临近空间下新构型复合式无人直升机及其飞行控制方法技术

本发明专利技术提供了一种临近空间下新构型复合式无人直升机及其飞行控制方法，飞行器在机身尾部设置有V型尾翼，机身中部两侧设置有两副机翼。所述的机翼包括充气式平直翼和下挂式可倾转的旋翼，单侧机翼下侧装有两副下挂梁并连接有四个可倾转的旋翼，每个旋翼有四片充气式桨叶；所述旋翼能通过倾转机构在不同飞行状态下完成预定倾转动作。该飞行器垂直起降时，旋翼处于共轴状态能减小单副下挂梁所连接的旋翼间气动干扰；另一方面，机体通过差动的气动力矩可以倾转到竖直状态，减小机体投影面积从而降低机体型阻。该飞行器在空中飞行时机身回复水平位置，旋翼倾转到拉力螺旋桨状态，可有效避免旋翼桨叶尖端由于气动叠加产生的激波，从而提升前飞速度。从而提升前飞速度。从而提升前飞速度。

【技术实现步骤摘要】
临近空间下新构型复合式无人直升机及其飞行控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行器领域，具体是一种临近空间下新构型复合式无人直升机。

技术介绍

[0002]国际航空联合会将临近空间范围确定在23km
‑
100km，但目前大多数专家倾向于把临近空间的范围定在20km
‑
100km，介于现有航空求最高飞行高度和航天器最低轨道高度之间，属于“空”与“天”的过渡区。
[0003]与现有航空、航天系统相比，低速临近空间飞行器在飞行高度、持续工作时间、响应能力、成本和生存能力方面都具有非常显著的优势。其飞行高度适中且持续工作时间长，临近空间飞行器飞行高度介于飞机和卫星之间，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度，对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战支持等具有重要的意义；同时，与卫星相比，临近空间飞行器具有良好的快速响应能力，而且发射过程简单，不需要复杂昂贵的发射设施，不需要空间加固防护，对地面支持设备要求也比较低，大部分部件和有效载荷可回收重复使用，因此效费比高。
[0004]不同于一般的临近空间飞行器，直升机相比于一般的系留气球和飞艇，机动性更好，最大前飞速度达到常规构型直升机的基本要求；相比于火箭发动机推进的高速固定翼飞机，优势在于可以悬停在目标上空获得更久的观察时间。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种临近空间下新构型复合式无人直升机及其飞行控制方法，通过布置可倾转的旋翼和差动气动力矩令飞行器在垂直起降和水平前飞时具有不同的构型以满足不同的气动环境要求，在垂直起降时通过各副下挂梁所连接的共轴双旋翼获得最大的升阻比；在水平前飞时通过各副下挂梁所连接的拉力螺旋桨获得最大的前飞速度。
[0006]本专利技术提供了一种临近空间下新构型复合式无人直升机，包括机身，机身的尾部设置有尾翼,侧方设置有机翼,所述的机翼为充气式机翼，单侧机翼通过若干下挂梁连接件连接若干副下挂梁，每副下挂梁两端安装倾转机构，倾转机构上安装有旋翼系统，旋翼系统在不同位置所安装的翼型方向不同，通过差动的气动力矩配合倾转机构来实现机体的不同姿态变化。
[0007]进一步改进，所述的单副下挂梁上的两个旋翼系统旋转方向相反以平衡梁上扭矩。
[0008]进一步改进，所述的相邻两副下挂梁上的同侧旋翼系统旋转方向相反以平衡机翼上扭矩。
[0009]进一步改进，所述的单副下挂梁上所连接的两个倾转机构旋转方向相反，旋转范围为90
°
以防止旋翼过度倾转导致桨叶损伤下挂梁。
[0010]进一步改进，所述的机身采用碳纤维编织布、轻木隔框和铝合金蒙皮的一体化结
构以减少重量，增强续航能力。
[0011]进一步改进，所述的机身和机翼上表面铺设锑化镓基的高转化率太阳能板以改进飞行器续航能力；所述的太阳能板为柔性薄膜材料。
[0012]进一步改进，所述的尾翼为V型结构，V形尾翼兼有垂尾和平尾的功能，能以较少的部件总数来减小尾翼之间及尾翼与机身之间的干扰阻力，同时并具有尾翼加工量小的优点。
[0013]本专利技术还提供了一种临近空间下新构型复合式无人直升机的飞行控制方法，包括以下过程：1）当飞行器垂直起降时，机体通过各副下挂梁所连接的的前后两个旋翼由于转速不同所产生的差动力矩进行倾转，前侧旋翼转速应高于后侧旋翼，此时飞行器处于竖直状态，下挂梁所连接的的前后两个旋翼应同步倾转90
°
切换到共轴双旋翼状态；2）当飞行器上升到达预定高度后，机体通过各副下挂梁所连接的的前后两个旋翼由于转速不同所产生的差动力矩进行倾转，后侧旋翼转速应高于前侧旋翼，此时飞行器处于水平状态悬停，下挂梁所连接的的前后两个旋翼应同步倾转90
°
切换到纵列双旋翼状态；3）当飞行器水平前飞时，升力面由旋翼作用盘更改为机翼，旋翼倾转90
°
切换到拉力螺旋桨状态，提高前飞速度。
[0014]进一步改进，在机身倾转的过程中旋翼作用盘的倾转速度应让升力方向始终竖直向上，差动的气动力矩符合倾转方向要求，在水平前飞时，机身保持在机翼翼型的最大升阻比对应攻角以保证飞行性能。
[0015]进一步改进，步骤3）中为保证水平前飞的升力，旋翼可有选择地处于旋翼升力面或者拉力螺旋桨状态。
[0016]本专利技术有益效果在于：1、与传统的直升机相比较，本专利技术通过布置可倾转的旋翼和差动气动力矩令飞行器在垂直起降和水平前飞时具有不同的构型以满足不同的气动环境要求，在垂直起降时通过各副下挂梁所连接的共轴双旋翼获得最大的升阻比；在水平前飞时通过各副下挂梁所连接的拉力螺旋桨获得最大的前飞速度。
[0017]2、与现有的临近空间飞行器相比，本专利技术通过布置可倾转的旋翼可以得到优于系留气球或者气艇的机动性，同时在指定区域拥有由于固定翼飞行器的悬停能力，能够在小区域内长时间停留。
[0018]3、飞行器在结构上采用了一体化制造方式，对比传统机身结构中的桁条和隔框，在保证强度的情况下减少了重量。同时，机翼和旋翼桨叶均采用充气式结构。
[0019]4、飞行器在临近空间高度能够获得最长时间的光照条件，机身和机翼上表面铺设的锑化镓基的高转化率太阳能板与机身内高储能比电池配合可以优化飞行器的续航能力。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的垂直起降状态轴侧视意图；图2是本专利技术的悬停状态轴侧视意图；图3是本专利技术的水平前飞状态轴侧示意图；图4是本专利技术的过渡状态轴侧示意图；
图5是本专利技术的水平前飞状态三视图；图6是本专利技术的水平悬停状态三视图；图7是本专利技术的单侧机翼所连接的旋翼的旋转方向示意图；图8是本专利技术的单副下挂梁所连接的旋翼的倾转方向示意图；图9是本专利技术的单副下挂梁所连接的旋翼差动气动力矩原理示意图；图10是本专利技术的单副下挂梁所连接的旋翼翼型剖面正视放大图；图11是本专利技术的充气式机翼（桨叶）原理示意图；图12是本专利技术的机身外壳一体化制造方式剖面截断示意图；图13是本专利技术的太阳能板铺设位置示意图；图中，机身1、充气式机翼2、尾翼3、下挂梁4、下挂梁连接件5、倾转机构6、旋翼系统7、倾转驱动8、倾转连接件9、桨毂10、充气式桨叶(安装方向
①
)11、充气式桨叶(安装方向
②
)12、机翼翼型13、桨叶翼型14、外层胶布15、拉条16、蒙皮17、隔框18、太阳能板19。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术做进一步说明。
[0022]本专利技术包括机身1，机身1尾部设置有V型尾翼3，V形尾翼兼有垂尾和平尾的功能，能以较少的部件总数来减小尾翼之间及尾翼与机身之间的干扰阻力，同时并具有尾翼加工量小的优点。机身侧方设置有机翼，所述的机翼包括充气式机翼2，单侧机翼通过4个下挂梁连接件5连接两副下挂梁4，每副下挂梁两端安装倾转机构6，倾转机构上安装有旋翼系统7。所述的旋翼系统在不同位置所安装的翼型方向不同，通过差动的气动力矩配合倾转机构来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种临近空间下新构型复合式无人直升机，包括机身，机身的尾部设置有尾翼,侧方设置有机翼,其特征在于：所述的机翼为充气式机翼，单侧机翼通过若干下挂梁连接件连接若干副下挂梁，每副下挂梁两端安装倾转机构，倾转机构上安装有旋翼系统，旋翼系统在不同位置所安装的翼型方向不同，通过差动的气动力矩配合倾转机构来实现机体的不同姿态变化。2.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的单副下挂梁上的两个旋翼系统旋转方向相反。3.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的相邻两副下挂梁上的同侧旋翼系统旋转方向相反。4.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的单副下挂梁上所连接的两个倾转机构旋转方向相反，旋转范围为90
°
。5.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的机身采用碳纤维编织布、轻木隔框和铝合金蒙皮的一体化结构。6.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的机身和机翼上表面铺设锑化镓基的高转化率太阳能板；所述的太阳能板为柔性薄膜材料。7.根据权利要求1所述的临近空间下新构型复合式无人直升机，其特征在于：所述的尾翼为V型结构。8.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亚东，徐阳，余欣宇，徐孟雨，刘雪芸，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：