CN212267846U - 一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，包括：机身、机尾、旋翼组件、倾转组件和动力组件，动力组件安装于机体内，包括油箱、发动机、发电机和电池，发动机的输出轴驱动发电机工作，电池通过线缆分别与发电机和倾转电机相连接。采用了混动系统与倾转机构相结合的技术方案，能够使无人机充分利用燃油发动机能量密度高的特点，使得飞行时间和悬停时间都大大延长，性能得到优化提升；同时也对能源系统有双备份，即便发动机出现故障也能正常飞行；在定点悬停过程中，一般垂起固定翼飞机悬停的时候只用电池供电，而本实用新型中增加了发电机的能量，减少了电池电能的输出，因而能增加悬停时间，比一般常规固定翼无人机悬停时间增加一倍以上。

Description

一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机

技术领域

本实用新型涉及一种固定翼无人机，具体涉及一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，属于无人机技术领域。

背景技术

无人机是一种以无线电遥控或由资深程序控制为主的不载人飞机，具有体积小、成本低、使用维护方便等多种优势，在国防和民用领域中的应用需求急剧增加。随着技术的发展，无人机的性能不断提升，种类也不断增多。按动力源分类，可以分为电动无人机、油动无人机、油电混合无人机以及其他能源（如氢燃料）无人机；按用途分类，可以分为军用无人机、工业级无人机、消费级无人机等；按飞行平台分类，可以分为固定翼无人机、旋翼无人机和其他飞行平台。

固定翼无人机是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机体上固定的机翼产生升力的，在大气层内飞行，重于空气的无人机。其中，垂直起降固定翼无人机的定义为：能以零速度起飞/着陆且具备悬停能力，并可以固定翼方式水平飞行。与传统飞行器相比，垂起固定翼无人机既有固定翼飞行器飞行速度快、航程远、航时长的性能优势，又能在场地和空域受限的山区、丛林和水面舰艇等小面积、复杂区域完成起降，因此受到了业界越来越广泛的重视。

垂起固定翼无人机主要可分为：倾转动力式、尾座式和复合动力式三类，倾转动力式垂起无人机通过倾转机构，实现旋翼或喷气发动机从水平到垂直的相互切换，水平飞行时动力沿水平方向克服阻力，垂直飞行时动力沿垂直方向克服重力。但是，现有的倾转垂直起降固定翼无人机也存在一些局限。

申请号为201710981102 .X的发明专利公布了一种油电混合动力的垂直起降固定翼长航时无人机，采用三机身平行布局，使机身拥有更多的载荷空间，将倾转机构与油动变距机构结合可带来更高的气动效率和更大的载重能力。无人机在起飞、巡航、降落过程中，第一燃油动力倾转变距系统与第二燃油动力倾转变距系统提供垂直起降阶段的主垂直升力，第一升力电动机、第二升力电动机提供垂直起降阶段的辅助垂直升力，四个动力系统组合提供俯仰和横滚所需姿态调节力矩。该无人机在发动机出现故障时就会导致飞行中断，而且具有四个动力系统，整体能源利用效率较低。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，结合了混动和倾转两方面的特点，有利于提高飞行时间和悬停时间，同时对能源系统具有双备份，即便发动机出现故障也能正常飞行。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，包括：

机身，所述机身包括机体和对称分设于机体两侧的一对机翼，所述一对机翼在相同位置安装有沿机体轴线方向延伸的机臂；

机尾；

旋翼组件，所述旋翼组件包括若干旋翼和用于驱动各旋翼的动力电机；

倾转组件，所述倾转组件安装于机臂前端，包括倾转电机和倾转机构，所述倾转机构使倾转电机在水平状态和垂直状态之间切换；

动力组件，所述动力组件安装于机体内，包括油箱、发动机、发电机和电池，所述发动机的输出轴驱动发电机工作，所述电池通过线缆分别与发电机和倾转电机相连接。

优选地，前述旋翼为两个，分设安装于机臂中后段，所述动力电机安装于旋翼下方，为无人机提供垂起阶段的辅助升力。

优选地，前述机尾包括在机臂尾部向下设置的一对垂尾和连接机臂尾端的平尾，通过机尾可调节无人机的偏航力矩和俯仰力矩。

优选地，前述机体采用碳纤维材料制成。

更优选地，前述动力组件的重心位于机体的中轴线上，以确保无人机重量分布均匀，从而确保飞行平稳。

更优选地，该无人机还包括一电控模块，所述发动机及发电机均与电控模块相连接，所述电控模块用于控制发动机油门，并将发电机的电能进行能源分配控制。

再优选地，前述电池为蓄电池。

进一步优选地，在无人机平飞时，所述发电机为固定翼无人机提供前进动力能源，同时为电池提供充电需求。

更进一步优选地，该无人机具有能源系统双备份，当发动机出现故障时，电池即启动提供动力来源，进一步提高无人机安全性和可靠性，避免飞行故障。

本实用新型的有益之处在于：

（1）本实用新型的垂直起降固定翼无人机采用了混动系统与倾转机构相结合的技术方案，能够使无人机充分利用燃油发动机能量密度高的特点，使得飞行时间和悬停时间都大大延长，性能得到优化提升；同时也对能源系统有双备份，即便发动机出现故障也能正常飞行；

（2）倾转电机带有倾转机构，在垂起阶段，倾转电机处于垂直向上状态，提供向上拉力；相较于传统的同类无人机垂起阶段用电池供电而言，本实用新型中由于使用了倾转电机，在垂直起降过程中能够分担电池的输出，因而可以使用容量小一些的电池，使电池重量减少约50%，减轻了整机重量，进而提升了能源利用率；

（3）在平飞过程中，倾转电机处于水平状态，为前飞提供水平拉力；同时，发电机除能够为固定翼无人机提供前进动力能源外，多于的电量还可以为电池提供充电需求，保证在每次降落过程中电池均处于充满状态，保障飞行安全；如果飞行过程中发动机发生故障，电池也将及时启动，即实现了能源系统双备份，在发动机出现故障时也能正常飞行；

（4）在定点悬停过程中，一般垂起固定翼飞机悬停的时候只用电池供电，而本实用新型中增加了发电机的能量，减少了电池电能的输出，因而能增加悬停时间，比一般常规固定翼无人机悬停时间增加一倍以上。

附图说明

图1是本实用新型的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机的一个具体实施例的俯视图；

图2是图1所示实施例的主视图；

图3是图1所示实施例的侧视图；

图4是本实用新型中动力系统的连接示意图；

图5是图3的局部放大结构示意图。

图中附图标记的含义：1、机身，2、机翼，3、机臂，4、垂尾，5、平尾，6、旋翼，7、倾转电机，8、倾转机构，9、油箱，10、发动机，11、发电机，12、电池，13、前旋翼，14、动力电机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图3所示，本实用新型的倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，包括机身1、机尾、旋翼6组件、倾转组件和动力组件。其中，机身1包括机体和对称分设于机体两侧的一对机翼2，在一对机翼2的相同位置安装有沿机体轴线方向延伸的机臂3，这样能够保证无人机的重心分布均匀，进而确保飞行平稳。机尾包括在机臂3尾部向下设置的一对垂尾4和连接机臂3尾端的平尾5，在垂尾4上设置有方向舵用来产生无人机偏航力矩，平尾5上则设置有升降舵用来产生无人机俯仰力矩。

旋翼6组件仅在垂直起降时使用，提供辅助垂直升力，包括若干旋翼6和用于驱动各旋翼6的动力电机14，其中，动力电机14所需要的能量也来自后面将要重点介绍的动力系统。具体到本实施例中，旋翼6为两个，分设安装于机臂3中后段，动力电机14也相应地为两个，分别安装于旋翼6下方，可实现无人机垂直短距离起降运动。

为了减轻无人机的重量，机体采用碳纤维材料制成，且机体为中空的壳体结构，用于安装动力组件。具体地，如图1和图4所示，动力组件包括油箱9、发动机10、发电机11和电池12，发动机10的输出轴驱动发电机11工作，电池12通过线缆分别与发电机11和倾转电机7相连接，构成了混合动力系统。需要说明的是，这里的混合动力是指发动机10带动发电机11，提供电能供系统使用且多余的电量给蓄电池12充电，跟目前现有技术中固定翼上采用前飞动力用燃油发动机10动力、垂起阶段用电池12供电存在显著的区别。在本实用新型中，无人机主要靠倾转电机7提供垂起和前飞动力，系统采用电能传输来实现能源供给，而且电能传输中不需要机械结构件，只需采用线缆等连接方式即可实现能源传输供给，十分便利。

至于动力组件在机体中的安装位置，本申请中并无特殊要求，发动机10、发电机11和电池12等均可以根据机身1布局及启动需求设置在无人机上，但总的来说，动力组件的重心应位于机体的中轴线上，这样才能保证无人机的平稳飞行。

在垂直起降阶段，倾转电机7处于垂直向上状态，提供向上拉力，当固定翼无人机转平飞过程中，倾转电机7处于水平状态，为前飞提供水平拉力，这一技术是通过倾转组件来实现的。如图3和图5所示，倾转组件安装于机臂3前端，包括倾转电机7和倾转机构8，倾转机构8使倾转电机7在水平状态和垂直状态之间切换，倾转电机7驱动前旋翼13运动从而产生相应方向的拉力。倾转机构8采用现有技术中业已成熟的技术，故本实用新型中不做赘述。

作为本实用新型的进一步改进，该无人机还包括一电控模块，动力组件的发动机10及发电机11均与电控模块相连接，该电控模块用于控制发动机10油门，并将发电机11的电能进行能源分配控制，与电池12共同为固定翼无人机提供垂直起降能源来源，平飞过程中则直接由发电机11提供前进能源动力。也就是说，平飞过程中通过电控模块，控制利用发电机11的电能供倾转电机7提供能量，垂起过程将电池12和发电机11的电能共同用于垂起阶段能源需求。

本实用新型的倾转混动电传垂直起降固定翼无人机的飞行过程简述如下：

（1）垂直起降时，倾转电机7处于垂直向上状态，提供主要的垂直升力；旋翼6组件同时启动，提供辅助垂直升力，完成垂直起降过程；

（2）巡航平飞时，倾转机构8带动倾转电机7倾转90度，处于水平状态，为前飞提供水平拉力。在平飞过程中，发电机11除能够为固定翼无人机提供前进动力能源外，还可以为电池12提供充电功能，此时电池12不用来做动力能源，只供机载设备供电使用，保证在每次降落过程中电池12处于充满状态，保障飞行安全。而一旦发动机10发生故障，则电池12立刻启用，保证无人机的正常飞行，即实现了能源系统的双备份。

综上，本实用新型的垂直起降固定翼无人机采用了混动系统与倾转机构8相结合的技术方案，能够使无人机充分利用燃油发动机10能量密度高的特点，使得飞行时间和悬停时间都大大延长，性能得到优化提升；同时也对能源系统有双备份，即便发动机10出现故障也能正常飞行；而且，由于倾转电机7在垂直起降过程中能够分担电池12的输出，因而可以使用容量小一些的电池12，使电池12重量减少约50%，减轻了整机重量，进而提升了能源利用率；此外，在定点悬停过程中，一般垂起固定翼飞机悬停的时候只用电池12供电，而本实用新型中增加了发电机11的能量，减少了电池12电能的输出，因而能增加悬停时间，比一般常规垂直起降固定翼无人机悬停时间增加一倍以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，包括：

机身，所述机身包括机体和对称分设于机体两侧的一对机翼，所述一对机翼在相同位置安装有沿机体轴线方向延伸的机臂；

机尾；

旋翼组件，所述旋翼组件包括若干旋翼和用于驱动各旋翼的动力电机；

倾转组件，所述倾转组件安装于机臂前端，包括倾转电机和倾转机构，所述倾转机构使倾转电机在水平状态和垂直状态之间切换；

动力组件，所述动力组件安装于机体内，包括油箱、发动机、发电机和电池，所述发动机的输出轴驱动发电机工作，所述电池通过线缆分别与发电机和倾转电机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述旋翼为两个，分设安装于机臂中后段，所述动力电机安装于旋翼下方。

3.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述机尾包括在机臂尾部向下设置的一对垂尾和连接机臂尾端的平尾。

4.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述机体采用碳纤维材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述动力组件的重心位于机体的中轴线上。

6.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，还包括一电控模块，所述发动机及发电机均与电控模块相连接，所述电控模块用于控制发动机油门，并将发电机的电能进行能源分配控制。

7.根据权利要求1所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，所述电池为蓄电池。

8.根据权利要求1~7任一项所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，在平飞时，所述发电机为固定翼无人机提供前进动力能源，同时为电池提供充电需求。

9.根据权利要求8所述的一种倾转混动电传垂直起降固定翼无人机，其特征在于，该无人机具有能源系统双备份，当发动机出现故障时，电池即启动提供动力来源。

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