適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法，包括提供動(dòng)力的螺旋槳，所述螺旋槳布置于飛機(jī)兩側(cè)主機(jī)翼的前后側(cè)，位于主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳可由豎直狀態(tài)向上傾轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，位于主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳可由豎直狀態(tài)向下傾轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)，不但實(shí)現(xiàn)了垂直起降模式下與現(xiàn)有的最為成熟穩(wěn)定的X型四軸飛行器類似的布局和控制方式，而且在平飛模式下最大程度上保留傳統(tǒng)可靠的固定翼飛機(jī)的布局形式、有效機(jī)翼面積和整體結(jié)構(gòu)，所以與其他垂直起降飛行器相比具有布局形式合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式成熟可靠，飛行更加穩(wěn)定，航程更遠(yuǎn)，載重更大等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直起降技術(shù)的誕生主要是因?yàn)轱w機(jī)滑跑起飛方式的不足，特別是在歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中的表現(xiàn)，讓飛機(jī)的垂直起降進(jìn)入人們的視線。二戰(zhàn)及中東戰(zhàn)爭(zhēng)等戰(zhàn)爭(zhēng)直接對(duì)敵方機(jī)場(chǎng)的襲擊讓人們感受到了需要跑道的滑跑式飛機(jī)的不足之處，而冷戰(zhàn)則是垂直起降技術(shù)的催化齊U。二戰(zhàn)后的五六十年代，在極有可能爆發(fā)核戰(zhàn)爭(zhēng)的陰影下，人們擔(dān)心出現(xiàn)核大戰(zhàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)造成破壞、常規(guī)飛機(jī)無(wú)法出動(dòng)的局面，所以催生了固定翼飛機(jī)的垂直起降技術(shù)。垂直起降飛機(jī)減少或基本擺脫了對(duì)跑道的依賴，只需要很小的平地就可以拔地而起和垂直著陸，所以在戰(zhàn)爭(zhēng)中飛機(jī)可以分散配置，便于靈活出擊、轉(zhuǎn)移和偽裝隱蔽，不易被敵方發(fā)現(xiàn)，出勤率也大幅提聞，并且對(duì)敵方的打擊具有很聞的突然性，大大提聞了飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存率。
[0003]有垂直起降能力的固定翼飛機(jī)不需要專門的機(jī)場(chǎng)和跑道，這樣就省去了昂貴的機(jī)場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用，不用驅(qū)鳥，也能在惡劣氣象條件下起降，降低了使用成本，而且還具有航程遠(yuǎn)，有效載荷高等傳統(tǒng)直升機(jī)所不具有的優(yōu)勢(shì)。所以，垂直起降固定翼飛行器成為了航空飛行器發(fā)展的一個(gè)熱門方向。
[0004]現(xiàn)有的垂直起降飛行器大都采用單軸，雙軸，或者三軸等控制難度很高的垂直起降結(jié)構(gòu)布局形式，不僅垂直起降模式時(shí)穩(wěn)定性和可靠性都難以保證，而且由于其采用的方式會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的結(jié)構(gòu)不同于一般常規(guī)固定翼飛機(jī)，過(guò)于復(fù)雜，嚴(yán)重影響到固定翼模式下的氣動(dòng)布局，從而嚴(yán)重影響平飛時(shí)的飛行品質(zhì)。另外一個(gè)方面，現(xiàn)有的垂直起降飛機(jī)大部分由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所限，沒(méi)有辦法采用很大的翼展，從而無(wú)法增加有效的機(jī)翼面積，使得其飛行效率無(wú)法提高，航程和傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)相比還是相差很大。所以，只有在盡量采用最成熟旋翼機(jī)模型布局形式且不影響常規(guī)固定翼飛機(jī)布局結(jié)構(gòu)的情況下，做到垂直起降功能，才能最大程度上提高垂直起降飛行器的各個(gè)方面的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。
[0007]—種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括提供動(dòng)力的螺旋槳，所述螺旋槳布置于飛機(jī)兩側(cè)主機(jī)翼的前后側(cè)，位于主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳可向上傾轉(zhuǎn)，位于主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳可向下傾轉(zhuǎn)。
[0008]所述主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳采用正裝，為飛機(jī)提供拉力以及升力，主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳采用反裝，為飛機(jī)提供推力以及升力。
[0009]所述主機(jī)翼前后側(cè)螺旋槳各自的傾轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。[0010]兩側(cè)主機(jī)翼上分別設(shè)置有相同數(shù)量的若干對(duì)螺旋槳，每對(duì)螺旋槳由一個(gè)布置于對(duì)應(yīng)主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳和一個(gè)布置于對(duì)應(yīng)主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳構(gòu)成，一對(duì)螺旋槳采用對(duì)應(yīng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)或者采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。
[0011]所述主機(jī)翼上設(shè)置有發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙，發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙的前后端分別向主機(jī)翼前后側(cè)對(duì)應(yīng)伸出，發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙的前后端分別裝有一套動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)包括螺旋槳以及驅(qū)動(dòng)螺旋槳的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙相連。
[0012]上述適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方法，包括以下步驟:
[0013]當(dāng)飛機(jī)平飛時(shí)，螺旋槳平面都處于與地面接近于垂直的狀態(tài)，為飛機(jī)提供向前的動(dòng)力；當(dāng)飛機(jī)垂直起降和懸停時(shí)，同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)翼前側(cè)以及后側(cè)的螺旋槳傾轉(zhuǎn)，其中主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳向上傾轉(zhuǎn)，主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳向下傾轉(zhuǎn)。
[0014]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0015]本發(fā)明采用成熟的旋翼機(jī)模型布局形式且不影響常規(guī)固定翼飛機(jī)布局結(jié)構(gòu)，使其比現(xiàn)有垂直起降飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制難度低，具有更好垂直起降性能和空中懸停性能，且具有更快飛行速度和更遠(yuǎn)航程。
[0016]采用本發(fā)明的垂直起降飛行器與傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)相比可以不使用跑道，而是進(jìn)行垂直起飛和降落，大大降低了對(duì)跑道的要求。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比具有更快的飛行速度，更遠(yuǎn)的航程和更高的飛行高度。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)，不但實(shí)現(xiàn)了垂直起降模式下與現(xiàn)有的最為成熟穩(wěn)定的X型四軸飛行器類似的布局和控制方式，而且在平飛模式下最大程度上保留傳統(tǒng)可靠的固定翼飛機(jī)的布局形式、有效機(jī)翼面積和整體結(jié)構(gòu)。所以與其他垂直起降飛行器相比具有布局形式合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式成熟可靠，飛行更加穩(wěn)定，航程更遠(yuǎn)，載重更大等優(yōu)點(diǎn)。其布局形式，結(jié)構(gòu)和控制方式不僅可用于小型無(wú)人機(jī)也可以用于小型載人飛機(jī)和大中型運(yùn)輸機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以采用電動(dòng)機(jī)，活塞式內(nèi)燃機(jī)，也可以采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。采用本發(fā)明的小型無(wú)人機(jī)和小型載人飛機(jī)，不僅適用于民用航空運(yùn)輸，救災(zāi)勘察，航空測(cè)繪，也適合于部隊(duì)單兵偵察使用。而且本發(fā)明用于大中型運(yùn)輸機(jī)也有明顯的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]采用本發(fā)明的垂直起降飛行器兼顧固定翼飛行器和直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服了其他垂直起降飛行器的缺點(diǎn)，并已經(jīng)制造出原型機(jī)進(jìn)行了試飛，性能優(yōu)異，穩(wěn)定可靠，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是采用本發(fā)明的垂直起降飛行器在其水平飛行狀態(tài)下的整體外形圖；
[0019]圖2是圖1所示的垂直起降飛行器在其垂直起降及懸停狀態(tài)下的整體外形圖；
[0020]圖3是適用于圖1所示的垂直起降飛行器在平飛狀態(tài)的動(dòng)力系統(tǒng)位置示意圖；
[0021]圖4是適用于圖1所示的垂直起降飛行器在垂直起降及懸停狀態(tài)下的動(dòng)力系統(tǒng)位置不意圖；
[0022]圖中:1為機(jī)身，2為主機(jī)翼，3平尾，4為垂尾，5為發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙，6為動(dòng)力系統(tǒng)，7為前起落架，8為主起落架，51為驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)的舵盤，52為驅(qū)動(dòng)連桿，53為發(fā)動(dòng)機(jī)的從動(dòng)舵盤，61為螺旋槳，62為發(fā)動(dòng)機(jī)。
【具體實(shí)施方式】[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明主要是通過(guò)對(duì)垂直起降飛行器的總體布局，飛行模式轉(zhuǎn)換方式以及姿態(tài)控制所需機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0025]實(shí)施例
[0026]本發(fā)明提供一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括提供動(dòng)力的螺旋槳61，所述螺旋槳61布置于飛機(jī)兩側(cè)主機(jī)翼2的前后側(cè)，位于主機(jī)翼2前側(cè)的螺旋槳61可由豎直狀態(tài)向上傾轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，位于主機(jī)翼2后側(cè)的螺旋槳61可由豎直狀態(tài)向下傾轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)；所述主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳61采用正裝，為飛機(jī)提供拉力以及升力，主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳61采用反裝，為飛機(jī)提供推力以及升力；所述主機(jī)翼前后側(cè)螺旋槳61各自的傾轉(zhuǎn)同步進(jìn)行；所述主機(jī)翼前后側(cè)的螺旋槳61采用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)或者采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。下面根據(jù)附圖進(jìn)行具體介紹。
[0027]根據(jù)圖1、圖2所示，采用本發(fā)明的垂直起降飛行器采用常規(guī)式氣動(dòng)布局:包含機(jī)身1，主機(jī)翼2，平尾3，垂尾4，前起落架7，主起落架8以及各個(gè)舵面等。其中在兩邊主機(jī)翼2上分別安裝有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙5，在發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙的前后分別裝有一套動(dòng)力系統(tǒng)6，該動(dòng)力系統(tǒng)包括螺旋槳61和發(fā)動(dòng)機(jī)62，總共4套動(dòng)力系統(tǒng)為飛機(jī)提供垂直起降，懸停和水平飛行時(shí)的動(dòng)力。
[0028]如圖3、圖4所示，本發(fā)明中，發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙5內(nèi)部設(shè)置有連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)的舵盤51，驅(qū)動(dòng)連桿52以及發(fā)動(dòng)機(jī)的從動(dòng)舵盤53，驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)的舵盤51以及發(fā)動(dòng)機(jī)的從動(dòng)舵盤53與驅(qū)動(dòng)連桿52相連。其中驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)的舵盤51與發(fā)動(dòng)機(jī)的從動(dòng)舵盤53的直徑相同，且相互平行，靜止時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙5軸線保持45度夾角，從而保證轉(zhuǎn)換過(guò)程中前后發(fā)動(dòng)機(jī)角度同步變化。當(dāng)飛機(jī)平飛時(shí)，四個(gè)螺旋槳61平面都處于與地面接近于垂直狀態(tài)，為飛機(jī)提供向前的動(dòng)力。當(dāng)飛機(jī)垂直起降和懸停時(shí)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙5內(nèi)部的連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動(dòng)，主機(jī)翼前部的兩個(gè)螺旋槳向上傾轉(zhuǎn)，主機(jī)翼后部的兩個(gè)螺旋槳向下傾轉(zhuǎn)，從而四個(gè)螺旋槳都能為飛機(jī)提供向上的升力；而四個(gè)螺旋槳的自旋方向和控制方法類似于X型的四軸飛行器，可以為飛機(jī)在垂直起降和懸停過(guò)程中提供穩(wěn)定的姿態(tài)控制。飛行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，四個(gè)螺旋槳平面會(huì)保持同步傾轉(zhuǎn)，不但可以抵消傾轉(zhuǎn)產(chǎn)生的飛機(jī)俯仰方向上的不平衡扭矩，而且仍然可以在豎直方向上提供四軸的控制方式，保證飛機(jī)平穩(wěn)；螺旋槳平面傾轉(zhuǎn)過(guò)程將結(jié)合飛機(jī)上的姿態(tài)和空速傳感器進(jìn)行控制，從而保證其轉(zhuǎn)化飛行模式過(guò)程中平穩(wěn)且不失速。飛行模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程往往是垂直起降飛機(jī)最危險(xiǎn)的時(shí)候，本發(fā)明通過(guò)合理巧妙的設(shè)計(jì)大大提高了這一過(guò)程的可控性和安全性。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括提供動(dòng)力的螺旋槳(61)，所述螺旋槳(61)布置于飛機(jī)兩側(cè)主機(jī)翼(2)的前后側(cè)，位于主機(jī)翼(2)前側(cè)的螺旋槳(61)可向上傾轉(zhuǎn)，位于主機(jī)翼(2 )后側(cè)的螺旋槳(61)可向下傾轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述主機(jī)翼(2)前側(cè)的螺旋槳(61)采用正裝，為飛機(jī)提供拉力以及升力，主機(jī)翼(2)后側(cè)的螺旋槳(61)采用反裝，為飛機(jī)提供推力以及升力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述主機(jī)翼(2 )前后側(cè)螺旋槳(61)各自的傾轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于:兩側(cè)主機(jī)翼(2)上分別設(shè)置有相同數(shù)量的若干對(duì)螺旋槳(61)，每對(duì)螺旋槳(61)由一個(gè)布置于對(duì)應(yīng)主機(jī)翼前側(cè)的螺旋槳(61)和一個(gè)布置于對(duì)應(yīng)主機(jī)翼后側(cè)的螺旋槳(61)構(gòu)成,一對(duì)螺旋槳(61)采用對(duì)應(yīng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)或者采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述主機(jī)翼(2)上設(shè)置有發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙(5),發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙(5)的前后端分別向主機(jī)翼(2)前后側(cè)對(duì)應(yīng)伸出，發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙(5)的前后端分別裝有一套動(dòng)力系統(tǒng)(6),動(dòng)力系統(tǒng)(6)包括螺旋槳(61)以及驅(qū)動(dòng)螺旋槳的發(fā)動(dòng)機(jī)(62)，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)掛艙相連。
6.一種如權(quán)利要求1所述適用于垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于:包括以下步驟: 當(dāng)飛機(jī)平飛時(shí)，螺旋槳(61)平面處于與地面接近于垂直的狀態(tài)，為飛機(jī)提供向前的動(dòng)力；當(dāng)飛機(jī)垂直起降和懸停時(shí)，同步驅(qū)動(dòng)主機(jī)翼(2)前側(cè)以及后側(cè)的螺旋槳(61)傾轉(zhuǎn)，其中主機(jī)翼(2)前側(cè)的螺旋槳(61)向上傾轉(zhuǎn)，主機(jī)翼(2)后側(cè)的螺旋槳(61)向下傾轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】B64D27/02GK103738496SQ201310722455
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】張旭超, 于德弘, 秦科科, 汪翔宇, 楊壯滔, 任超 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)