都有10度的上反角，这样当在固定翼模式巡航只有一个后置旋翼10工作时，其推力线与过重心的中轴线的交点在飞行器重心的前面10mm处。由于上反角的存在减小了单个后置旋翼作为巡航动力时产生的偏航力矩，但由此会有一个侧力分量，该电动复合翼飞行器在正常巡航时会始终有一个1度左右的滚转角飞行来抵消该侧力分量。固定翼模式单个后置旋翼作为动力巡航时其动力系统的效率可达到70％～85％，动力系统效率较高。

具体实施方式二、结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的电动复合翼飞行器的工作方法：

起飞时飞行器处于多旋翼模式，电源管理器控制前置旋翼电机13和后置旋翼电机24启动工作，倾转机构维持两个后置旋翼10的合力竖直向上，当向上的拉力大于重力时飞行器开始起飞，飞机的飞行控制器通过调节各个旋翼的转速来控制电动复合翼飞行器的姿态和位置。

垂直起飞一定高度后，即：多旋翼模式起飞时间大约10s，进入过渡模式，倾转机构舵机9驱动连杆机构带动转轴8倾转，从而带动后置旋翼电机24和后置旋翼10向前倾转30度，此时后置旋翼10的水平拉力对飞行器水平方向进行加速，后置旋翼竖直方向力的分量用于保持飞行器的姿态，后置旋翼10的竖直拉力与前置旋翼2的拉力一起保持飞行器的姿态，在该状态下维持飞行器水平加速至失速速度；过渡模式的飞行时间大约15秒。

当飞行器的水平速度超过失速速度以后，过渡模式结束；电源管理器控制驱动两个前置旋翼2的前置旋翼电机13停止工作，同时飞行器在滑翔过程中控制两个后置旋翼电机24先停止工作，并在倾转机构驱动后置旋翼10在1秒内向前倾转至水平状态后再次启动后置旋翼电机24工作，此时进入固定翼模式，

在固定翼模式下飞行器在爬升过程中两个后置旋翼电机24仍然工作，在爬升到巡航高度以后，电源管理器控制后置旋翼电机24一个停止工作，另外一个作为巡航的动力。

当电动复合翼飞行器执行完任务后即将到达着陆点后，该电动复合翼飞行器先降至100米高度，飞机在固定翼模式拉迎角减速至失速速度，此时电源管理器控制关闭两个后置旋翼电机24，倾转机构在1秒内驱动两个后置旋翼10向后倾转至竖直，随后同时启动两个前置旋翼电机13和两个后置旋翼电机24，此时电动复合翼飞行器进入多旋翼模式，随后以多旋翼模式降落至指定地点。

本实施方式所述的飞行器能够根据不同的任务需求，在保证总的电池重量不变情况下可以通过调整前后旋翼电机的供电电池的配比关系，从而得到不同的多旋翼悬停时间和固定翼续航时间的组合。

本实施方式所述的飞行器既减小固定翼巡航时的多旋翼系统死重，同时又提高了动力系统的利用率，同时还能提高固定翼巡航时动力系统的效率，使得该类飞行器的航时性能达到最优。

虽然以上所述描述了本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以做出若干改进，如后置倾转旋翼在多旋翼模式产生向下的推力，过渡模式时后置旋翼向后倾转等，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.电动复合翼飞行器，包括固定翼组件，所述固定翼组件包括机翼(1)、机身(3)、尾撑杆(11)、垂尾(18)、平尾(16)和航电系统；所述垂尾(18)与机身(3)通过尾撑杆(11)连接，平尾(16)对称安装在垂尾(18)上方；

其特征是，还包括转轴(8)、旋翼组件和倾转机构，所述旋翼组件包括两个前置旋翼(2)和两个后置旋翼(10)，所述前置旋翼(2)和后置旋翼(10)分别通过前置旋翼电机(13)和后置旋翼电机(24)驱动，所述前置旋翼电机(13)通过前置旋翼支撑杆(12)对称固定安装在机身(3)两侧的机翼(1)上，后置旋翼电机(24)固定安装在转轴(8)的两端；

所述前置旋翼(2)的旋翼平面保持水平；所述转轴(8)通过三通管件(23)安装在尾撑杆(11)的末端，所述后置旋翼(10)的旋翼平面设置10度的上反角；

所述航电系统包括电源管理器和两套供电系统，一套供电系统为前置旋翼电机(13)供电，另一套供电系统为后置旋翼电机(24)供电；

所述倾转机构包括倾转机构舵机(9)和连杆机构，所述倾转机构舵机(9)固定在垂尾蒙皮(25)上，连杆机构一端与舵机摇臂(20)连接，连杆机构的另一端与转轴(8)固连；所述倾转机构舵机(9)通过舵机摇臂(20)带动连杆机构驱动转轴(8)倾转，实现两个后置旋翼(10)的同步倾转。

2.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，所述固定翼组件还包括内侧副翼(4)、外侧副翼(5)、升降舵(6)和方向舵(7)，所述内侧副翼(4)对称安装在机翼(1)内侧，外侧副翼(5)对称安装在机翼(1)外侧，所述内侧副翼(4)和外侧副翼(5)分别通过内侧副翼舵机(14)和外侧副翼舵机(15)驱动控制滚转；

所述升降舵(6)和方向舵(7)分别通过升降舵舵机(17)和方向舵舵机(19)控制机翼的俯仰和偏航转动。

3.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，所述后置旋翼(10)的旋翼平面位于平尾(16)的下方，前置旋翼(2)的旋翼平面在机翼(1)的上方，所述后置旋翼(10)的旋翼直径小于前置旋翼(2)的旋翼直径，后置旋翼(10)之间的轴距小于前置旋翼(2)间的轴距。

4.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，该飞行器的重心位置在前置旋翼(2)和后置旋翼(10)之间，前置旋翼(2)与后置旋翼(10)到飞行器的重心距离之比为1：3。

5.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，所述连杆机构包括连杆(21)和轴环连杆(22)；所述舵机摇臂(20)固连在倾转机构舵机(9)上且位于垂尾(18)的一侧，轴环连杆(22)固定在转轴(8)上且与三通管件(23)接触对齐，所述舵机摇臂(20)和轴环连杆(22)平行且通过连杆(21)连接；倾转机构舵机(9)通过舵机摇臂(20)、连杆(21)和轴环连杆(22)使转轴(8)与后置旋翼(10)同步转动。

6.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，当倾转机构控制后置旋翼(10)向前倾转90度后，后置旋翼(10)的推力线与过飞行器重心的中轴线在同一平面，且两线的交点在重心前方10mm处。

7.根据权利要求1所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，设定该电动复合翼飞行器垂直起降和悬停时为多旋翼模式，由多旋翼到固定翼的转变过程称为过渡模式，在爬升和巡航时为固定翼模式。

8.根据权利要求7所述的电动复合翼飞行器，其特征在于，在多旋翼模式下，电源管理器控制两个前置旋翼电机(13)分别驱动两个前置旋翼(2)，两个后置旋翼电机(24)分别驱动两个后置旋翼(10)工作；

过渡模式下，在加速时倾转机构控制两个后置旋翼(10)同步向前倾转30度，在该状态下维持飞行器水平加速至失速速度；

过渡模式结束后，倾转机构驱动两个后置旋翼(10)向前倾转至水平状态，飞行器进入固定翼模式；

固定翼模式下，在飞行器处于爬升状态时，电源管理器控制两个后置旋翼(10)都工作，在飞行器处于巡航状态时，电源管理器控制一个后置旋翼(10)工作。