一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机制造技术

本发明专利技术公开一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，包括变距直驱混合动力系统以及搭载变距直驱混合动力的垂直起降固定翼无人机整机的设计。其中变距直驱混合动力系统以活塞发动机直驱发电机作为主动力源，动力锂电池作为辅助动力源与电能中枢；整机设计包括整机机械结构设计、重量核算与迭代、飞行工作模式设计。本发明专利技术采用固定翼结合四旋翼的垂直起降固定翼无人机布局；机身使用的大展弦比机翼与大尺寸旋翼能够提供垂直升力，同时显著的提升整机垂直机动时间；活塞发动机前输出轴直驱的变距螺旋桨推进装置能够提供水平拉力，同时显著提升整机的平飞巡航性能；加强的翼梁与机翼能够为飞行器提供较好的抗弯抗扭性能。够为飞行器提供较好的抗弯抗扭性能。够为飞行器提供较好的抗弯抗扭性能。

【技术实现步骤摘要】
一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机


[0001]本专利技术涉及无人机
，特别涉及一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机。

技术介绍

[0002]根据无人机布局架构将无人机进行分类，可以将无人机分为旋翼无人机、固定翼无人机、以及垂起固定翼无人机三类，旋翼无人机依靠其单个或多个置于机身上方的旋翼产生垂直向上的拉力从而使无人机运动。不同的旋翼个数将旋翼无人机区分为单旋翼无人机(直升机)及多旋翼无人机两种。旋翼无人机通过改变旋翼转速或倾角进而改变飞行器的飞行轨迹。旋翼无人机具有结构简单、响应速度快、能够垂直起降的优点，被广泛应用于各种民用领域，但受限于其布局架构以及体积，使其无法满足需要高速远距离飞行的应用场景。
[0003]固定翼无人机依靠机身两侧固定机翼以及单个或多个推进系统产生升力和向前的飞行速度。固定翼无人机具有飞行速度快、载重大、航程航时长等特点，被广泛应用于需要大载重或长航时飞行的物流运输及电力巡检方面，但由于固定翼无人机必须具有一定的飞行速度机翼才能产生升力，因此无法实现垂直机动，固定翼无人机在起降时需要跑道或弹射器，这极大的限制了其应用场景。
[0004]垂起固定翼无人机是近年来解决以上两种类型无人机缺陷而推出的一种无人驾驶飞机，此类型无人机既能够像旋翼无人机一样垂直起降，又具有固定翼无人机的高飞行速度、大载重、长航时的特点。根据布局形式可以将垂起固定翼无人机分为升推复合式和倾转动力式两种。升推复合式垂起固定翼无人机(又称复合翼垂起无人机)是将多旋翼与固定翼进行组合，此类无人机在不同的飞行阶段由不同的动力系统提供动力：在起降时由旋翼提供升力；在平飞巡航时，由机翼提供升力。倾转动力式是通过倾转动力机构实现不同方向的飞行：起降时，动力机构产生向上的拉力，在过渡阶段动力机构倾转使其产生前拉的拉力。
[0005]无人机传统的动力系统能量来源可以分为电池和燃油两类。其中电池主要作为以多旋翼无人机为代表的中小型无人机的能量来源，虽然电动机具备响应快、易控制、重量轻的优点，但受限于当前电池的能量密度问题，在无人机需要完成长航时、大载重任务时，采用电池作为单一能量源会出现续航能力差，飞行时间短的劣势。燃油主要作为以固定翼无人机为代表的中大型无人机的能量来源，由于燃油的高能量密度，内燃机作为无人机的动力系统使得无人机具备较强的飞行续航能力，但其响应速度慢的劣势使得无人机无法满足需要快速响应的应用场景。
[0006]复合翼垂起无人机由于其布局特点，多采用双源动力系统形式，即在垂起无人机不同的飞行工作模式下采用两种独立的动力来源分别用作推进和悬停起降。目前市面上常用内燃机
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动力锂电池作为复合翼垂起无人机的双源动力系统，此类垂起无人机在垂直起降和悬停时采用动力锂电池作为动力来源驱动多旋翼进行垂直机动，此时内燃机处于关闭
状态；在巡航时采用内燃机作为动力来源驱动推进螺旋桨进行平飞机动，此时多旋翼处于不工作状态。此类型无人机虽然有效提高了无人机的载荷与航程，但该型无人机存在固有缺陷：一为能量利用率低，双动力源间无能量流动关系，锂电池无法进行充电，因此整机垂直机动时间依然受限于电池容量，致使无人机垂直机动时间较短。二为动力冗余度低，即单个动力源失效后，双源动力间无法形成有效冗余，这极大的降低了无人机的飞行安全性。
[0007]混合动力推进是解决以上问题的有效方式，其中油电混合动力技术以其显著优势成为解决目前无人机能量利用率低、动力冗余度低、航程航时短等瓶颈的前沿发展方向。当前，油电混动技术多用于多旋翼无人机。油电混动多旋翼无人机由发动机带动发电机进行发电为电动机提供电能，锂电池作为辅助能量源，此种方式极大的提高了多旋翼无人机的航时，但受限于旋翼无人机气动布局，其航程短和有效载荷低的缺陷仍未得到改善。而随着垂起固定翼无人机的面世，油电混合动力技术在垂起固定翼无人机上的应用成为一大研究热点。研究与设计适配于垂起固定翼无人机的混合动力系统能够使垂起无人机具备更强的多模式飞行适应能力，有效提升垂起固定翼无人机的航程航时与能量利用率。
[0008]在无人机油电混动总成方面。北京瑞深航空科技有限公司成功研制出功率2KW的油电混合动力装置H2，其适用于最大起飞重量18kg以下的多旋翼无人机和垂直起降固定翼无人机使用。搭载3Kg商载的情况下，航时可达2小时，最大航时可达到5小时。2017年12月，中科灵动航空科技成都有限公司推出灵动鹰
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25六旋翼可折叠油电混合动力无人机，无人机搭载其公司自主研发的油电混动总成，总成采用国际通用92#汽油作为动力，灵动鹰
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25在负载5kg时持续飞行时间能达到90min(海拔高度为0m)，平飞速度18m/s，控制半径10km(可扩展至30km)，最大飞行高度2500m，可以在7级大风、小雨条件下顺利飞行。整机自重约17kg，满油约21kg，使用温度范围
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10℃～40℃。2019年，中航金城无人系统公司推出了一款油电混合动力六旋翼无人机。该无人机的油电混合动系统采用串联式，系统模块化程度高，互换性好，能量利用效率高达95％。该无人机最大载重20kg，在满载的条件下，可留空飞行2h，如果空载则最大航时可达3h，覆盖的应用范围较广，整机性能优于大部分多旋翼无人机。2020年，弥勒浩翔科技有限公司成功推出一款油电混合动力多旋翼无人机。该无人机搭载公司自主研发生产的DLE70HD两冲程水冷无人机引擎，具有重量轻、功率大、寿命长的特点。使用普通汽油作为基本动力燃料，最大起飞重量可达43kg。满油后最大作业载荷可达10kg(可以使用燃油重量来换取额外载重)，一次加油可连续飞行6h，最大水平飞行速度20m/s，最大可承受8级大风，最大飞行高度3000m，航程可达432km，突破了前所未有的长航时以及高效性能。2021年，珠海上飞航空科技有限公司采用轻量化设计，一体化集成方法推出多款油电混合动力系统。这些系统具有模块化便捷维护、实时数据可视、快速拆卸、启发一体功能、支持多电压输出等特点，适用于多旋翼无人机和垂起复合翼无人机等，在国内和国际市场获得了较高的影响力。主要型号有：
①
F23K油电混合动力系统：持续功率23kw，重量39.5kg(含冷却系统)。
②
F6000油电混合动力系统：持续功率5600W，最大功率6500W，重量9.5kg。
③
F7000油电混合动力系统(图3)：持续功率6000W，最大功率7000W，重量12kg(含冷却系统。
④
F16K油电混合动力系统：持续功率14KW，最大功率16KW，重量29.5kg(含冷却系统)。
⑤
F6000 V2.0油电混合动力系统：持续功率5300W，最大功率：6000W，重量7kg(不含冷却系统)。以上油电混动总成较成熟的应用是在多旋翼无人机上，其原理为采用串联式油电混动总成替代动力锂电池作为动力源，通过活塞发动机输出轴驱动永磁发电机进行发电为
多个驱动旋翼的电动机提供电能，同时动力系统中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，包括机体和安装于机体的变距直驱混合动力系统；所述变距直驱混合动力系统包括内燃机、变距螺旋桨、发电机、整流装置、锂电池、电子调速器、电动机和升力旋翼，所述内燃机的前输出轴连接所述变距螺旋桨，所述内燃机的后输出轴连接所述发电机，所述发电机通过所述整流装置连接所述锂电池，所述锂电池和所述整流装置均通过汇流条连接所述电子调速器，所述电子调速器连接所述电动机，所述电动机连接所述升力旋翼。2.如权利要求1所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，所述内燃机和所述发电机安装于同一安装面，并通过减震橡胶垫松约束。3.如权利要求1所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，所述机体包括机身和大展弦比梯形机翼，所述内燃机安装在所述机身头部的防火安装板上，所述变距螺旋桨设置在所述机身的前端，所述升力旋翼设置在所述大展弦比梯形机翼上，所述大展弦比梯形机翼上设置有加强翼梁和加强翼肋，在所述机体包括机身和大展弦比梯形机翼上分别设置有水平安定面。4.如权利要求3所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，所述机身内部设置有飞控系统和油箱，所述飞控系统固定在减震泡沫上并粘贴于机身内壁，以悬于汽油箱上方，所述飞控系统和所述油箱与整机重心线重合，所述内燃机和所述发电机设置在所述机身头部的防火安装板上，所述锂电池与所述整流器设置在所述机身后部，以使整机重心仍保持于三重心重叠部分。5.如权利要求4所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，所述整流器挂于机腹外部。6.如权利要求4所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，所述机身内部在所述发电机的后方设置有动控系统，所述动控系统采用防波胶带包裹。7.如权利要求4所述的变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，其特征在于，通过如下公式对目标起飞重量M进行核算：M≥∑m＝m1+m2+m3+m4+m5+m6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：安斯奇，彭旭，郑育行，杨国龙，张勋，代明潇，遆政宪，齐元，张启悦，汤祺轩，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：