CN219838698U - 一种弓式倾转旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电动垂直起降飞行器技术领域，特别公开了一种弓式倾转旋翼飞行器，包括机身、主翼、弓式副翼、以及动力输出方向可调的第一推力装置、以及第二推力装置；机身两侧分别连接有主翼和弓式副翼，弓式副翼连接主翼；主翼上连接有第一推力装置和第二推力装置，弓式副翼上连接有第一推力装置；第一推力装置用于以可选择的方式提供前进和上升推力；第二推力装置用于提供上升推力。飞行器水平飞行时，第二推力装置单独控制飞行器滚转动作，避免第一推力装置额外倾转动力方向以控制滚转的情况，保持水平推进的动力，避免水平推进效率的降低，提高飞行效率。

Description

一种弓式倾转旋翼飞行器

技术领域

本实用新型涉及电动垂直起降飞行器技术领域，特别涉及一种弓式倾转旋翼飞行器。

背景技术

电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Takeoff and Landing，下文简称eVTOL)是一种可以横飞和垂直起降的飞行器，主要用于城市交通，是作为城市空中交通系统(UAM)而提出的一种缓解城市内交通拥堵及城市群之间的便捷空中交通问题而提供的新型解决方案。

目前eVTOL主要包括多旋翼型(升力型)和倾转旋翼矢量推力型(升力/巡航)和复合翼型(升力+巡航)；多旋翼型无人机依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器同时通过此升力来实现垂直起降，还可以通过控制各个旋翼的转速从而进行飞机的姿态控制；倾转旋翼矢量推力型依靠倾转旋翼实现在低速飞行过渡到巡航时，倾转旋翼倾转引导推力实现方向变化，从而进行飞机的姿态控制；复合翼型结合了多旋翼型、倾转旋翼矢量推力型和其他翼型的优点，逐渐成为研究的重点。

复合翼型的现有技术中，公开过一种飞行器设计，其采用前后翼联结的连翼布局配合多个倾转旋翼的动力装置，显著提高了机翼强度和刚度的同时可进行多种飞行状态的切换，当飞行器完成从垂直起降到固定巡航飞行的过程后，固定巡航飞行需要进行姿态控制或机动时，需要倾转旋翼在不同的方向提供垂直升力，而作为动力装置的多个倾转旋翼改变倾转角度为机动提供垂直升力后，会影响固定巡航飞行的水平推力，无法实现机动前的巡航飞行速度，从而降低飞行器的水平推进效率。

因此，研究一种在倾转旋翼机动时不影响水平推进效率的飞行器具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种弓式倾转旋翼飞行器，以解决现有飞行器在倾转旋翼机动时影响水平推进效率的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种弓式倾转旋翼飞行器，包括机身、主翼、弓式副翼、以及动力输出方向可调的第一推力装置、以及第二推力装置；所述机身两侧分别连接有所述主翼和所述弓式副翼，所述弓式副翼连接所述主翼；所述主翼上连接有所述第一推力装置和所述第二推力装置，所述弓式副翼上连接有所述第一推力装置；所述第一推力装置用于以可选择的方式提供前进和上升推力；所述第二推力装置用于提供上升推力。

在其中一个实施例中，所述主翼沿所述主翼的展开方向依次布置有所述第一推力装置和所述第二推力装置。

在其中一个实施例中，所述第一推力装置包括第一旋翼、倾转电机、以及用于实现所述第一推力装置连接固定的杆体；所述杆体与所述倾转电机连接为动力输出方向可调结构，所述倾转电机的输出轴连接所述第一旋翼。

在其中一个实施例中，所述主翼连接的所述杆体往所述弓式倾转旋翼飞行器的机头方向延伸，且该所述杆体延伸端部转动连接所述倾转电机，以使所述倾转电机具备往机头方向和机顶翻转的状态；所述弓式副翼连接的所述杆体往所述弓式倾转旋翼飞行器的机尾方向延伸，且该所述杆体延伸端部转动连接所述倾转电机，以使所述倾转电机具备往机尾方向和机顶翻转的状态。

在其中一个实施例中，所述杆体与所述倾转电机铰链连接。

在其中一个实施例中，所述第二推力装置包括第二旋翼和固定电机；所述主翼连接所述固定电机，所述固定电机传动连接所述第二旋翼，所述固定电机的动力输出方向对准机顶方向。

在其中一个实施例中，所述机身、所述主翼和所述弓式副翼构成三角形结构。

在其中一个实施例中，所述机身的头部沿尾部方向变宽。

在其中一个实施例中，所述机身的尾部还设有V型翼。

在其中一个实施例中，所述机身的底部还设有起落架。

本实用新型的有益效果如下：

由于机身两侧分别连接有所述主翼和所述弓式副翼，并且所述弓式副翼连接所述主翼，所以在进行应用时，所述主翼与所述弓式副翼连接成三角式联结翼，构成三角稳定结构，提高了机体的结构强度和有效载荷比，使其可搭载更多的推力装置，用于拉动有效载荷，同时该结构亦消除了主翼的振动，提高了升力系数。

由于所述主翼和所述弓式副翼上均连接有所述第一推力装置，并且所述第一推力装置用于以可选择的方式提供前进和上升推力，所以在进行应用时，当所述第一推力装置在进行垂直起降时，所述第一推力装置的推力部件对准上升方向进行工作，以提供垂直起降的动力，当所述第一推力装置需要进行巡航飞行时，所述第一推力装置的推力部件对准水平前进方向进行工作，以提供水平飞行的动力，实现推力的矢量控制，代替了传统舵面的控制方式，实现飞行器姿态的高效控制。

由于所述主翼上连接有所述第二推力装置，所述第二推力装置用于提供上升推力，所以在进行应用时，飞行器在进行水平飞行时，第二推力装置可单独控制飞行器的滚转动作，提高飞行器的机动性，可避免所述第一推力装置倾转动力方向以控制滚转的情况，使所述第一推力装置保持水平推进的动力，避免水平推进效率的降低，提高飞机飞行效率，实现长距离续航。

综上所述，由于设置了所述第一推力装置和所述第二推力装置，在垂直起降时，两者共同提供上升动力，在水平巡航飞行时，所述第一推力装置负责水平动力提供，所述第二推力装置实现滚转控制，避免现有技术中倾转推力装置同时负责水平动力提供和滚转控制的情况，解决了飞行器水平推进效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态整体结构示意图；

图2是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态整体结构俯视图；

图3是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态整体结构侧视图；

图4是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态整体结构前视图；

图5是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态整体剖面结构示意图；

图6是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态的第一推力装置大样图一；

图7是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态的第一推力装置大样图二；

图8是本实用新型优选实施方式提供的水平巡航飞行状态的第二推力装置大样图；

图9是本实用新型优选实施方式提供的垂直起降飞行状态整体结构示意图；

图10是本实用新型优选实施方式提供的垂直起降飞行状态整体结构俯视图；

图11是本实用新型优选实施方式提供的垂直起降飞行状态整体结构侧视图；

图12是本实用新型优选实施方式提供的垂直起降飞行状态整体结构前视图。

附图标记如下：

1、机身；2、主翼；3、弓式副翼；4、第一推力装置；40、第一旋翼；41、倾转电机；42、杆体；5、第二推力装置；50、第二旋翼；51、固定电机；6、V型翼；7、起落架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在现有技术中，倾转飞行器主要存在的缺陷在于倾转推进装置在机体水平巡航飞行时，当要滚转时，原本提供水平动力的倾转推进装置需要倾转推进方向，以提供滚转的升力，倾转推进装置推进方向的变化，降低了飞行器原本的水平动力，影响飞行器的水平推进效率。

为了解决上述问题，本实用新型提供了所述第一推力装置和所述第二推力装置两套推进装置，使其在水平巡航时可单独负责不同的动力推进或倾转控制，避免了同一推进装置同时控制水平动力推进和滚转动力控制的情况，从而提高了水平推进效率。

具体的，本实用新型提供了一种弓式倾转旋翼飞行器，其优选实施例如图1至图12所示，包括机身1、主翼2、弓式副翼3、以及动力输出方向可调的第一推力装置4、以及第二推力装置5；机身1两侧分别连接有主翼2和弓式副翼3，弓式副翼3连接主翼2；主翼2上连接有第一推力装置4和第二推力装置5，弓式副翼3上连接有第一推力装置4；第一推力装置4用于以可选择的方式提供前进和上升推力；第二推力5装置用于提供上升推力。

其中，主翼2和弓式副翼3相互连接以形成联结翼，提高了机体的结构强度，使其可搭载更多的推力装置，不同推力装置控制不同方向的推力，实现水平推力和上升推力的分离控制，提高飞机的控制效率和动力，具体的说，现有技术中公开过一种倾转飞行器，其通过设置倾转旋翼实现飞行器的垂直起降和水平巡航，但是，其倾转旋翼在水平巡航时同时负责飞行器的水平推进和滚转控制，当需要滚转控制时，倾转旋翼需要倾转以进行滚转控制，原本的水平推进动力变为滚转动力，降低了飞行器水平推进的效率，而本申请通过设置两种推进装置实现水平推进动力和滚转动力的分离控制。

需要指出的是，机身1采用升力体构型，主翼2为平直翼，无后掠角，弓式副翼3亦采用升力翼型，在增强结构稳定性的同时辅助主翼2进行平直飞行，主翼2与弓式副翼3的剖面呈经典翼型结构，上部较于下部曲度更大，为飞机提供升力，主翼2包括主翼2外壳与置于主翼2外壳内的主翼2框架，弓式副翼3包括副翼外壳与置于副翼外壳内的副翼框架，通过这样的设置，使得飞行器呈流线型以降低阻力。

在进行应用时，飞行器需要垂直起降时，请参照图1至图8，可倾转的所述第一推力装置4的推力部件旋转以对准飞行器的上升方向并提供动力，所述第二推力装置5的推力部件亦为飞行器提供上升方向的推力，即所述第一推力装置4和所述第二推力装置5共同提供垂直起降时的动力；飞行器需要水平巡航时，请参照图9至图12，所述第一推力装置4的推力部件旋转以对准飞行器的水平前进方向并提供动力，所述第二推力装置5的推力部件在机体需要进行滚转机动时提供上升的动力，即所述第一推力装置4提供水平前进方向动力，所述第二推力装置5提供滚转方向的动力，动力分离的设置可使飞行器水平推进动力保持不变，避免影响水平推进的效率。

进一步的，为了实现滚转省力的功能，如图2所示，每个主翼2沿主翼2的展开方向依次布置有第一推力装置4和第二推力装置5，第二推力装置5设于主翼2远离机身1的端部，通过这样的设置，所述第二推力装置5设置于力臂最长处，当需要滚转的力矩不变时，因为力臂足够长，只需较小的滚转力即可实现所需力矩。

在进行应用时，当飞行器需要左侧滚转时，第二推力装置5可提供上升的动力使左侧升力增大，就使向右滚转的力矩增大，使飞行器进行左侧滚转的操作，类似的右侧滚转亦是同理，在此不做赘述。

进一步的，为了实现第一推进装置推进的功能，如图6和图7所示，第一推力装置4包括第一旋翼40、倾转电机41、以及用于实现第一推力装置4连接固定的杆体42；杆体42与倾转电机41连接为动力输出方向可调结构，倾转电机41的输出轴连接第一旋翼40。

在进行应用时，杆体42分别固定在主翼2和弓式副翼3上，杆体42转动连接倾转电机41，带动倾转电机41往上升方向和前进方向转动，配合第一旋翼40以实现弓式倾转旋翼上升方向和水平前进方向的变动。

进一步的，为了实现弓式倾转旋翼矢量控制的功能，如图1、图6和图7所示，主翼2连接的杆体往弓式倾转旋翼飞行器的机头方向延伸，且该杆体42延伸端部转动连接倾转电机41，以使倾转电机41具备往机头方向和机顶翻转的状态；弓式副翼3连接的杆体42往弓式倾转旋翼飞行器的机尾方向延伸，且该杆体42延伸端部转动连接倾转电机41，以使倾转电机41具备往机尾方向和机顶翻转的状态。

其中，每个主翼2和每个弓形副翼3上均布置有可倾转的第一旋翼40，即飞行器的四角均设有第一旋翼40，旨在利用高自由度的第一旋翼40实现推力矢量的飞行器姿态控制。由于舵面姿态控制与推力矢量姿态控制互为冗余，且舵面控制在低速的垂直起降模态效率很低，所以取消传统舵面可以减少作动机构、提高低速下飞行器控制效率。

需要指出的是，倾转电机41包括但不限于控制电机以控制推力部件改变推力方向，可实现上述目的的电机均可进行使用，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择。

在进行应用时，当飞行器需要进行垂直起降时，两主翼2上连接的倾转电机41带动第一旋翼40转动至垂直向上的方向，两弓形副翼3上连接的倾转电机41带动第一旋翼40转动至垂直向上的方向，四个第一旋翼40实现垂直方向的上升推力提供，以实现飞行器垂直起降的动力需求；当飞行器需要进行水平巡航飞行时，两主翼上连接的倾转电机41带动第一旋翼40转动至机头方向，两弓形副翼3上连接的倾转电机41带动第一旋翼40转动至机尾方向，四个第一旋翼40实现推进方向的水平推力提供，实现飞行器水平巡航飞行的动力需求。

进一步的，为了实现推进装置倾转的功能，如图1、图6和图7所示，杆体与倾转电机铰链连接。

其中，主翼2前端连接固定杆体42的一端，杆体42的另一端设有第一铰链座，倾转电机41连接有第一铰链支座，第一铰链座与第一铰链支座间设有第一滚轴，通过这样的设置，主翼2前端的第一旋翼40可以绕机身1轴线的水平0°(机头方向)至所述机身1轴线的水平90°(机顶方向)间旋转，以此实现主翼2前端的第一旋翼40在水平前进方向和上升方向转动的目的。

类似的，弓形副翼3的后端连接固定杆体42的一端，杆体42的另一端设有第二铰链座，倾转电机41连接有第二铰链支座，第二铰链座与第二铰链支座间设有第二滚轴，通过这样的设置，弓形副翼3的第一旋翼40可以绕机身1轴线的水平180°(机尾方向)至所述机身1轴线的水平90°(机顶方向)间旋转，以此实现第一旋翼40在水平前进方向和上升方向转动的目的。

在进行应用时，主翼2和弓形副翼3均设有可倾转的第一旋翼40，当需要进行垂直起降时，可倾转的第一旋翼40垂直向上，当需要进行水平巡航飞行时，可倾转的第一旋翼40对准水平前进方向，以此实现垂直起降和水平巡航飞行的切换，当飞行器需要完成高难度的特技动作时，弓形副翼3的第一旋翼40配合第二推进装置5实现飞机机动。

进一步的，为了实现独立控制滚转的功能，如图1和图8所示，第二推力装置5包括第二旋翼50和固定电机51；主翼2连接固定电机51，固定电机51传动连接第二螺旋桨50，固定电机51的动力输出方向对准机顶方向。

其中，飞行器采用短距垂直起降方式从地面起飞时，第二旋翼50固定对准飞行器的垂直上升方向，在飞行器飞行过程中，即可充当垂直起降的上升动力，克服机体重力以完成稳定的垂直起降过程，亦可充当水平巡航时的滚准动力，提供滚转能力的同时保持了原本的水平推进效率。

在进行应用时，当飞行器在垂直起降时，两侧主翼2的第二旋翼50启动，配合第一推进装置提供飞行器上升的动力；当飞行器从垂直起降转换至水平巡航状态时，启动第二旋翼50配合第一推进装置间的差速控制可实现悬停转台的简单转向，为转换到平飞状态的航行做好方向的调整；当飞行器在水平巡航中需要滚转机动时，主翼2其中一侧的第二旋翼50启动，使这一侧具有上升的动力，增大滚转力矩，使飞行器进行滚转机动，在此过程中，滚转机动由第二推力装置5的第二旋翼50提供滚转的升力，避免第一推力装置4需将原本的水平推力分给滚转升力的问题，保持了原本的水平推进效率。

进一步的，为了实现加强结构稳定和减小主翼振动的功能，如图1所示，机身1、主翼2和弓式副翼3构成三角形结构。

其中，机身1、主翼2和弓式副翼3形成三角形结构，可减小飞行器结构重量和飞行器的体型，能够提高有效载荷比，即使其可搭载四个第一推力装置4和两个第二推力装置5，有更多动力用于拉动载荷，可使飞行器有更多动力用于拉动有效载荷并具备更高的续航能力。

需要指出的是，机身1、主翼2和弓式副翼3间结构包括但不限于三角形，这样的设置旨在通过添加弓式副翼3与主翼2连接的方式，以达到加强结构稳定和减小主翼2振动及提供小部分升力的作用，机翼之间可随意调整后掠角、长度、翼型和结构，本领域技术人员在进行应用时可根据自身需求进行选择，只要能够满足上述特点即可。

在进行应用时，具体的本申请的三角形结构在小型验证集设计中，在多处采用轻木复合碳纤维的结构，譬如机翼采用椴木板结构叠加轻量PVC膜蒙皮或KT板蒙皮以减轻重量，可有效减轻飞行器本身重量并加强结构强度。

进一步的，为了实现飞行器灵活姿态控制的功能，如图1所示，机身1的尾部还设有V型翼6。

在进行应用时，当飞行器在水平巡航飞行状态时，V型翼6配合第二推进装置进行机动，可提高飞行器的灵活姿态控制。

另外，机身1的头部沿尾部方向变宽，机身1的底部还设有起落架7，便于飞行器的起降。

从上文可知本申请的基本结构和原理，下文将以一个具体的过程进行描述。

飞行器从地面上准备垂直起飞，请参照图1至图8，飞行器主翼2上第一推力装置4中第一旋翼40的朝向对准机顶方向，飞行器弓形副翼3上第一推力装置4中第一旋翼40朝向对准机顶方向，启动四个第一旋翼40和两个第二旋翼50，相互配合使飞行器从地面上垂直起飞至空中。

当飞行器完成垂直起飞后，需转换至水平巡航的平飞状态时，第二旋翼50保持垂直方向推力以使飞行器进行悬停，飞行器主翼2上第一推力装置4中第一旋翼40朝向对准机头方向，飞行器弓形副翼3上第一推力装置4中第一旋翼40朝向对准机尾方向，启动四个第一旋翼40，并关闭第二旋翼50。

当飞行器在水平巡航的平飞状态时，请参照图9至图12，需要滚转机动时，启动主翼2其中一侧的第二旋翼50，使机体产生滚转力矩以进行滚转。

飞行器从空中返回至地面上的过程，与地面至空中的过程相反即可，本领域技术人员可根据自身实际需求进行操作。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

包括机身、主翼、弓式副翼、以及动力输出方向可调的第一推力装置、以及第二推力装置；

所述机身两侧分别连接有所述主翼和所述弓式副翼，所述弓式副翼连接所述主翼；

所述主翼上连接有所述第一推力装置和所述第二推力装置，所述弓式副翼上连接有所述第一推力装置；

所述第一推力装置用于提供前进或上升推力；

所述第一推力装置包括第一旋翼、倾转电机、以及用于实现所述第一推力装置连接固定的杆体；所述杆体与所述倾转电机连接为动力输出方向可调结构，所述倾转电机的输出轴连接所述第一旋翼；

所述主翼连接的所述杆体往所述弓式倾转旋翼飞行器的机头方向延伸，且该所述杆体延伸端部转动连接所述倾转电机，以使所述倾转电机具备往机头方向和机顶翻转的状态；所述弓式副翼连接的所述杆体往所述弓式倾转旋翼飞行器的机尾方向延伸，且该所述杆体延伸端部转动连接所述倾转电机，以使所述倾转电机具备往机尾方向和机顶翻转的状态；

所述第二推力装置用于提供上升推力。

2.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述主翼沿所述主翼的展开方向依次布置有所述第一推力装置和所述第二推力装置。

3.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，所述杆体与所述倾转电机铰链连接。

4.根据权利要求1或权利要求2任一项所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述第二推力装置包括第二旋翼和固定电机；

所述主翼连接所述固定电机，所述固定电机传动连接所述第二旋翼，所述固定电机的动力输出方向对准机顶方向。

5.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述机身、所述主翼和所述弓式副翼构成三角形结构。

6.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述机身的头部沿尾部方向变宽。

7.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述机身的尾部还设有V型翼。

8.根据权利要求1所述的一种弓式倾转旋翼飞行器，其特征在于，

所述机身的底部还设有起落架。