CN220562969U - 一种无桨式垂直起降消防无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无桨式垂直起降消防无人机，包括机架、动力系统；所述机架上设有多个多级轴流式涵道风扇，用于为无人机垂直起降提供升力；所述多个多级轴流式涵道风扇的喷口方向可调，以控制调整无人机的姿态；所述机架顶部设有气流腔外壳总成，将空气引入多个多级轴流式涵道风扇中；能控制调整消防无人机的飞行姿态，具有载重大、航时长、结构紧凑、不怕小型物体碰撞，能像多旋翼一样简单操作的高层建筑灭火消防无人机。

Description

一种无桨式垂直起降消防无人机

技术领域

本实用新型属于高层建筑消防灭火等领域，特别是一种无桨式垂直起降消防无人机。

背景技术

随着我国经济的发展，建筑行业也获得了发展的机遇，超高层建筑也遍布全国各地，但是高楼一旦起火，如果不及时进行扑救，将会造成严重的经济损失和人员伤亡.传统的灭火手段存在够不着，进不去，展不开，打不准等问题，导致高层建筑灭火救援成为一大难题.随着无人机技术的发展，将其应用与高层建筑灭火救援收到很好的效果。

直升机主要特征是通过大尺寸桨叶的周期变距实现姿态的控制，由动力驱动的旋翼提供主要升力和推进力来源。由大尺寸桨叶带来的优势是速度快，载重大、航时长；要实现“周期变距”所需的机械机构极其复杂，所带来的劣势：故障率高、维护费用高、不易操作；大尺寸桨叶因为需要周期变距的缘故，无法使用更高效率的桨叶翼型，同时噪音大。

多旋翼主要特征是采用小尺寸桨叶动力系统的分散式分布，通过多动力系统的协同工作实现姿态的控制。动力系统的分散式带来的好处是避免了“周期变距”的困扰，上手简单、价格便宜、维护方便。但采用小尺寸桨叶动力系统会带来低效率的问题，载荷小、航时短、飞行高度低、巡航速度慢，抗恶劣天气能力较差。纯电动多旋翼，续航难超30分钟。目前量产的多旋翼无人机以电动为主，制约无人机航时的主要因素是动力系统。一般来说，锂电池的能量密度限制，一般15公斤左右的无人机理论上自带电池的重量很难超过5公斤，这意味着航时不会超过30分钟。此外，受制于电池本身的性能，冬季低温环境放电更快，可作业的时间更短。在未来很长的一段时间内，电池技术很难有根本性的突破，使用电池提供动力造成的续航时间不足很难从根本上解决。

汽油能量密度高，却不适用于多旋翼。汽油能量密度大约是12~17MJ/kg，燃油的能量密度比锂电池高十余倍，理论上是要比电池更优的解决方案。但是内燃机的油门线性很复杂，调速程序繁琐，造成无人机的响应速度变慢，内燃机在最佳输出功率下的行程很窄，需要变速箱改变齿轮配比以适应不同的转速，无人机的尺寸就会增加进而重量也会增加，因此油动多旋翼无人机方案并不现实。

多旋翼的机械效率远比传统直升机要低，其一小时的耗油量约为25升。作为对比，120公斤级的活塞式油动直升机一小时的耗油量只有6-10升。

油电混合比较稳妥，但是客观上需要携带油动和电动两套动力系统，结构重量变大。采用油电混合动力系统，具有油动发动机续航时间长与电动机响应较快的特点。通过油动发电，保留了燃油的高能量。而电力驱动旋翼，保留了电驱动操纵灵活的特点。但是门槛高，价格贵，不利于推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无桨式垂直起降消防无人机，结构紧凑且不怕小型物体碰撞，能像多旋翼一样操控的高层建筑灭火无人机。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种无桨式垂直起降消防无人机，包括机架、动力系统；所述机架上设有多个多级轴流式涵道风扇，用于为无人机垂直起降提供升力；

所述多个多级轴流式涵道风扇的喷口方向可调，以控制调整无人机的姿态；

所述机架顶部设有气流腔外壳总成，将空气引入多个多级轴流式涵道风扇中。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

该消防无人机所采用的多级轴流式涵道风扇，不仅体积小而且推力大，它一共安装了六个多级轴流式涵道风扇，并采用两台大功率燃油发动机，保留了燃油的高能量，具有续航时间长的特点。即使一台燃油机出现故障了，或者有1个多级轴流式涵道风扇也不工作了，剩下的一台燃油机与五个多级轴流式涵道风扇，也能保证消防无人机能够安全地降落；

该消防无人机上安装的多级轴流式涵道风扇的基本结构及原理与轴流压缩机相同，其关键零件“类似机翼的叶片”无需在高温环境下工作，只需抵抗高速旋转带来的离心力即可，因此可采用铝、镁等价格相对低廉的普通材料来制作。

该消防无人机上独特的多级轴流式涵道风扇垂直升降系统，其独到之处在于六个多级轴流式涵道风扇的安装布局。六个多级轴流式涵道风扇都围绕一个中心点圆周均等安装，再通过一个动力分配齿轮箱及一个增速齿轮箱，再加上八个挠性联轴器，简单有效地将两台燃油发动机的动力连接上，相当于在消防无人机上分布式安装了六个多级轴流式涵道风扇。相比直接安装六个小型涡喷发动机方案来说，具有耗油低、动力强劲、造价较便宜、后期维护方便、简洁可靠高效等特点。其中动力分配齿轮箱、增速齿轮箱和挠性联轴器是技术成熟高效可靠的零部件，能让它们失效的情况几乎为零。可以说安装的多级轴流式涵道风扇越多越可靠，故而该多级轴流式涵道风扇垂直升降系统的安装布局也可以安装八个或十个，甚至十二个多级轴流式涵道风扇，能进一步提高消防无人机的安全性能，把它应用在载人飞行器上也是个不错的方案。

该无桨式垂直起降消防无人机还有一个显著的优势，就是不怕树木，电线杆等以及建筑物墙体的碰撞。当高楼发生火灾时，它能贴近高楼窗户或阳台，让高楼里面的人进入它下面的事先挂载好的类似大网兜装置里，然后安稳落地之后再继续去救人。当然，还有其他用途，比如发射物资弹，挂载干粉罐或消防泡沫水带去高楼火灾现场灭火等等。

附图说明

图1 是无人机整体主要结构爆炸图；

图2 是无人机的外部主要结构示意图；

图3 是无人机的内部主要结构示意图；

图4 是无人机飞行平台主要尺寸图；

图5 是无人机主要结构三视图与立体图；

图6 是多级轴流式涵道风扇主要结构爆炸图；

图7 是多级轴流式涵道风扇主要结构剖视图；

图8 是多级轴流式涵道风扇主要结构三视图与立体图；

图9 是多级轴流式涵道风扇的主要尺寸图；

图10 是众所周知的固定机翼剖面及其产生升力的原理，即伯努利原理示意图；

图11 是多级轴流式涵道风扇5中的动叶轮与静叶轮的立体图；

图12 是多级轴流式涵道风扇5中的叶轮组件爆炸图；

图13 是多级轴流式涵道风扇5中的叶轮组件剖视图与立体图；

图14 是多级轴流式涵道风扇5通过动叶片对气体做功，提高了气体的压能与动能示意图；

图15多级轴流式涵道风扇5上的能左、右两侧各45度转向的可旋转式弯喷口24齿轮驱动组件立体图与爆炸图；

图16 是多级轴流式涵道风扇上的可旋转式弯喷口可以向左、右两侧各45度旋转示意图；

图17 是六个多级轴流式涵道风扇组成的垂直起降系统主要结构二视图与爆炸图；

图18 是动力传动系统主要结构爆炸图；

图19 是动力传动系统主要结构三视图与立体图；

图20 是动力分配齿轮箱与增速齿轮箱总成主要结构二视图与爆炸图；

图21 是动力分配齿轮箱主要结构爆炸图与立体图；

图22 是增速齿轮箱主要结构爆炸图与立体图；

图23 是铝合金机架三视图与立体图；

图24 是六个多级轴流式涵道风扇固定在铝合金机架上立体图；

图25 是气流腔外壳总成主要结构爆炸图与立体图；

图26 是六个多级轴流式涵道风扇组成的垂直起降系统所产生高压气流示意图；

图27 是六个多级轴流式涵道风扇垂直起降系统通过控制六个可旋转式弯喷口来进行前仰或后附飞行模式示意图；

图28 是六个多级轴流式涵道风扇垂直起降系统通过控制六个可旋转式弯喷口来进行左倾斜或右倾斜飞行模式示意图；

图29 是六个多级轴流式涵道风扇垂直起降系统通过控制六个可旋转式弯喷口来进行前进或后退飞行模式示意图；

图30 是六个多级轴流式涵道风扇垂直起降系统通过控制六个可旋转式弯喷口来进行起飞或降落飞行模式示意图；

图31 是六个多级轴流式涵道风扇垂直起降系统通过控制六个可旋转式弯喷口来进行顺时针旋转或逆时针旋转飞行模式示意图；

图32 是无人机在高楼发生火灾时贴近高楼阳台去救人的场景示意图。

实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。

本实施例的一种无桨式垂直起降消防无人机，利用周向均布的六个多级轴流式涵道风扇5提供主要升力来进行垂直起降，并能控制调整无人机的姿态，采用两台燃油发动机11用来提供强劲动力的高层建筑灭火消防无人机。图4中，其整体尺寸大概为长：2100 mm，宽：1850 mm，高：950 mm。其整体主要包括：气流腔外壳总成1，飞控2，动力分配齿轮箱3，齿轮增速箱4，多级轴流式涵道风扇5，铝合金机架6，挠性联轴器7，离合器8，锂电池9，燃油箱10，燃油发动机11，消防泡沫水带装置12。其中燃油箱10里足够的燃油为两台燃油发动机11提供强劲地初始动力，驱动下一级的动力传动系统。

结合图6、图7、图8、图9，本实施例的一种无桨式垂直起降消防无人机上的一台多级轴流式涵道风扇5，其整体大致尺寸为长：783 mm，宽：320 mm，高：252 mm。主要结构包括多级轴流式涵道风扇上外壳13，进气口整流罩14，多级轴流式叶轮主轴前端固定件15，小直径轴承16，多级轴流式叶轮组件17，多级轴流式叶轮主轴后端固定件18，多级轴流式涵道风扇下外壳19，自锁式微型电机20，可旋转式弯喷口驱动小斜齿轮21，可旋转式弯喷口驱动大斜齿轮22，大直径轴承23，可旋转式弯喷口24，可旋转式弯喷口驱动齿轮防尘罩25。

多级轴流式叶轮组件17前后两端端通过小直径轴承16分别支撑在多级轴流式叶轮主轴前端固定件15和多级轴流式叶轮主轴后端固定件18上，多级轴流式叶轮主轴前端固定件15和多级轴流式叶轮主轴后端固定件18固定在由多级轴流式涵道风扇上外壳13 和多级轴流式涵道风扇下外壳19这两个大件所组成的壳体内。

结合图15、图16，多级轴流式涵道风扇上外壳19前端固定有进气口整流罩14，多级轴流式叶轮主轴后端固定件18后端设有可旋转式弯喷口24。可旋转式弯喷口24设有可旋转式弯喷口驱动齿轮防尘罩25， 大直径轴承23，可旋转式弯喷口驱动大斜齿轮22，可旋转式弯喷口驱动小斜齿轮21，自锁式微型电机20。其中可旋转式弯喷口驱动大斜齿轮22与可旋转式弯喷口24用螺丝固定成为一个刚体，并安装在两个大直径轴承23上。两个大直径轴承23固定在多级轴流式叶轮主轴后端固定件18上。然后让自锁式微型电机20上的可旋转式弯喷口驱动小斜齿轮21，带动可旋转式弯喷口驱动大斜齿轮22，从而实现了可旋转式弯喷口24可以左、右两侧各45度旋转。当可旋转式弯喷口24垂直向下时，其垂直升力为最大，水平推力为零。当喷口向左或向右旋转到45度时，其向下的垂直升力降为一半，水平推力则增加一半，垂直升力会随着可旋转式弯喷口24的角度增大而逐渐减少。通过飞控2去分别控制六个多级轴流式涵道风扇5上的共六个可旋转式弯喷口24的喷射角度，即可控制消防无人机在空中的前仰后俯，前进或后退飞行，顺时针旋转或逆时针旋转等动作。

结合图10、图11、图12、图13、图14，多级轴流式涵道风扇中动叶轮或静叶轮上的叶片，其剖面类似于固定飞机机翼剖面。从侧面看，机翼顶部弯曲，而底部相对较平。机翼在空气中穿过将气流分隔开来。一部分空气从机翼上方流过,另一部分从下方流过。但是由于机翼上部表面是弯曲的,因而从上方通过的空气速度加快结果是使机翼上方的气压降低。与之相反,机翼下方的空气相当于沿直线流动,其速度与压力保持不变。当气流填补局部真空时,机翼阻碍了它,这样机翼就被空气抬起。飞机向前飞行得越快,机翼产生的气动升力也就越大。当升力大于重力时,飞机就可以飞行了。这是众所周知的固定机翼产生升力的原理，即伯努利原理。多级轴流式叶轮组件17包括多级叶轮（每级均包括动叶轮26、静叶轮27）和旋转主轴28，动叶轮26与静叶轮27的主要结构都是由若干个类似机翼的叶片，围着一个中心所组成零部件。多级轴流式涵道风扇由一排动叶轮26与紧跟其后的一排静叶轮27构成一个级，是其最基本工作单元。多级压缩是由首尾相接，串联而成的多个级组成。当多级轴流式叶轮组件17高速旋转时，通过进气口41吸入外部的空气，内部的动叶轮26对气体做功提高了气体的压能与动能，并一级一级地逐级压缩空气，从可旋转式弯喷口24中喷出一股高压气流来。其中动叶轮26固定在叶轮的旋转主轴28上，静叶轮27固定在由多级轴流式涵道风扇上外壳13 和多级轴流式涵道风扇下外壳19这两个大件所组成的壳体内。

结合图17、图18、图19、图20、图20、图22，由六个多级轴流式涵道风扇5，加上六个挠性联轴器7和一个动力传动系统29，共同组成了消防无人机的垂直升降系统。其中动力传动系统29的主要结构设有动力分配齿轮箱3，挠性联轴器7，齿轮增速箱4，挠性联轴器7，离合器8，燃油箱10，燃油发动机11。图21中，动力分配齿轮箱3的主要结构设有动力分配齿轮箱盖30，小直径轴承16，小锥齿轮31，大锥齿轮32，动力分配齿轮箱主体33。图22中，齿轮增速箱4的主要结构设有齿轮增速箱主体34，小直径轴承16，大齿轮35，小齿轮36，齿轮增速箱盖37。所述大齿轮35和小齿轮均为斜齿轮。

两个燃油发动机11输出轴分别通过连接有一个离合器8，离合器8通过挠性联轴器7与齿轮增速箱4相连，齿轮增速箱4与动力分配齿轮箱3相连，动力分配齿轮箱3用于将动力分配给六个多级轴流式涵道风扇5。其中小齿轮36与两侧的大齿轮35啮合，小齿轮36、大齿轮35通过小直径轴承16支撑在齿轮增速箱主体34内，齿轮增速箱主体34上设有齿轮增速箱盖37；离合器8通过挠性联轴器7与齿轮增速箱4的大齿轮35连接，大齿轮35转动带下小齿轮36转动。小齿轮36通过挠性联轴器7与大锥齿轮32连接，大锥齿轮32上啮合有六个小锥齿轮31，大锥齿轮32和小锥齿轮31通过小直径轴承16支撑在动力分配齿轮箱主体33上，动力分配齿轮箱主体33上设有动力分配齿轮箱盖30，大锥齿轮32转动带动小锥齿轮31转动，小锥齿轮31通过挠性联轴器7与多级轴流式涵道风扇5相连，带动多级轴流式涵道风扇5的主轴旋转。4 增速齿轮箱的作用是将燃油发动机11的转速翻倍地增加，然后驱动多级轴流式叶轮组件17达到每分钟上万转的转速，从而产生高速高压气流来提供强劲地升力或推力。该消防无人机工作时，一台或两台燃油发动机11的动力通过离合器8及挠性联轴器7谢谢进入4 增速齿轮箱中，再经过上方的3动力分配齿轮箱，最终用六个挠性联轴器7分别将动力传递到六个多级轴流式涵道风扇之中。

结合图23、图24、图25、图26，六个多级轴流式涵道风扇5直接安装在铝合金机架6的六个机臂上。中心设有一个气流腔外壳总成1，主要结构由六个进气口41及六个防尘保护网40，再加上一个气流腔顶盖38。当六个多级轴流式叶轮组件17高速旋转时，外部的空气会从六个进气口41进入气流腔外壳总成1之中，并通过叶轮多级地逐层压缩，形成六股高压气流并向下喷射，以实现消防无人机的垂直起降功能。

结合图27、图28、图29、图30、图31，通过飞控2去分别控制六个多级轴流式涵道风扇5上的共六个可旋转式弯喷口24的喷射角度，即可控制消防无人机来进行前仰或后俯飞行模式，左倾斜或右倾斜飞行模式，前进或后退飞行模式，起飞或降落飞行模式，顺时针旋转或逆时针旋转飞行模式等飞行姿态。

开启前仰飞行模式时，C号、D号、E号、F号喷口始终保持向下喷射，垂直推力为最大。然后让A号喷口向右慢慢旋转，B号喷口向左慢慢旋转，使A号、B号喷口的垂直推力逐渐减小，而A号和B号喷口的水平推力将相互抵消，此时前面的A号、B号喷口的整体垂直推力之和，就会小于E号、D号喷口的整体垂直推力之和。消防无人机就会向前倾斜，反向操作则开启了后俯飞行模式。

开启左倾斜飞行模式时,B号、C号、D号、F号喷口始终保持向下喷射，垂直推力为最大。然后让A号喷口向左后慢慢旋转，E号喷口向左前慢慢旋转，使左边的A号、E号、F号喷口的垂直推力逐渐减小。而A号和E号喷口水平推力将相互抵消，此时左边的A号、E号、F号喷口的整体垂直推力之和，就会小于B号、C号、D号喷口的整体垂直推力之和。消防无人机就会向左倾斜，反向操作则开启了右倾斜飞行模式。

开启前进飞行模式时,A号、B号、D号、E号喷口始终保持向下喷射，垂直推力为最大。然后让左边的F号喷口和右边面C号一起同时向后慢慢旋转，此时F号和C号喷口的高压气流向后喷射并推着消防无人机向前运动。反向操作则开启了后退飞行模式。

开启起飞飞行模式时，A号、B号、C号、D号、E号、F号喷口一起同时保持向下喷射，整体垂直推力为最大，水平推力为零，当其整体垂直推力大于飞行汽车的自重时，飞行汽车就起飞了。开启降落飞行模式时。A号、E号喷口同时向左慢慢旋转，B号、D号喷口同时向右慢慢旋转，使A号、B号、C号、D号喷口的垂直推力逐渐减小。这时A号和E号喷口、B号和D号喷口的水平推力将相互抵消，此时的A号、B号、C号、D号、E号、F号喷口的整体垂直推力，就会小于飞行汽车的自重，故而飞行汽车就会缓缓降落在地面上。

开启顺时针旋转飞行模式时,A号、B号、D号、E号喷口始终保持向下喷射，垂直推力为最大。然后让右边的C号喷口向前慢慢旋转，而左边的F号喷口则向后慢慢旋转，此时的消防无人机就会围绕一个中心顺时针旋转起来。反向操作则开启了逆时针旋转飞行模式。

结合图32，当高楼大厦发生火灾时，它能贴近高楼窗户或阳台，让高楼里面的人进入它下面的事先挂载好的类似大网兜装置里，然后安稳落地之后再继续去救人。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无桨式垂直起降消防无人机，包括机架、动力系统；其特征在于，

所述机架上设有多个多级轴流式涵道风扇，用于为无人机垂直起降提供升力；

所述多个多级轴流式涵道风扇的喷口方向可调，以控制调整无人机的飞行姿态；

所述机架顶部设有气流腔外壳总成，将空气引入多个多级轴流式涵道风扇中。

2.根据权利要求1所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述动力系统包括：

燃油发动机，

通过离合器与燃油发动机连接的齿轮增速箱，

与齿轮增速箱连接的动力分配齿轮箱，用于将动力分配给多个多级轴流式涵道风扇。

3.根据权利要求2所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述动力分配齿轮箱包括大锥齿轮、与大锥齿轮啮合的小锥齿轮；大锥齿轮和小锥齿轮转动支撑在动力分配齿轮箱主体上，动力分配齿轮箱主体上设有动力分配齿轮箱盖，小锥齿轮通过7挠性联轴器与多级轴流式涵道风扇相连。

4.根据权利要求2所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述燃油发动机为两个，两个燃油发动机输出轴分别通过连接有一个离合器，离合器通过挠性联轴器与齿轮增速箱相连。

5.根据权利要求2或4所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述齿轮增速箱包括小齿轮，啮合在小齿轮两侧的大齿轮；小齿轮、大齿轮转动支撑在齿轮增速箱主体内，齿轮增速箱主体上设有齿轮增速箱盖；离合器通过挠性联轴器与齿轮增速箱的大齿轮连接。

6.根据权利要求1所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述多级轴流式涵道风扇包括：

壳体；

旋转主轴，支撑在壳体内；

设置在壳体和主轴上的多级叶轮，用于逐级压缩空气；

设置在壳体尾部的可旋转式弯喷口，能够在齿轮驱动组件驱动下进行旋转。

7.根据权利要求1所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，所述气流腔外壳总成上设有多个进气口，进气口上设有防尘保护网，气流腔外壳总成上设有气流腔顶盖。

8.根据权利要求1所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，机架底部设有挂网装置。

9.根据权利要求1所述的无桨式垂直起降消防无人机，其特征在于，还设有消防泡沫水带装置。