无尾桨倾转翼高速无人直升机制造技术

本发明专利技术提出了无尾桨倾转翼高速无人直升机，属于无人机领域；包括带有倾转机构的机身主体，主螺旋桨和可倾转机翼；机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过倾转机构的舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的机翼同步转动，从而实现可机翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧机翼的差速运动；同时，通过去尾桨，实现垂直起飞和平飞过程中，分别由可倾转机翼的差动和倾转机翼螺旋桨的差速转动抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；本发明专利技术具有去尾桨、高速、高载重、高续航、低平飞阻力等优势。优势。优势。

【技术实现步骤摘要】
无尾桨倾转翼高速无人直升机


[0001]本专利技术属于无人机
，具体涉及一种无尾桨倾转翼高速无人直升机。

技术介绍

[0002]直升机是20世纪航空领域的一大创新性成果，因为其具有机动性较高、小面积场地垂直起降的优势，大大拓宽了飞行器的应用场景，可以同时运用在军事领域和民生领域；尤其在中高空悬停、低空低速飞行和灵活转弯等领域，直升机有其突出的优势。
[0003]但是，为提供直升机的前飞推力，直升机螺旋桨在前飞过程中呈前倾状，这一姿势增大了桨叶的迎风面积，导致桨盘升力下降、阻力激增。同时，在前飞时由于螺旋桨高速旋转导致左右两侧气动环境不同，在桨叶前端产生较大激波阻力，桨叶后端产生气流分离，两种效果的叠加使其升力和推力均受到限制。
[0004]常规构型直升机具有的飞行速度低、航程短的劣势，反而成为了进一步提升直升机前飞性能提升的阻碍。
[0005]针对直升机飞行速度的提升，目前有以下几种解决方案：
[0006]一、采用共轴刚性旋翼直升机，其优势在于飞行速度较快、机动灵活，但有效载荷低，不利于直升机运输等活动开展；
[0007]二、采用常规旋翼构型复合式直升机，保留了直升机原有的旋翼系统，在直升机两侧机身安装机翼，并在机翼上添加动力推进装置。该种形式的直升机飞行速度较快、同时保留了常规构型直升机垂直起降的优点，但是其改动较小，在气动性能上的突破具有局限性。
[0008]三、倾转旋翼机，在平飞阶段，倾转旋翼机两侧机翼及其上发动机可向前倾转90
°
角，呈水平状态，旋翼朝向飞行方向，当作拉力螺旋桨使用时，旋翼机的飞行方式类似于机翼飞机，可以以较高的速度作远程飞行。

技术实现思路

[0009]针对常规旋翼构型复合式机翼在悬停状态下会产生较大的下洗载荷的问题，本专利技术提出了一种无尾桨倾转翼高速无人直升机，通过在传统无人机上安装倾转机构，同时除去尾桨；并提供两种去尾桨、抵消主旋翼反扭距的方案，实现高速飞行的目的。
[0010]所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，包括带有倾转机构的机身主体，起落架，主螺旋桨和可倾转机翼；
[0011]在机身主体上方安装对称的主螺旋桨，机身主体下方安装起落架，机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；
[0012]所述倾转机构包括两套对称的舵机、锥齿轮和碳管，以及将两侧碳管连接在一起的套筒；
[0013]轴承座将碳管固定在机身主体上，同时舵机位于轴承座与机身主体之间，也固定在机身主体上，舵机上安装第一锥齿轮，第一锥齿轮位于碳管下方，同时在该处的碳管上，同时安有第二锥齿轮，两个锥齿轮配合，通过齿轮传动带动碳管旋转；两侧碳管之间通过穿
过机身主体的套筒连接在一起；
[0014]在两侧碳管外部，分别固定可倾转机翼，可倾转机翼绕碳管进旋转；所述可倾转机翼上安有小螺旋桨及电机；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的可倾转机翼同步转动，从而实现可倾转转翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧可倾转机翼的差速运动；
[0015]所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，设计尾翼部分去除尾桨，也能抵消主螺旋桨产生的反扭距；在该设计下，实现垂直起飞与平飞两个阶段中飞行的航向锁定和控制；也可以在平飞阶段，通过改变机翼两侧小螺旋桨的转速和推力，从而实现高速飞行。
[0016]具体为：
[0017]1)垂直起飞过程中，通过倾转机构带动两侧可倾转机翼的舵机差速运动，保持两侧倾转机翼一个向前倾转，一个向后倾转，其受到水平方向作用力产生了合力矩，利用合力矩抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；
[0018]垂直起飞过程中，主旋翼转动产生的下洗气流对两侧倾转机翼施加作用力F
N
，该作用力产生的水平分量为F
N1
＝F
N
·
cosθ.θ为倾转机翼倾转的角度；两侧倾转机翼的倾转方向相反。
[0019]设主旋翼产生的扭矩为M
总
，则两侧可倾转机翼产生的合扭矩为M＝2F
N
l
·
cosθ，l为下洗气流产生的合力位置到两侧倾转机翼的中心距离，当M＝M
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
[0020]当主螺旋桨产生的反扭距M
总
大于合扭矩M，则启动两侧倾转机翼上的电机，带动小螺旋桨转动产生推力，其水平分量F
N2
，两侧可倾转机翼产生的合扭矩为M＝2(F
N
·
cosθ+F
N2
)
·
l，增大该合扭矩从而增强抵消反扭距的效果。
[0021]2)平飞过程中，通过两侧倾转机翼上的电机差速运动，使得两侧小螺旋桨转速不同产生推力差，从而抵消主螺旋桨转动产生的反扭距；
[0022]具体原理如下：
[0023]两侧小螺旋桨产生的推力分别为F1和F2，则平飞过程中，两侧推力差为F1‑
F2(F1＞F2)，两侧螺旋桨与中心位置距离为l'，此时两侧电机差速运动产生的合扭矩为M'＝(F1‑
F2)
·
l'，当M'＝M
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
[0024]本专利技术的优点在于：
[0025](1)无尾桨倾转翼高速无人直升机，通过可倾斜机翼的电机提供平飞动力，减少阻力造成的无意义损耗，在提高无人机效率的同时显著提高飞行速度。
[0026](2)无尾桨倾转翼高速无人直升机，平飞过程中主螺旋桨和可倾斜机翼都可以为无人机提供升力，可以提高无人机最大载重，可应用于高负重应用场景。
[0027](3)无尾桨倾转翼高速无人直升机，采用两种方式抵消了主螺旋桨转动产生的下洗气流的扭矩，从而去除尾桨，可以精简无人机结构，使本无人机结构较为紧凑，重心处于平衡位置。
[0028](4)无尾桨倾转翼高速无人直升机，由于平飞阻力降低，同时主螺旋桨转速无需过高，因此可以提高无人机续航。
附图说明
[0029]图1为本专利技术所述无尾桨倾转翼高速无人直升机的三视图；
[0030]图2为本专利技术所述倾转机构的局部放大图；
[0031]图3为本专利技术可倾转机翼处于水平姿态及其去尾桨方案的示意图；
[0032]图4为本专利技术可倾转机翼处于垂直姿态及其去尾桨方案的示意图；
[0033]图5为本专利技术可倾转机翼处于垂直姿态的机翼剖面图；
[0034]图6为本专利技术所述无尾桨倾转翼高速无人直升机完整飞行过程的示意图；
[0035]图中：1
‑
可倾转机翼；2
‑
主螺旋桨；3
‑
小螺旋桨级电机；4
‑
尾翼；5
‑
倾转机构；6
‑
套筒；7
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，包括带有倾转机构的机身主体，起落架，主螺旋桨和可倾转机翼；机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；所述倾转机构包括两套对称的舵机、锥齿轮和碳管，以及将两侧碳管连接在一起的套筒；轴承座将碳管固定在机身主体上，同时舵机位于轴承座与机身主体之间，也固定在机身主体上，舵机上安装第一锥齿轮，第一锥齿轮位于碳管下方，同时在该处的碳管上，垂直安有第二锥齿轮，两个锥齿轮配合，通过齿轮传动带动碳管旋转；两侧碳管之间通过穿过机身主体的套筒连接在一起；在两侧碳管外部，分别固定可倾转机翼，可倾转机翼绕碳管进旋转；所述可倾转机翼上安有小螺旋桨及电机；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的可倾转机翼同步转动，从而实现可倾转转翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧可倾转机翼的差速运动；所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，设计尾翼部分去除尾桨，也能抵消主螺旋桨产生的反扭距；在该设计下，实现垂直起飞与平飞两个阶段中飞行的航向锁定和控制；也可以在平飞阶段，通过改变机翼两侧小螺旋桨的转速和推力，从而实现高速飞行。2.如权利要求1所述的无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，所述去除尾桨后，垂直起飞过程中，通过两侧可倾转机翼的舵机差速运动，使主螺旋桨的下洗气流对两侧机翼产生水平方向大小不同的力从而抵消反扭距；保持两侧倾转机翼一个向前倾转，一个向后倾转，其受到水平方向作用力产生了合力矩，利用合力矩抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；具体为：垂直起飞过程中，主旋翼转动产生的下洗气流对两侧倾转机翼施加作用力F
N
，该作用力产生的水平分量为F
N1
＝F
N
·
cosθ.θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉轩，王松，郭尔健，尹思源，李德浩，姜雨菲，赵一鸣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：