一种复合翼垂直起降飞行器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种复合翼垂直起降飞行器，采用特定形式的垂直动力单元以及整体结构设计：本案提供的飞行器的最大偏航控制力矩相比现有技术大幅度提高，避免了偏航控制饱和对于飞行器姿态控制的负面影响，提高了飞行器的鲁棒性；同时尾撑杆的技术方案，有利于提升飞行器的总体性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种固定翼飞行器，特别是涉及一种复合翼垂直起降飞行器。
技术介绍
复合翼布局是一种将固定翼布局与多旋翼布局相结合的垂直起降飞行器解决方案，既能够像多旋翼飞行器一样通过多个螺旋桨拉力克服重力和气动阻力实现垂直起降、悬停和垂直爬升下降等飞行功能，又能够像固定翼飞行器一样通过气动升力克服重力，动力系统克服气动阻力实现高速巡航飞行。由于复合翼无人机具有结构形式可靠、力学模型成熟、垂直飞行和水平飞行转换过程中的控制导航相对容易，它成为一种技术风险小、可行性高的长航时垂直起降飞行器方案。由于上述技术特点，复合翼垂直起降飞行器从概念提出以来一直是实用化固定翼垂直起降飞行器的研发热点，然而，这种解决方案却迟迟无法成为工业无人机产品。究其原因有二：第一，较低的偏航控制能力和较大的惯量之间的矛盾，多旋翼飞行方式通过多个转动方向相反的螺旋桨的转动阻力矩提供偏航控制力矩，其量值低于通过螺旋桨拉力差和力臂产生的滚转控制力矩和俯仰控制力矩；由于多旋翼飞行方式的螺旋桨转速同时改变拉力和转动阻力矩，因此滚转、俯仰和偏航三轴控制存在耦合，控制能力最差的偏航轴挤占电机转速余量最高，容易导致至少一个电机转速饱和，三轴控制精度均受到影响，直至控制发散，虽然通过改变控制律的参数或结构能够在一定程度上缓解这种控制饱和，但却无法从根本上解决问题。复合翼垂直起降飞行器是在多旋翼飞行器的基础上增加机翼、尾翼等部件，导致飞行器的转动惯量和气动阻力增加，偏航控制能力的短板更为显著。第二，结构重量占起飞总重的比例较高，制约了飞行器性能提升。相比常规固定翼飞行器，复合翼飞行器增加了将多旋翼连接到机体上的结构，为克服全机重力，多旋翼所需拉力较大，对连接结构的强度要求较高；另外，旋翼是高速转动部件，是复合翼飞行器主要的振动源，为保证全机结构可靠，多旋翼连接结构的刚度要求也较高；这两方面导致了连接结构的尺寸和重量都较大，根据经验，多旋翼连接结构占全机结构的比例5%至10%，如果考虑其它机体结构的增强，那么这个比例更高，这对于飞行器而言是“死重”，增加了飞行器的总重和气动阻力，减少航时、航程和最大飞行速度等性能指标。
技术实现思路
针对上述现有技术中复合翼飞行器飞行姿态的控制问题，本技术提供了一种复合翼垂直起降飞行器，用于解决现有技术中复合翼垂直起降飞行器低速状态下偏航控制能力差和结构利用率低的问题。为解决上述问题，本技术提供的一种复合翼垂直起降飞行器通过以下技术要点来解决问题：一种复合翼垂直起降飞行器，包括机身、机翼、尾撑杆、尾翼、垂直动力单元及水平动力单元，所述机翼固定于机身中段，机翼相对于机身的长度方向对称；尾撑杆为两根，不同尾撑杆分别固定于机身不同侧的机翼上；水平动力单元固定于机身上，尾翼的左、右端分别与不同尾撑杆的尾部固定连接，所述垂直动力单元为四个，各根尾撑杆上均设置有两个垂直动力单元，机身同侧的两个垂直动力单元位于飞行器长度方向的不同位置，且机身同侧的两个垂直动力单元中，前方的垂直动力单元位于飞行器重心的前方，后方的垂直动力单元位于飞行器重心的后方；所述垂直动力单元包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动；所述垂直动力单元的垂直动力螺旋桨轴线具有非零的安装倾角，垂直动力螺旋桨轴线的倾斜方向为向飞行器的前方或后方倾斜，以在垂直动力螺旋桨工作的过程中，垂直动力单元可产生向飞行器前方或后方的分力；所述水平动力单元包括可产生沿着机身长度方向拉力的平飞螺旋桨。以上技术方案中，尾翼在飞行器上的固定形式使得尾翼呈双尾撑倒“V”形尾翼，垂直动力单元通过尾撑杆固定于机翼上，即在机翼上形成“X”形四旋翼布局形式。飞行器上所具有的诸如能源装置、航电设备和任务设备等机载设备，可安装于机身内部的空间内。机翼相对于机身的长度方向对称，即机翼在飞行器上左右对称。本案中，该飞行器具有两种飞行状态，固定翼状态和多旋翼状态。固定翼状态下垂直动力单元不工作，水平动力单元的拉力向前的平飞螺旋桨克服气动阻力，机翼产生气动升力，克服重力；多旋翼状态下，由于垂直动力单元有非零的前后安装倾角，垂直动力单元的垂直动力螺旋桨拉力具有向上的分量和向前后方向的垂直分量。拉力的垂直分量克服全机重力，同时，飞行器在设计时，需要将飞行器设计为线对称，即飞行器的重心在机身上，这样，四个垂直动力单元的位置与飞行器的重心有前后方向和左右方向的距离，也就是滚转力臂和俯仰力臂，通过改变四个垂直动力螺旋桨的拉力产生滚转和俯仰方向的拉力差，即可提供所需的滚转控制力矩和俯仰控制力矩；通过以上方案，偏航方向有以下途径提供控制力矩：四个垂直动力单元的垂直动力螺旋桨拉力具有水平分量和相对于重心的偏航力臂，能够产生偏航控制力矩，而垂直动力螺旋桨的转动阻力矩也基本沿偏航方向，因此，协调的改变这四个垂直动力螺旋桨的转速，能够改变偏航力矩。更进一步的技术方案为：所述尾翼的后缘上还铰接连接有两片相互之间呈左右对称关系的气动舵面。所述气动舵面为升降方向舵，以在飞行器以固定翼姿态飞行的状态下，可通过气动舵面，对飞行器的飞行姿态进行调整。机身两侧的机翼上均设置有偏航控制单元，所述偏航控制单元包括偏航螺旋桨，所述偏航螺旋桨用于向机翼提供方向平行于机身长度方向的拉力，且偏航控制单元靠近机翼的端部。以上方案中，偏航控制单元用于提供偏航力矩，提供机制如下：飞行器左右两个偏航控制单元均具有相对于飞行器重心的左右距离，也就是偏航力臂，因此当左右两个螺旋桨具有转速差的情况下，就能够提供偏航控制力矩。通过垂直动力单元和偏航控制单元这两种途径，保证了本技术提供的飞行器最大偏航控制力矩相比现有技术大幅度提高，避免了偏航控制饱和对于飞行器姿态控制的负面影响，提高了飞行器的鲁棒性，这种有益效果在偏航转动惯量相对较大的复合翼垂直起降飞行器上体现的更为显著。为使得尽可量为偏航控制单元提供长的偏航力臂，以在偏航螺旋桨输出功率一定的情况下，得到尽可能大的偏航控制力矩，两个偏航控制单元分别位于机身不同侧机翼的翼梢上。由于偏航控制单元在飞行器工作时，拥有两种不同的工作状态：偏航螺旋桨转动或不转动，为实现偏航螺旋桨在不转动时，通过前飞时产生的阻力使偏航螺旋桨自发折叠，减小飞行器飞行的气动阻力，所述偏航螺旋桨为折叠螺旋桨。为便于改变偏航控制单元对飞行器偏航控制力矩的大小，所述偏航螺旋桨为变桨距螺旋桨。作为本领域技术人员，偏航控制单元的变桨距螺旋桨具有相对于重心的偏航力臂，为变桨距螺旋桨提供的电机、电子调速器以及舵机中，通过协调改变电子调速器和舵机的指令可以调整变桨距螺旋桨的转速和螺距，相应改变偏航控制力矩。所述尾撑杆的下表面位置低于飞行器其他部件。本案所提供的飞行器中，尾撑杆在本飞行器垂直升起时受力较大，故要求尾撑杆要具有足够的强度以及刚度，本案中，尾撑杆作为垂直起降和地面停靠的支撑。因此，这种结构形式取消了起落架、简化了垂直动力单元的连接形式，通过功能合并提高了结构效率，提升了飞行器总体性能。尾撑杆在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合翼垂直起降飞行器，包括机身（1）、机翼（2）、尾撑杆（3）、尾翼（4）、垂直动力单元（5）及水平动力单元（6），所述机翼（2）固定于机身（1）中段，机翼（2）相对于机身（1）的长度方向对称；尾撑杆（3）为两根，不同尾撑杆（3）分别固定于机身（1）不同侧的机翼（2）上；水平动力单元（6）固定于机身（1）上，尾翼（4）的左、右端分别与不同尾撑杆（3）的尾部固定连接，其特征在于，所述垂直动力单元（5）为四个，各根尾撑杆（3）上均设置有两个垂直动力单元（5），机身（1）同侧的两个垂直动力单元（5）位于飞行器长度方向的不同位置，且机身（1）同侧的两个垂直动力单元（5）中，前方的垂直动力单元（5）位于飞行器重心的前方，后方的垂直动力单元（5）位于飞行器重心的后方；所述垂直动力单元（5）包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动；所述垂直动力单元（5）的垂直动力螺旋桨轴线具有非零的安装倾角，垂直动力螺旋桨轴线的倾斜方向为向飞行器的前方或后方倾斜，以在垂直动力螺旋桨工作的过程中，垂直动力单元（5）可产生向飞行器前方或后方的分力；所述水平动力单元（6）包括可产生沿着机身（1）长度方向拉力的平飞螺旋桨。...

【技术特征摘要】
1.一种复合翼垂直起降飞行器，包括机身（1）、机翼（2）、尾撑杆（3）、尾翼（4）、垂直动力单元（5）及水平动力单元（6），所述机翼（2）固定于机身（1）中段，机翼（2）相对于机身（1）的长度方向对称；
尾撑杆（3）为两根，不同尾撑杆（3）分别固定于机身（1）不同侧的机翼（2）上；
水平动力单元（6）固定于机身（1）上，尾翼（4）的左、右端分别与不同尾撑杆（3）的尾部固定连接，
其特征在于，所述垂直动力单元（5）为四个，各根尾撑杆（3）上均设置有两个垂直动力单元（5），机身（1）同侧的两个垂直动力单元（5）位于飞行器长度方向的不同位置，且机身（1）同侧的两个垂直动力单元（5）中，前方的垂直动力单元（5）位于飞行器重心的前方，后方的垂直动力单元（5）位于飞行器重心的后方；
所述垂直动力单元（5）包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动；
所述垂直动力单元（5）的垂直动力螺旋桨轴线具有非零的安装倾角，垂直动力螺旋桨轴线的倾斜方向为向飞行器的前方或后方倾斜，以在垂直动力螺旋桨工作的过程中，垂直动力单元（5）可产生向飞行器前方或后方的分力；所述水平动力单元（6）包括可产生沿着机身（1）长度方向拉力的平飞螺旋桨。
2.根据权利要求1所述的一种复合翼垂直起降飞行器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：任斌，王陈，王利光，
申请(专利权)人：成都纵横自动化技术有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51