一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机制造技术

本发明专利技术公开了一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，具有垂直起降和高效巡航两种飞行模态，在垂直起降模态为十字多旋翼布局，在高效巡航模态为大展弦比正常式固定翼布局。本发明专利技术采用分布式混合动力系统以及后机身变体机构，依托两者可完成垂直起降模态和高效巡航模态的相互转换。分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统和分布式螺旋桨分系统两部分，可有效满足两种模态的动力需求。后机身变体机构系统又分为两个组成机构，一是变体驱动机构，用于后机身主体的转动动作；二是螺旋桨朝向约束机构，保证变体过程中，垂尾梢部螺旋桨朝向同机身轴向始终一致。后机身变体机构可实现两种模态下无人机布局的相互转换。

An efficient, small, vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle using distributed hybrid power

The invention discloses a distributed hybrid variant, small VTOL UAV, with VTOL and efficient cruise two flight modes in VTOL mode is more efficient in cross rotor layout, cruise mode is of high aspect ratio of normal fixed wing layout. The invention adopts the distributed hybrid power system and the rear fuselage variant mechanism, and can realize the conversion of the vertical take-off and landing mode and the efficient cruising mode by the two. The distributed hybrid system includes two parts: the hybrid system of oil and electricity and the distributed propeller subsystem, which can effectively meet the dynamic demand of the two modes. The rear fuselage variant mechanism system is divided into two components, one is a variant of the driving mechanism, the rotation movement for rear fuselage body; two propeller toward restraint mechanism, ensure the variant process, the end of the propeller to the same vertical axial body consistently. The rear body variant mechanism can realize the mutual transformation of UAV configurations in two modes.

【技术实现步骤摘要】
一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机
本专利技术属于飞行器设计领域，涉及一种垂直起降无人机，具体来说，是一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机。
技术介绍
现有垂直起降飞行器动力形式多为单独油动或电动，布局方案多采用倾转旋翼、倾转机翼、旋定变翼、尾坐式或旋翼/固定翼复合式等。单独油动动力系统存在内燃机重量过重、体积过大(内燃机的功率重量比低于电动机)的问题，而单独电动动力系统存在着储能电池重量过重(储能电池能量密度低于航空燃油)的问题；倾转旋翼方案面临模态转换复杂、控制难度大的问题；倾转机翼方案面临倾转机构承载高、重量大的问题；旋定变翼方案面临着旋翼机体气动力耦合复杂、控制难度大的问题；尾坐式方案面临垂直起降稳定性差的问题；复合式飞行器面临着巡航效率和悬停效率都较低的问题。因此，寻求一种既能稳定垂直起降又能高效巡航，且模态转换安全可靠，控制难度小，耗油率低的垂直起降飞行器成为当前航空领域的研究热点。
技术实现思路
为克服上述多种垂直起降飞行器以及传统动力系统的不足，本专利技术提出一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，是一种以分布式混合动力系统满足双模态(垂直起降和高效巡航模态)动力需求、降低耗油率、提升安全性，并以后机身变体方案满足双模态布局转换要求、降低转换控制难度的高效小型垂直起降无人机。本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，包括机身、左机翼、右机翼、后机身、水平尾翼与垂直尾翼；同时还具有分布式混合动力系统与后机身变体机构。其中，分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统与分布式螺旋桨分系统；后机身变体机构包括后机身变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构。所述机身包括前机身与后机身；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部；后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过后机身变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动。所述油电混合动力分系统，包括发动机、燃油箱、发电机、储能电池与能源管理模块。其中，发动机、燃油箱、发电机、储能电池、能源管理模块均安装于前机身内部。发动机与前机身间刚性固定，用于为巡航提供动力以及发电机的发电；燃油箱用于燃油的储备以及发动机的供油。发电机的输入轴与发动机的输出轴通过联轴器相连，将发动机输出的机械能转换为电能，由储能电池存储。储能电池用于无人机垂直起降过程中大功率输出的功能。能源管理模块为油电混合动力系统的控制模块，进行无人机不同工作状态能量流向的管理。所述分布式螺旋桨分系统包括电机、电子调速器与螺旋桨。其中，电机共十个；十个电机中，八个电机刚性固定于左机翼与右机翼前缘内部，输出轴朝向整个无人机前方；左机翼与右机翼前缘沿展向等间隔设置4个，且左机翼与右机翼上的电机安装位置对称；另两个电机分别刚性固定安装于两个垂直尾翼梢部前缘设计的电机舱内，且设计电机舱末端与垂直尾翼间铰接，使电机舱可转动。同时两个水平尾翼同上方的电机舱固接为一体结构；每个电机的输出轴上安装有螺旋桨；每个电机还配有电子调速器，通过能源管理模块为各个电子调速器与电机分配供电，进而控制每个电机转动，由电子调速器调节电机转速，且控制左机翼与右机翼上的八个电机中相邻电机的转向相反以平衡反扭矩，同时控制垂直尾翼梢部的两个电机彼此反向转动。所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，具有垂直起飞阶段、高效巡航模态与垂直降落阶段；a、垂直起飞阶段，由储能电池经能源管理模块向左机翼与右机翼上的个电机直接供电；由发动机经由发电机向另外两个电机供电；且控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°；此时全部10个螺旋桨均朝向无人机头部；同时无人机头部朝上，形成十字形多旋翼布局，垂直起飞；当起飞至预定高度时，飞机进入过渡转换过程；此时控制后机身上部与后机身下部相对前机身逐渐旋转转动至初始状态；无人机头部由朝上状态逐渐转变为朝前状态，进入高效巡航模态。b、高效巡航模态，由发动机带动发电机运转，产生的电能一部分经能源管理模块分配至垂直尾翼梢部的两个电机驱动螺旋桨转动，一部分则流入储能电池进行充电，为垂直降落供能做准备。c、垂直降落阶段，控制后机身上部与后机身下部相对前机身转动90°，此时全部螺旋桨均朝向无人机头部；且无人机头部朝上，由在巡航阶段充满电的储能电池直接向各个电机供电。本专利技术的优点在于：1、本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，采用分布式油电混合动力方案，能够有效满足垂直起降模态和巡航模态的动力需求，结合了燃油能量密度高于储能电池以及电机功率重量比高于内燃机的两个特点，减轻了动力系统的结构重量，降低了垂直起降无人机的耗油率；同时，提高了系统安全性。3、本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，采用分布式螺旋桨布置方案，使得垂直起降模态状态下无人机为十字多旋翼布局形式，能够实现稳定垂直起降；避免了单一螺旋桨失效导致无人机失控的问题，提高了无人机的安全裕度，提升了垂直起降和模态转换的可靠性；4、本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，采用后机身变体技术，使得无人机能够从多旋翼布局形式切换为大展弦比正常式固定翼布局，使无人机既具有能稳定垂直起降的十字形多旋翼布局形式，又具有能高效巡航的大展弦比正常式布局，能够流畅地在垂直起降模态和高效巡航模态之间进行切换，同时使得模态转换过程控制难度降低，转换进程平稳安全。5、本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，相较于倾转机翼、倾转旋翼等方案，本专利技术中的变体机构承载小、结构紧凑、机构重量轻、易于布置。附图说明图1为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机整体结构示意图；图2为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机的机身结构示意图；图3为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机后机身旋转方式示意图；图4为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机中油电混合动力分系统示意图；图5为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机中分布式螺旋桨分系统安装方式示意图；图6为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机中后机身变体驱动机构示意图；图7为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机中螺旋桨朝向约束机构结构示意图；图8为本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机由垂直起降模态向高效巡航模态的变体过程示意图。图中：1-前机身2-左机翼3-右机翼4-后机身5-水平尾翼6-垂直尾翼7-发动机8-燃油箱9-发电机10-储能电池11-能源管理模块12-电机13-电子调速器14-螺旋桨15-步进电机16-丝杠17-丝杠螺母18-驱动连杆19a-平行四连杆19b-拉杆401-后机身上部分402-后机身下部分具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，在无人机主体上布置有分布式混合动力系统与后机身变体机构。其中，分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统与分布式螺旋桨分系统。后机身变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，包括机身、左机翼、右机翼、后机身、水平尾翼与垂直尾翼；其特征在于：还具有分布式混合动力系统与后机身变体机构；其中，分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统与分布式螺旋桨分系统；后机身变体机构包括后机身变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构；所述机身包括前机身与后机身；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部；后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过后机身变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动；所述油电混合动力分系统，包括发动机、燃油箱、发电机、储能电池与能源管理模块；其中，发动机、燃油箱、发电机、储能电池、能源管理模块均安装于前机身内部；发动机与前机身间刚性固定，用于为巡航提供动力以及发电机的发电；燃油箱用于燃油的储备以及发动机的供油；发电机的输入轴与发动机的输出轴通过联轴器相连，将发动机输出的机械能转换为电能，由储能电池存储；储能电池用于无人机垂直起降过程中大功率输出的功能；能源管理模块为油电混合动力系统的控制模块，进行无人机不同工作状态能量流向的管理；所述分布式螺旋桨分系统包括电机、电子调速器与螺旋桨；其中，电机共十个；十个电机中，八个电机刚性固定于左机翼与右机翼前缘内部，输出轴朝向整个无人机前方；左机翼与右机翼前缘沿展向等间隔设置4个，且左机翼与右机翼上的电机安装位置对称；另两个电机分别刚性固定安装于两个垂直尾翼梢部前缘设计的电机舱内，且设计电机舱末端与垂直尾翼间铰接，使电机舱可转动；同时两个水平尾翼同上方的电机舱固接为一体结构；每个电机的输出轴上安装有螺旋桨；每个电机还配有电子调速器，通过能源管理模块为各个电子调速器与电机分配供电，进而控制每个电机转动，由电子调速器调节电机转速，且控制左机翼与右机翼上的八个电机中相邻电机的转向相反以平衡反扭矩，同时控制垂直尾翼梢部的两个电机彼此反向转动；所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。...

【技术特征摘要】
1.一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，包括机身、左机翼、右机翼、后机身、水平尾翼与垂直尾翼；其特征在于：还具有分布式混合动力系统与后机身变体机构；其中，分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统与分布式螺旋桨分系统；后机身变体机构包括后机身变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构；所述机身包括前机身与后机身；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部；后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过后机身变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动；所述油电混合动力分系统，包括发动机、燃油箱、发电机、储能电池与能源管理模块；其中，发动机、燃油箱、发电机、储能电池、能源管理模块均安装于前机身内部；发动机与前机身间刚性固定，用于为巡航提供动力以及发电机的发电；燃油箱用于燃油的储备以及发动机的供油；发电机的输入轴与发动机的输出轴通过联轴器相连，将发动机输出的机械能转换为电能，由储能电池存储；储能电池用于无人机垂直起降过程中大功率输出的功能；能源管理模块为油电混合动力系统的控制模块，进行无人机不同工作状态能量流向的管理；所述分布式螺旋桨分系统包括电机、电子调速器与螺旋桨；其中，电机共十个；十个电机中，八个电机刚性固定于左机翼与右机翼前缘内部，输出轴朝向整个无人机前方；左机翼与右机翼前缘沿展向等间隔设置4个，且左机翼与右机翼上的电机安装位置对称；另两个电机分别刚性固定安装于两个垂直尾翼梢部前缘设计的电机舱内，且设计电机舱末端与垂直尾翼间铰接，使电机舱可转动；同时两个水平尾翼同上方的电机舱固接为一体结构；每个电机的输出轴上安装有螺旋桨；每个电机还配有电子调速器，通过能源管理模块为各个电子调速器与电机分配供电，进而控制每个电机转动，由电子调速器调节电机转速，且控制左机翼与右机翼上的八个电机中相邻电机的转向相反以平衡反扭矩，同时控制垂直尾翼梢部的两个电机彼此反向转动；所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。2.如权利要求1所述一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，其特征在于：前机身后端设计为由上下两个相交平面构成的尖端结构；同时，后机身上部与后机身下部，后机身上部与后机身下部的前端设计为斜面；且当后机身上部与后机身下部转动角度为0°时，后机身上部底面与后机身下部顶面相接，形成整体机身结构；当后机身上部与后机身下部转动至+90度与-90度时，后机身上部与...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东立，夏兴禄，杨穆清，刘兴安，郭阳，陈刚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11