一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机制造技术

本发明专利技术涉及无人机技术领域，一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，机身组件包括由前至后依次连接的机头前舱、前机身和后机身，机头前舱内置至少一个电动涵道风扇发动机；所述后机身内置能源组件和载荷舱，后机身尾部设有推进螺旋桨组件，推进螺旋桨组件用于提供前推力以克服无人机飞行时的气动阻力；机翼组件为前掠翼形式安装在后机身两侧；尾翼组件安装在后机身的尾段；垂直升力装置组件为电动风扇式，两个垂直升力装置组件对称式的安装在后机身中段的左右两侧；该无人机具有垂直起降、远距离航行等诸多特性，实现大升力垂直起降与高效水平飞行一体化、垂直升力系统与固定翼布局一体化设计、以及旋翼垂直升力与固定翼升力一体化操控。

An Oil-Electric Hybrid Vertical Take-off and Landing Forward Swept Fixed-Wing UAV

【技术实现步骤摘要】
一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机
本专利技术涉及无人机
，特别是一种货运无人机。
技术介绍
随着无人机技术的成熟以及我国低空开放范围的逐步增大，市场上对具有航时长、速度快的大中型运载无人机的需求越来越强烈。为了满足市场对货运无人机的长途快速运输需求，一类垂直起降固定翼无人机成为首选。该类无人机具有垂直起降能力、航时航程大、对起降场地要求低。目前，用于实现垂直起降固定翼飞行器(有人机或无人机)的技术途径主要包括倾转旋翼布局、尾座式倾转布局、涵道风扇式布局等，但是上述途径控制难度大、作动机构复杂、故障率和成本高。因此，实际上目前最具代表性的一种垂直起降固定翼无人机，采用四旋翼加推进螺旋桨的复合式动力配置以及平直机翼加一体化水平/垂直尾翼气动布局，技术方案如下：无人机整体上采用平直机翼加一体化水平/垂直尾翼气动布局。机翼为大展弦比梯形或矩形翼，水平尾翼和垂直尾翼通常设计成一个组件，或者采用V形一体化尾翼。无人机采用四个旋翼装置提供垂直起降飞行所需的垂直升力；通常四个旋翼装置位于机身重心的四角、呈正方形布局，旋翼发动机通过撑杆与主翼连接；而提供前进动力的推进螺旋桨，则位于机头或者机尾；起飞和降落时，由四旋翼系统提供垂直升力，升空后平飞时，则通过推进螺旋桨提供动力使无人机前进、由固定翼产生垂直升力。现有技术的此种无人机主要缺陷如下：依赖四旋翼产生垂直升力限制了能够实现的飞行器总重能力，垂直升力系统与无人机固定翼气动布局完全独立无融合设计，垂直升力系统在无人机水平飞行时完全处于无效和不利状态。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，该无人机具有垂直起降、远距离航行等诸多特性，实现大升力垂直起降与高效水平飞行一体化、垂直升力系统与固定翼布局一体化设计、以及旋翼垂直升力与固定翼升力一体化操控。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，包括机身组件、两组机翼组件、尾翼组件和两个垂直升力装置组件；其中机身组件包括由前至后依次连接的机头前舱、前机身和后机身，其中机头前舱内置至少一个电动涵道风扇发动机，该电动涵道风扇发动机在无人机垂直起降和空中悬停飞行状态时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述后机身内置能源组件和载荷舱，后机身尾部设有推进螺旋桨组件，推进螺旋桨组件用于提供前推力以克服无人机飞行时的气动阻力；机翼组件安装在后机身两侧；尾翼组件安装在后机身的尾段；垂直升力装置组件为电动风扇式，两个垂直升力装置组件对称式的安装在后机身中段的左右两侧，垂直升力装置组件用于提供无人机在垂直起降和空中悬停状态飞行时所需的主要气动升力。作为优选的，所述机翼组件为前掠固定翼。作为优选的，所述机翼组件包括内段机翼和外段机翼，其中内段机翼的前掠角小于外段机翼，内段机翼的安装角和翼型弯度大于外段机翼。作为优选的，所述内段机翼后缘布置襟翼，襟翼面积占内段机翼的5～8％，与内段机翼展长相比的相对展长约为40～60％；和/或外段机翼后缘布置副翼，副翼面积约占外段机翼的5～7％，与外段机翼展长相比的相对展长为60～80％，与外段机翼弦长相比的相对弦长为20～25％。作为优选的，所述机身组件还设有两个横向调节电动涵道风扇发动机，所述内段机翼上设有喷流出口，其中横向调节电动涵道风扇发动机的排气端与喷流出口通过导气管连通；两台电动涵道风扇发动机在后机身前端下部左右对称并联布置；所述喷流出口设置在内段机翼展向靠近翼稍处、弦向翼型最大厚度处的内部，滚转喷流出口可向机翼下方喷射气流、用于无人机在垂直起降和空中悬停状态飞行时提供横向控制的滚转操纵力矩。作为优选的，所述尾翼组件主体向后机身上方延伸布置，且尾翼组件和后机身尾段组成包围结构，以避开推进螺旋桨组件。作为优选的，所述尾翼组件包括水平尾翼、左右对称的两个垂直尾翼、以及两个左右对称的斜置尾撑，其中斜置尾撑向尾向斜外侧延伸，垂直尾翼下端连接在斜置尾撑外端，水平尾翼两端连接两个垂直尾翼上端。作为优选的，所述水平尾翼后缘布置两片左右对称的升降舵，每片升降舵面积占水平尾翼整体面积的3～5％，与水平尾翼展长相比的相对展长为30～40％，与水平尾翼当地弦长相比的相对弦长为15～25％；左右两片升降舵同时上下同向偏转，用于无人机在前向飞行时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；和/或垂直尾翼后缘布置方向舵，方向舵面积占垂直尾翼的8～15％，与垂直尾翼展长相比的相对展长为70～80％，与垂直尾翼当地弦长相比的相对弦长为10～15％；左右对称的两侧方向舵同时左右同向偏转，用于无人机在前向飞行时提供航向控制的偏航操纵力矩。作为优选的，所述后机身前段内部相对机翼组件下方位置布置燃料箱，燃料箱用于对螺旋桨组件提供所需的燃料；后机身中段内部上方布置动力电池组，其用于对垂直升力装置组件提供能源；动力电池组下方布置一个载荷舱，用于装载有效载荷；后机身后部内部装载油动推进发动机，用于驱动后端与之匹配的螺旋桨旋转、提供前推力克服无人机飞行时的气动阻力；在推进发动机前端配置一部发电机，其由推进发动机带动工作、产生电能为动力电池组充电。使用本专利技术的有益效果是：本专利无人机采用机头前舱、前机身和后机身三段式机身以及上单翼搭配吊挂式机身，综合实现了总体气动布局、内部装载布置以及操纵稳定性协调等诸多重要功能；采用大展弦比、两段小前掠角机翼气动布局，可改善机翼组件整体气动压力分布，获得更高升阻比；相比于常规后掠和平直翼气动布局在翼尖处先出现失速，前掠翼气动布局则是在翼根处先出现失速，优点是在飞行时机翼上的层流面积大、易于获得更大的升阻比；在平飞与悬停两类飞行状态的过渡转换期间，位于机翼平面后下方的垂直升力风扇组件高速旋转所产生的吸力将进一步改善翼根处的气流流场、增大层流面积提高升阻比；采用上置平尾搭配双斜撑垂尾的立体尾翼布局，一方面，使水平尾翼布置摆脱了机身尾部推进螺旋桨的约束、垂直方向高出机身(后机身)的距离足以避开后机身尾端螺旋桨旋转时所产生气动滑流的影响；另一方面，通过调节垂直尾翼和斜置尾撑的后掠角和展长，可方便地增加或减小水平尾翼平面形心到无人机重心的距离(沿无人机机体纵轴方向)以及水平尾翼的面积、从而获得合适的平尾尾容量；在机头前舱中部串联布置两台纵向配平电动涵道风扇发动机，这两台串联布置发动机用于无人机在垂直起降和空中悬停飞行状态时提供纵向控制的俯仰操纵力矩，并确保对无人机产生的最大俯仰抬头力矩大于两个左右并联布置垂直升力风扇组件(安装于后机身中部两侧)对无人机产生的最大俯仰低头力矩，同时对无人机提供小部分垂直升力；在产生同等大小俯仰操纵力矩条件下，串联布置两台小直径的电动涵道风扇发动机与布置一台大直径的电动涵道风扇发动机相比，大大减小了迎风截面积、气动阻力低，并且增加了操纵力矩调节的灵活性；采用机身两侧外挂式垂直升力风扇，空间布置受机身约束小、易于实现大直径垂直升力风扇布局，同时，采用一幅多叶(不少于3)螺旋桨风扇形式，在产生同等气动升力的条件下可减小风扇旋转平面直径、降低无人机平飞时的气动阻力；在内段机翼展向靠近翼稍处、弦向翼型最大厚度处的内部布置滚转喷流出口，滚转喷流出口可向机翼下方喷射气流、用于无人机在垂直起降和空中悬停状态飞行时提供横向控制的滚转操纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：包括机身组件、两组机翼组件、尾翼组件和两个垂直升力装置组件；其中机身组件包括由前至后依次连接的机头前舱、前机身和后机身，其中机头前舱内置至少一个电动涵道风扇发动机，该电动涵道风扇发动机在无人机垂直起降和空中悬停飞行状态时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述后机身内置能源组件和载荷舱，后机身尾部设有推进螺旋桨组件，推进螺旋桨组件用于提供前推力以克服无人机飞行时的气动阻力；机翼组件安装在后机身两侧；尾翼组件安装在后机身的尾段；垂直升力装置组件为电动风扇式，两个垂直升力装置组件对称式的安装在后机身中段的左右两侧，垂直升力装置组件用于提供无人机在垂直起降和空中悬停状态飞行时所需的主要气动升力。

【技术特征摘要】
1.一种油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：包括机身组件、两组机翼组件、尾翼组件和两个垂直升力装置组件；其中机身组件包括由前至后依次连接的机头前舱、前机身和后机身，其中机头前舱内置至少一个电动涵道风扇发动机，该电动涵道风扇发动机在无人机垂直起降和空中悬停飞行状态时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述后机身内置能源组件和载荷舱，后机身尾部设有推进螺旋桨组件，推进螺旋桨组件用于提供前推力以克服无人机飞行时的气动阻力；机翼组件安装在后机身两侧；尾翼组件安装在后机身的尾段；垂直升力装置组件为电动风扇式，两个垂直升力装置组件对称式的安装在后机身中段的左右两侧，垂直升力装置组件用于提供无人机在垂直起降和空中悬停状态飞行时所需的主要气动升力。2.根据权利要求1所述的油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：所述机翼组件为前掠固定翼。3.根据权利要求2所述的油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：所述机翼组件包括内段机翼和外段机翼，其中内段机翼的前掠角小于外段机翼，内段机翼的安装角和翼型弯度大于外段机翼。4.根据权利要求3所述的油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：所述内段机翼后缘布置襟翼，襟翼面积占内段机翼的5～8％，与内段机翼展长相比的相对展长约为40～60％；和/或外段机翼后缘布置副翼，副翼面积约占外段机翼的5～7％，与外段机翼展长相比的相对展长为60～80％，与外段机翼弦长相比的相对弦长为20～25％。5.根据权利要求1所述的油电混合动力垂直起降前掠固定翼无人机，其特征在于：所述机身组件还设有两个横向调节电动涵道风扇发动机，所述内段机翼上设有喷流出口，其中横向调节电动涵道风扇发动机的排气端与喷流出口通过导气管连通；两台电动涵道风扇发动机在后机身前端下部左右对称并联布置；所述喷流出口设置在内段机翼展向靠近翼稍处、弦向翼型最大厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺笑颜，
申请(专利权)人：沈阳迪智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21