四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器制造技术

本发明专利技术公开了一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器，属于无人飞行器领域，其包括结构单元、动力单元、飞行控制和航电单元，其中，结构单元包括机身、机翼、舵面以及尾撑杆，机身位于整个无人飞行器的中心位置，机身上固定有四个机翼，四个机翼互为90°夹角，四个机翼的梢部上均设置了动力单元，四个机翼上均设置有舵面，尾撑杆设置在每个机翼上，动力单元包括四套涵道螺旋桨，每个机翼上均分别设置有一套涵道螺旋桨，飞行控制和航电单元安装于机身内部腔体内。本发明专利技术的飞行器系统整体动力冗余度较低，使用效率较高，可实现垂直起降、空中定点悬停与高效巡航平飞。

【技术实现步骤摘要】
四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器
本专利技术属于无人飞行器总体
，更具体地，涉及一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器。
技术介绍
传统的无人飞行器可分为固定翼和旋翼飞行器两种。固定翼飞行器飞行时升力由机翼提供，航时航程较大。根据重量尺寸的区别，固定翼飞行器可选择手抛、弹射、滑跑等方式起飞，通过撞网、伞降、滑跑等方式进行降落回收。通常来说，固定翼飞行器的起降条件较为苛刻，滑跑起飞或降落需要较为平整的跑道，弹射起飞需要专门的弹射装置，手抛需要人员具有较为丰富的操作经验，撞网需要具有非常精确的导航控制系统等。此外，固定翼飞行器不能实现垂直起降，也无法在空中进行悬停。旋翼飞行器其升力由螺旋桨或涵道风扇提供，可以实现垂直起降，对起降场地要求较低，并且可以在空中稳定悬停。但是，旋翼飞行器巡航平飞效率较低，同等条件下航时航程较小。无论是单纯的固定翼飞行器或是旋翼飞行器，均无法同时实现高效巡航平飞、空中悬停以及垂直起降，因此，近年来出现了复合式垂直起降固定翼飞行器。但是，该类型飞行器只是将多副旋翼固定于常规布局的固定翼飞行器上，垂直起降或悬停状态下，由旋翼提供升力，在巡航平飞状态下，由额外的水平动力装置提供平飞所需推力，因此，在巡航平飞状态下旋翼系统(包括电机、电池、螺旋桨等)完全不发挥功效，并占据了相当大一部分重量，显著影响了飞行器整体的工作效率。另一类可以实现垂直起降、空中悬停的固定翼飞行器是倾转旋翼飞行器，此类飞行器将旋翼通过可倾转装置固定于固定翼飞行器机翼之上，在垂直起降或空中悬停状态，旋翼推力垂直地面方向，提供飞行器所需升力，而巡航平飞状态下，旋翼通过倾转装置转动至水平方向，推力沿水平方向克服平飞阻力。倾转旋翼飞行器的倾转装置技术难度较高，机构复杂，不易保证可靠性，并且倾转机构本身具有相当一部分重量，也在一定程度上影响了巡航效率。因此，需要开发一种新型的可垂直起降固定翼无人飞行器，要求其结构简单、控制操作容易而且可靠、无较多消极质量、能同时实现垂直起降、空中悬停以及水平飞行。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器，可实现垂直起降、空中定点悬停与高效巡航平飞，动力单元既可以在起降和悬停过程中以旋翼飞行器动力形式提供升力，也可以在巡航平飞状态下以固定翼飞行器动力形式提供推力，因此系统整体冗余度较低，提高了使用效率为实现上述目的，本专利技术提供了一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器，其特征在于，其包括结构单元、动力单元、飞行控制和航电单元，其中，结构单元包括机身、机翼、舵面以及尾撑杆，机身位于整个无人飞行器的中心位置，机身上固定有四个机翼，四个机翼互为90°夹角，四个机翼的翼梢上均设置了动力单元，四个机翼上均设置有舵面，尾撑杆设置在每个机翼上，尾撑杆用于起飞和降落时起支撑作用，动力单元包括四套涵道螺旋桨，每个机翼上均分别设置有一套涵道螺旋桨，每套涵道螺旋桨包括支杆、电机、螺旋桨和涵道，电机和螺旋桨采用一体化集成设计形成整体，该整体通过支杆与机翼及涵道之间连接固定，飞行控制和航电单元用于控制飞行器的飞行轨迹、姿态以及实现同地面控制中枢的通信，其安装于机身内部腔体内。进一步的，四个机翼的平面形状均相同，均采用相同的相对厚度为12％的正弯度翼型。进一步的，机翼梢根比为0.75，展弦比为5。进一步的，四套涵道螺旋桨的推力中心距离飞行器重心距离相等，互成90度夹角。进一步的，机身采用升力体构型，其为相对厚度为18％的翼型，后缘反弯。进一步的，机腹以下的两副机翼下反，下反角为45度，机背以上的两副机翼上反，上反角为45度。进一步的，机身与机翼采用碳纤维结构一体化成型。本专利技术中，飞行器包括机身、机翼、尾撑杆，其中，机身为升力体外形，纵截面为翼型以增加升力、降低阻力，机身横截面为四角倒圆角矩形，为内部有效载荷、电源、飞行控制和航电单元提供安装空间。机翼呈“X”型布局，四副机翼平面形状相同，下侧两副机翼下反，上侧两副机翼上反，相邻两副机翼之间夹角为90°。四副机翼分别配有可偏转舵面，通过协调偏转可实现俯仰、滚转和偏航控制。机翼上安装有尾撑杆，在起飞和降落时起支撑作用。机身、机翼采用碳纤维结构一体化成型。所述飞行器动力单元为四套电动涵道螺旋桨，分别安装于四副机翼的翼梢，在垂直起降和空中悬停状态动力系统提供飞行器所需升力，而在巡航平飞状态，动力系统提供飞行器所需的推力。四套电动涵道螺旋桨结构相同，每套电动涵道螺旋桨包括支杆、电机、螺旋桨和涵道。其中，电机和螺旋桨采用一体化集成设计，通过支杆与机翼翼梢及涵道之间连接固定。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术不同于现有采用复合式旋翼固定翼无人飞行器(简称复合式，如申请号为201621190859.4，201611194984.7，201611180779.5，201610380326.0的专利申请)，本专利技术所采用的四套涵道螺旋桨动力系统在垂直起降和巡航平飞两种模式下均可以提供飞行器所需升力或推力，动力系统利用率较高，不存在动力冗余，而其他复合式方案在垂直起降和巡航平飞两种模式下的动力分别来源于两组动力系统，在巡航平飞状态下，用于垂直起降的动力装置不产生任何效能，动力系统冗余度较高。本专利技术不同于现有采用可倾转动力系统无人飞行器(简称可倾转式，如申请号为201520134398.8，201520681912.X，201120565425.9，201420641545.6的专利申请)，可倾转式需要通过一套倾转装置实现动力系统的转动以实现垂直起降和巡航平飞两种飞行模式的切换，该倾转装置一般结构较为复杂，且占用一定重量，降低了巡航平飞状态下的飞行效率，而本专利技术中动力系统不需要进行倾转，直接通过推力大小的调整控制整个飞行器的姿态，实现不同飞行模式之间的切换。附图说明图1为本专利技术实施例中飞行器整体结构示意图。其中，1为机身，2为涵道，3为电机，4为螺旋桨，5为舵面，6为尾撑杆，7为机翼，8为支杆。图2为本专利技术实施例中飞行器整体结构三视图，图2(a)为其俯视图，图2(b)为其左视图，图2(c)为其主视图。图3为本专利技术实施例中飞行器各个涵道螺旋桨旋转方向示意图。图4为飞行器巡航平飞状态下不同姿态控制舵面偏转方式示意图，其中各图均为前视视角，图中标出了各个舵面的偏转方向，图4(a)为俯仰变化中操纵飞行器抬头示意图，图4(b)为俯仰变化中操纵飞行器低头示意图，图4(c)为横向姿态变化中操纵飞行器左滚转示意图，图4(d)为横向姿态变化中操纵飞行器右滚转示意图，图4(e)为航向姿态变化中操纵飞行器左偏航示意图，图4(f)为航向姿态变化中操纵飞行器右偏航示意图。图5为本专利技术实施例中飞行器垂直起飞后转换过渡至平飞状态的示意图，其中，a为起飞状态，采用旋翼模式飞行，b为转换状态，为两种飞行模式之间的过渡模式，c巡航平飞状态，采用固定翼模式飞行。图中箭头长度示意了涵道螺旋桨产生拉力的大小。图6为本专利技术实施例中飞行器从平飞状态转换过渡至垂直降落状态的示意图，其中，a为巡航平飞状态，采用固定翼模式飞行，b为转换状态，为两种飞行模式之间的过渡模式，c为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器，其特征在于，其包括结构单元、动力单元、飞行控制和航电单元，其中，结构单元包括机身(1)、机翼(7)、舵面(5)以及尾撑杆(6)，机身(1)位于整个无人飞行器的中心位置，机身上固定有四个机翼(7)，四个机翼(7)互为90°夹角，四个机翼(7)的翼梢处均设置了动力单元，四个机翼(7)上均设置有舵面(5)，尾撑杆(5)设置在每个机翼(7)上，尾撑杆(5)用于起飞和降落时起支撑作用，动力单元包括四套涵道螺旋桨，每个机翼上均分别设置有一套涵道螺旋桨，每套涵道螺旋桨包括支杆(8)、电机(3)、螺旋桨(4)和涵道(2)，电机(2)和螺旋桨(3)采用一体化集成设计形成整体，该整体通过支杆(8)与机翼(7)及涵道(2)之间连接固定，飞行控制和航电单元用于控制飞行器的飞行轨迹、姿态以及实现同地面控制中枢的通信，其安装于机身(1)内部腔体内。

【技术特征摘要】
1.一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂直起降固定翼无人飞行器，其特征在于，其包括结构单元、动力单元、飞行控制和航电单元，其中，结构单元包括机身(1)、机翼(7)、舵面(5)以及尾撑杆(6)，机身(1)位于整个无人飞行器的中心位置，机身上固定有四个机翼(7)，四个机翼(7)互为90°夹角，四个机翼(7)的翼梢处均设置了动力单元，四个机翼(7)上均设置有舵面(5)，尾撑杆(5)设置在每个机翼(7)上，尾撑杆(5)用于起飞和降落时起支撑作用，动力单元包括四套涵道螺旋桨，每个机翼上均分别设置有一套涵道螺旋桨，每套涵道螺旋桨包括支杆(8)、电机(3)、螺旋桨(4)和涵道(2)，电机(2)和螺旋桨(3)采用一体化集成设计形成整体，该整体通过支杆(8)与机翼(7)及涵道(2)之间连接固定，飞行控制和航电单元用于控制飞行器的飞行轨迹、姿态以及实现同地面控制中枢的通信，其安装于机身(1)内部腔体内。2.如权利要求1所述的一种四涵道螺旋桨动力方式的可垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈颂，张紫龙，黄飞，周子鸣，张达，张华君，李康伟，刘青，
申请(专利权)人：湖北航天飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42