CN208775003U - 一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机 - Google Patents

Abstract

一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，包括：机身及复合气动舵面，所述机身两侧设有串列式前机翼及串列式后机翼，所述机身尾部设有垂尾，所述机身上安装有发动机，所述串列式前机翼及串列式后机翼上均设有螺旋桨及短舱、复合气动舵面及机翼倾转轴，所述复合气动舵面安装于所述串列式前机翼及串列式后机翼上的后缘位置，所述复合气动舵面设置于螺旋桨及短舱的后侧，所述螺旋桨及短舱安装于所述串列式前机翼及串列式后机翼前缘，可随所述串列式前机翼及串列式后机翼倾转，所述机翼倾转轴分前后两个，分别控制串列式前机翼及串列式后机翼倾转。其结构布局简单、易于控制、可实现性高的垂直起降倾转翼无人机。

Description

一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机

技术领域

本实用新型涉及无人机设备领域，特别涉及一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机。

背景技术

目前常见的无人机以多旋翼形式的飞行器为主。多旋翼无人机简单易操纵，可实现垂直起降与悬停作业，但续航时间短、巡航速度慢，无法实现单次大范围作业。

相比于旋翼飞行器，固定翼飞机具有速度高、航时长、航程远等优点。但固定翼飞机的起降对于跑道与场地有一定要求，难以满足许多无人机应用行业对于无人机易于使用、快速升空等特点的需要。

倾转旋翼飞机的发展始于上世纪40年代，由美国贝尔公司率先进行研制，以V-22鱼鹰飞机为代表为大家所熟知。倾转旋翼飞机综合了旋翼飞机与固定翼飞机的优点，但其控制系统与结构复杂，载人时的安全性备受质疑。

在发明专利CN106516080A具有一种气动布局以及倾转机构的倾转机翼无人机及机翼是否松脱的检测方法中公开了一种倾转旋翼飞机，其采用了前后螺旋桨错开布置的方式，但并未在机翼上布置舵面，仅通过调整机翼倾角来保证垂直起降时的飞机安定性，不但操纵与控制比较复杂，其效用与可靠性也难以保证。

在发明专利CN107600403A一种梯形布局串列式倾转机翼飞行器及其倾转机构中公开了一种梯形布局串列式倾转翼飞机，其机翼的多舵面布局不但增加了机构重量与控制难度，同时增加了失效风险。

现有的无人机倾转旋翼于垂直飞行状态损失拉力较多；平飞巡航状态控制面数量多，控制复杂，实现性和实用性低。

实用新型内容

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其结构布局简单、易于控制、可实现性高的垂直起降倾转翼无人机。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，包括：机身及复合气动舵面，所述机身两侧设有串列式前机翼及串列式后机翼，所述机身尾部设有垂尾，所述机身上安装有发动机，所述串列式前机翼及串列式后机翼上均设有螺旋桨及短舱、复合气动舵面及机翼倾转轴，所述复合气动舵面安装于所述串列式前机翼及串列式后机翼上的后缘位置，所述复合气动舵面设置于螺旋桨及短舱的后侧，所述螺旋桨及短舱安装于所述串列式前机翼及串列式后机翼前缘，可随所述串列式前机翼及串列式后机翼倾转，所述机翼倾转轴分前后两个，分别控制串列式前机翼及串列式后机翼倾转。

进一步，所述垂尾为飞机提供横侧向的稳定性，而侧向机动操作可由复合气动舵面控制完成，无需设置专供侧向机动使用的方向舵。

进一步，所述复合气动舵面分为上、下舵面两部分，上、下舵面既可合并绕转动轴偏转，也可分开转动，所述复合气动舵面的上、下两个舵面合并时与正常水平舵面相同，可通过控制两个舵面合并偏转角度δs改变串列式前机翼及串列式后机翼上的升力，从而控制全机的俯仰、滚转、偏航；上、下舵面分开时将改变串列式前机翼及串列式后机翼后缘构型，可通过控制两舵面夹角δk改变螺旋桨及短舱后气流的流速与流向，调整串列式前机翼及串列式后机翼上的拉力与阻力，从而控制全机的升降与悬停动作。

进一步，所述螺旋桨及短舱的螺旋桨位于短舱上方，所述螺旋桨及短舱内的螺旋驱动装置由发动机提供动力，同一套机翼上两侧的螺旋桨呈反向旋转，同一侧前后两机翼上的螺旋桨旋转方向也相反。

进一步，所述无人机垂直起降过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨转速、4个复合气动舵面合并偏转角度及4个复合气动舵面开合夹角共计12个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。

进一步，所述无人机巡航平飞过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨转速及4个复合气动舵面合并偏转角度共计8个输入量使无人机完成飞行各机动动作并保证动作精度。

进一步，所述机翼倾转中，通过控制无人机上串列式前机翼及串列式后机翼的倾转角度、4个复合气动舵面合并偏转角度及4个复合气动舵面开合夹角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型在于倾转螺旋桨可同时保证无人机具备垂直起降与高航速长航程的优点；机翼与螺旋桨同时倾转也减小了仅倾转螺旋桨时机翼的大面积对螺旋桨尾流的阻挡；复合气动舵面既可以充当普通水平舵面，又可以对螺旋桨拉力及全机阻力进行控制，既简化了飞机布局，也简化了飞机控制系统的复杂程度，易于实现。

附图说明

图1为本实用新型的全机俯视图；

图2为本实用新型的机翼A-A剖面图；

图3为本实用新型所述复合气动舵面的两种偏舵方式以及产生的主要气动力分量示意图；

图4为本实用新型在垂直起降与巡航飞行时可提供的飞行控制方式示意图；

图5为本实用新型配合具体实施方式说明的标号示意图；

附图标记对照表：

1-机身、2-串列式前机翼、3-串列式后机翼、4-螺旋桨及短舱、41-螺旋桨5-复合气动舵面、6-垂尾、 7-机翼旋转轴。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面将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。

如图1至图5所示，一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，包括：机身1及复合气动舵面5，所述机身1两侧设有串列式前机翼2及串列式后机翼3，所述机身1尾部设有垂尾6，所述机身上安装有发动机，所述串列式前机翼2及串列式后机翼3上均设有螺旋桨及短舱4、复合气动舵面5及机翼倾转轴7，所述复合气动舵面5安装于所述串列式前机翼2及串列式后机翼3上的后缘位置，所述复合气动舵面5设置于螺旋桨及短舱4的后侧，所述螺旋桨及短舱4安装于所述串列式前机翼2及串列式后机翼3前缘，可随所述串列式前机翼2及串列式后机翼3倾转，所述机翼倾转轴7分前后两个，分别控制串列式前机翼2 及串列式后机翼3倾转。

所述垂尾6为飞机提供横侧向的稳定性，而侧向机动操作可由复合气动舵面5控制完成，无需设置专供侧向机动使用的方向舵。所述复合气动舵面5分为上、下舵面两部分，上、下舵面既可合并绕转动轴偏转，也可分开转动，所述复合气动舵面5的上、下两个舵面合并时与正常水平舵面相同，可通过控制两个舵面合并偏转角度δs改变串列式前机翼2及串列式后机翼3上的升力，从而控制全机的俯仰、滚转、偏航；上、下舵面分开时将改变串列式前机翼2及串列式后机翼3后缘构型，可通过控制两舵面夹角δk改变螺旋桨及短舱4后气流的流速与流向，调整串列式前机翼2及串列式后机翼3上的拉力与阻力，从而控制全机的升降与悬停动作。所述螺旋桨及短舱4的螺旋桨41位于短舱上方，所述螺旋桨及短舱4内的螺旋驱动装置由发动机提供动力，同一套机翼上两侧的螺旋桨41呈反向旋转，同一侧前后两机翼上的螺旋桨41旋转方向也相反。所述无人机垂直起降过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨41转速、4个复合气动舵面5合并偏转角度及4个复合气动舵面5开合夹角共计12个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。所述无人机巡航平飞过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨41转速及4个复合气动舵面5合并偏转角度共计8个输入量使无人机完成飞行各机动动作并保证动作精度。所述机翼倾转中，通过控制无人机上串列式前机翼2及串列式后机翼3的倾转角度、4个复合气动舵面5合并偏转角度及4 个复合气动舵面5开合夹角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。

实施例1：δs为所述复合气动舵面5的上、下舵面合并偏转角度，偏转时主要产生升力方向的气动力增量，δk为所述复合气动舵面5的上下、舵面分开夹角，分开时主要产生阻力方向的气动力增量。

全机X轴为纵轴，以机头指向机尾为正；全机Y轴为横轴，垂直全机对称面指向飞机右侧为正；全机 Z轴为竖轴，满足右手定则指向全机上方为正。

无人机准备起飞时，串列式前机翼2与串列式后机翼3与水平地面垂直，使螺旋桨41拉力方向同全机Z轴正向。

在发动机的驱动下，螺旋桨41旋转产生拉力对抗飞机重力与上升飞行时产生的重力方向的阻力，无人机垂直起飞，期间可通过复合气动舵面5的开合角度δk控制无人机完成垂直升降动作或悬停，还可以通过调整复合气动舵面5的合并偏转角度δs来调整无人机着陆姿态，如图4a。

如图5所示的垂直起降过程中，螺旋桨41转速δt、复合气动舵面5合并偏转角度δs及开合角度δk 所控制的力或力矩之间的关系可写为以下形式：

将控制输入阵

由控制分配阵与期望控制阵表示为[U]＝[C][U′]，则有：

有如下形式的分配阵：

可使且力与力矩的控制正交，即使用此12个控制输入可以单独对各向力与力矩进行准确的调整控制并且不产生相互干扰。

在由无人机气动能力与发动机能力决定的合理的高度下，串列式前机翼2与串列式后机翼3绕机翼倾转轴7向水平方向倾转，无人机在螺旋桨41的拉力沿全机X轴的分力下产生前向飞行速度，使串列式前机翼2与串列式后机翼3上产生对抗无人机重力方向的升力，无人机由垂直起飞向巡航平飞过渡。

类似的，也可以求解此时的控制分配阵使得包含串列式前机翼2与串列式后机翼3倾转角度在内的上述10个输入量可以单独对各向力与力矩进行准确的调整控制。

串列式前机翼2与串列式后机翼3倾转至水平时，无人机达到了足够的前向飞行速度，串列式前机翼2与串列式后机翼3上产生的升力即等于无人机重力，螺旋桨41拉力等于无人机前向飞行是产生的全机X 向的阻力，无人机进入巡航平飞。在平飞过程中，可通过分别调整串列式前机翼2与串列式后机翼3的复合气动舵面5的合并偏转角度δs来完成无人机俯仰、滚转与偏航等机动，如图4b。

巡航平飞时的控制与固定翼的串列翼布局形式飞机相同，由上述的8个输入量对各向力与力矩进行准确的调整控制。

无人机飞至降落地点附近时，串列式前机翼2与串列式后机翼3再次向垂直水平面的方向倾转，无人机前向速度减小，由巡航平飞向垂直降落过渡。

串列式前机翼2与串列式后机翼3倾转至垂直水平面方向时，无人机可通过调整螺旋桨41的转速与复合气动舵面5的开合角度δk控制无人机降落，降落过程中，还可以通过调整复合气动舵面5的合并偏转角度δs来调整无人机着陆姿态，最终完成垂直降落。

以上所述仅为本实用新型专利的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型专利，凡在本实用新型专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于，包括：机身(1)及复合气动舵面(5)，所述机身(1)两侧设有串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)，所述机身(1)尾部设有垂尾(6)，所述机身上安装有发动机，所述串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)上均设有螺旋桨及短舱(4)、复合气动舵面(5)及机翼倾转轴(7)，所述复合气动舵面(5)安装于所述串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)上的后缘位置，所述复合气动舵面(5)设置于螺旋桨及短舱(4)的后侧，所述螺旋桨及短舱(4)安装于所述串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)前缘，可随所述串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)倾转，所述机翼倾转轴(7)分前后两个，分别控制串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)倾转。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述垂尾(6)为飞机提供横侧向的稳定性，而侧向机动操作可由复合气动舵面(5)控制完成，无需设置专供侧向机动使用的方向舵。

3.根据权利要求1所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述复合气动舵面(5)分为上、下舵面两部分，上、下舵面既可合并绕转动轴偏转，也可分开转动，所述复合气动舵面(5)的上、下两个舵面合并时与正常水平舵面相同，可通过控制两个舵面合并偏转角度δs改变串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)上的升力，从而控制全机的俯仰、滚转、偏航；上、下舵面分开时将改变串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)后缘构型，可通过控制两舵面夹角δk改变螺旋桨及短舱(4)后气流的流速与流向，调整串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)上的拉力与阻力，从而控制全机的升降与悬停动作。

4.根据权利要求3所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述螺旋桨及短舱(4)的螺旋桨(41)位于短舱上方，所述螺旋桨及短舱(4)内的螺旋驱动装置由发动机提供动力，同一套机翼上两侧的螺旋桨(41)呈反向旋转，同一侧前后两机翼上的螺旋桨(41)旋转方向也相反。

5.根据权利要求4所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述无人机垂直起降过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨(41)转速、4个复合气动舵面(5)合并偏转角度及4个复合气动舵面(5)开合夹角共计12个输入量使无人机完成垂直起降与悬停机动动作并保证动作精度。

6.根据权利要求5所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述无人机巡航平飞过程中，通过控制无人机上4个螺旋桨(41)转速及4个复合气动舵面(5)合并偏转角度共计8个输入量使无人机完成飞行各机动动作并保证动作精度。

7.根据权利要求6所述的一种具有复合气动舵面的倾转机翼无人机，其特征在于：所述机翼倾转中，通过控制无人机上串列式前机翼(2)及串列式后机翼(3)的倾转角度、4个复合气动舵面(5)合并偏转角度及4个复合气动舵面(5)开合夹角共计10个输入量使无人机完成空中机翼倾转动作并保证动作精度。