本發(fā)明屬于飛行器，具體涉及了螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、常見的垂直起降固定翼飛行器分為復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)式和尾座式三大類。

2、其中，復(fù)合翼垂直起降固定翼飛行器大多直接在固定翼的基礎(chǔ)上加裝多旋翼或升力螺旋槳，在垂直起降階段由多旋翼或螺旋槳系統(tǒng)提供升力，在平飛階段則換回固定翼模式。雖然技術(shù)成熟度較高，但是在垂直起降或巡航平飛時(shí)，其垂直、水平兩套升力/推力裝置之一需要停止工作，完全成為廢重，致使全機(jī)質(zhì)量效率較低。同時(shí)，在過渡階段垂直起降動(dòng)力依舊存在，因此動(dòng)力尾流會(huì)對機(jī)翼、平尾等部件產(chǎn)生氣動(dòng)干擾，影響操縱和控制。

3、傾轉(zhuǎn)式垂直起降固定翼飛行器是指無人機(jī)在垂直起降和平飛過程中按需求對動(dòng)力部件進(jìn)行向上或向前的傾轉(zhuǎn)。但是，由于傾轉(zhuǎn)旋翼既要作為垂直起降時(shí)的直升旋翼使用，又要作為固定翼拉力/推進(jìn)螺旋槳使用，而垂直起降和巡航兩種模態(tài)工作環(huán)境差異顯著，帶來了旋翼系統(tǒng)兼顧垂直起降、過渡、前飛多模態(tài)綜合效能的諸多問題，且面臨著嚴(yán)重的旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)干擾問題，操控性差，安全性低。

4、尾座式垂直起降固定翼飛行器采用無人機(jī)整體轉(zhuǎn)動(dòng)90°的模態(tài)轉(zhuǎn)換方式，垂直起降方案不需要額外的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，但其在垂直起降時(shí)重心偏高，容易受側(cè)風(fēng)和地形的影響，有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，安全性差。

5、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的垂直起降固定翼飛行器的三種設(shè)計(jì)方式各有優(yōu)劣，在飛行器垂直起降狀態(tài)、平飛模式或兩者轉(zhuǎn)換的過渡狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力裝置均存在一定的問題，導(dǎo)致氣流會(huì)對飛行器產(chǎn)生干擾，需要一種可以兼顧結(jié)構(gòu)簡潔、氣流干擾程度低的飛行器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明提供了螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器及其控制方法，以解決在飛行器垂直起降效率低，垂直起、降姿態(tài)轉(zhuǎn)平飛姿態(tài)時(shí)，機(jī)翼上氣流易干擾分離的問題。

2、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，包括機(jī)身、對稱分布于機(jī)身兩側(cè)的機(jī)翼、操控系統(tǒng)以及動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置包括多個(gè)垂起螺旋槳和多個(gè)前拉螺旋槳，各個(gè)垂起螺旋槳以飛行器重心為中心對稱設(shè)置在機(jī)身和/或機(jī)翼上，各前拉螺旋槳安裝在機(jī)翼前方，前拉螺旋槳的槳盤中心線與機(jī)翼翼弦成夾角α的迎角，操控系統(tǒng)用于控制飛行器各舵面舵量和螺旋槳轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。

3、本發(fā)明中，前拉螺旋槳盤吹出的高速氣流以迎角α流向機(jī)翼，與機(jī)翼產(chǎn)生氣動(dòng)耦合效應(yīng)，對飛行器產(chǎn)生向前和向上的拉力，飛行器需垂直起降或懸停時(shí)，操控系統(tǒng)控制垂起螺旋槳和前拉螺旋槳同時(shí)工作，通過操控各螺旋槳轉(zhuǎn)速差使機(jī)身抬頭向后傾轉(zhuǎn)θ角度，使飛行器所受各向力平衡實(shí)現(xiàn)懸停，使飛行器所受合力向上即實(shí)現(xiàn)垂直起飛，使飛行器所受合力向下即實(shí)現(xiàn)垂直降落。

4、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

5、本方案中，飛行器在垂直起降或懸停時(shí)，通過垂起螺旋槳和前拉螺旋槳相互配合同時(shí)工作，機(jī)身抬頭向后傾轉(zhuǎn)θ角度后，前拉螺旋槳產(chǎn)生向上的分力，同時(shí)，前拉螺旋槳盤吹出的高速氣流流過機(jī)翼及機(jī)翼下放的襟翼和副翼時(shí)產(chǎn)生較大氣動(dòng)耦合增升作用，進(jìn)而可大幅減少垂起螺旋槳?jiǎng)恿ε渲?。相比傳統(tǒng)的復(fù)合翼垂直起降固定翼飛行器，本方案可以減少一半以上的垂起螺旋槳?jiǎng)恿ε渲?。另外，相比傳統(tǒng)的傾轉(zhuǎn)翼垂直起降固定翼飛行器，不需要復(fù)雜的動(dòng)力傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。本方案的飛行器結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，具有功率載荷大、可靠性高、重量輕、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

6、另外，本方案中，無論飛行器處于何種飛行模式(垂直起降狀態(tài)、平飛模式或兩者轉(zhuǎn)換的過渡狀態(tài))時(shí)，均有前拉螺旋槳裝置的高速氣流吹向機(jī)翼，使得飛行器在過渡狀態(tài)的氣流干擾分離少，可以更加絲滑的過渡，并具有更好的抗風(fēng)性能，能在超低空、峽谷等復(fù)雜地形及復(fù)雜氣流環(huán)境下安全可靠飛行。

7、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明還采用了如下的技術(shù)方案：

8、螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，包括垂直起飛模式、垂直降落模式及懸停模式控制，控制方法如下：

9、垂起螺旋槳和前拉螺旋槳同時(shí)處于工作狀態(tài)；

10、控制機(jī)身重心位置前側(cè)的垂起螺旋槳的轉(zhuǎn)速大于位于機(jī)身重心位置后側(cè)的垂起螺旋槳轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速，機(jī)身處于抬頭向后傾斜的姿態(tài)，形成傾轉(zhuǎn)角θ；

11、可將前拉螺旋槳的槳盤中心線與機(jī)翼翼弦夾角α的角度調(diào)整到較大值以增加升力；

12、懸停模式控制：保持前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在水平方向上的分力處于平衡狀態(tài)，以及前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在垂直方向上的分力之和與飛行器重力g平衡，即滿足下列控制算法方程：

13、f1cosθ≈f2sinθ+f3sinθ

14、f1sinθ+f2cosθ+f3cosθ≈g

15、垂直起飛模式控制：增大前拉螺旋槳及垂起螺旋槳的轉(zhuǎn)速，保持前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在水平方向上的分力處于平衡狀態(tài)，保持前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在垂直方向上的分力之和大于飛行器重力g，使飛行器所受合力垂直向上，即滿足下列控制算法方程：

16、f1cosθ≈f2sinθ+f3sinθ

17、f1sinθ+f2cosθ+f3cosθ＞g

18、垂直降落模式：降低前拉螺旋槳及垂起螺旋槳的轉(zhuǎn)速，保持前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在水平方向上的分力處于平衡狀態(tài)，保持前拉螺旋槳拉力f1、機(jī)翼升力f3、垂起螺旋槳拉力f2在垂直方向上的分力之和小于飛行器重力g，使飛行器所受合力垂直向下，即滿足下列控制算法方程：

19、f1cosθ≈f2sinθ+f3sinθ

20、f1sinθ+f2cosθ+f3cosθ<g。

21、當(dāng)飛行器處于垂直起飛模式、垂直降落模式以及懸停模式時(shí)，操控系統(tǒng)控制垂起螺旋槳和前拉螺旋槳同時(shí)工作，垂起螺旋槳產(chǎn)生向上的拉力，前拉螺旋槳產(chǎn)生向前的拉力，前拉螺旋槳盤吹出的高速氣流流過機(jī)翼及機(jī)翼下放的襟翼和副翼時(shí)產(chǎn)生增升和阻力作用，操控系統(tǒng)調(diào)整機(jī)身前部的垂起螺旋槳轉(zhuǎn)速高于機(jī)身后部的垂起螺旋槳，使機(jī)身抬頭向后傾轉(zhuǎn)θ角度，同時(shí)通過操控系統(tǒng)調(diào)整其它各螺旋槳轉(zhuǎn)速使飛行器所受各向力平衡，進(jìn)而使飛行器實(shí)現(xiàn)懸停。

22、加大油門或電門，通過操控系統(tǒng)調(diào)整各螺旋槳轉(zhuǎn)速使飛行器所受合力垂直向上，使飛行器實(shí)現(xiàn)垂直起飛；減少油門或電門，通過操控系統(tǒng)調(diào)整各螺旋槳轉(zhuǎn)速使飛行器所受合力垂直向下，使飛行器實(shí)現(xiàn)垂直降落。

23、當(dāng)飛行器需過渡到平飛模式時(shí)，逐漸控制機(jī)身前、后的垂起螺旋槳轉(zhuǎn)速趨同，使機(jī)身逐漸恢復(fù)至水平姿態(tài)，同時(shí)逐漸收起襟翼，通過操控系統(tǒng)調(diào)整其它各螺旋槳轉(zhuǎn)速使飛行器受向前的合力，拉動(dòng)飛行器向前加速飛行，直至加速至轉(zhuǎn)換速度后關(guān)閉垂起螺旋槳，飛行器進(jìn)入平飛模式。同時(shí)，可將前拉螺旋槳的槳盤中心線與機(jī)翼翼弦夾角α的角度調(diào)整到較小值以減少阻力。

技術(shù)特征：

1.螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，包括機(jī)身、對稱分布于機(jī)身兩側(cè)的機(jī)翼、操控系統(tǒng)以及動(dòng)力裝置，其特征在于：動(dòng)力裝置包括多個(gè)垂起螺旋槳和多個(gè)前拉螺旋槳，各個(gè)垂起螺旋槳以飛行器重心為中心對稱設(shè)置在機(jī)身和/或機(jī)翼上，各前拉螺旋槳安裝在機(jī)翼前方，前拉螺旋槳的槳盤中心線與機(jī)翼翼弦成夾角α的迎角，操控系統(tǒng)用于控制飛行器各舵面舵量和螺旋槳轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述夾角α的角度為0°～20°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述垂起螺旋槳為垂起普通螺旋槳或垂起涵道螺旋槳。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述前拉螺旋槳為前拉普通螺旋槳或前拉涵道螺旋槳。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述前拉螺旋槳安裝在機(jī)翼前緣的前下方。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述前拉螺旋槳與機(jī)翼采用固定連接、轉(zhuǎn)動(dòng)連接或鉸接中任意一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述機(jī)翼包括機(jī)翼本體以及活動(dòng)連接在機(jī)翼本體上的襟翼、副翼。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器，其特征在于：所述襟翼包括前緣襟翼、前緣縫翼、后緣襟翼任意一種或組合。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，其特征在于：包括垂直起飛模式、垂直降落模式及懸停模式控制，控制方法如下：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，其特征在于：還包括平飛過渡模式控制，所述平飛過渡模式控制方式如下：

11.根據(jù)權(quán)利要求9的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，其特征在于：所述傾轉(zhuǎn)角θ角度小于45°。

12.根據(jù)權(quán)利要求10的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，其特征在于：所述傾轉(zhuǎn)角θ角度為10°～30°。

13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器的控制方法，其特征在于：還包括所述飛行器的俯仰、前后平移、左右平移、滾轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)控制，調(diào)整前、后垂起螺旋槳的轉(zhuǎn)速差使飛行器實(shí)現(xiàn)俯仰機(jī)動(dòng)、前后平移機(jī)動(dòng)；調(diào)整左右副翼偏轉(zhuǎn)角度差實(shí)現(xiàn)左右平移機(jī)動(dòng)；調(diào)整左右前拉螺旋槳轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)飛行器滾轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種螺旋槳吹翼增升式傾轉(zhuǎn)復(fù)合翼飛行器及控制方法，其中飛行器包括機(jī)身、對稱分布于機(jī)身兩側(cè)的機(jī)翼、操控系統(tǒng)以及動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置包括多個(gè)垂起螺旋槳和多個(gè)前拉螺旋槳，各個(gè)垂起螺旋槳以飛行器重心為中心對稱設(shè)置在機(jī)身和/或機(jī)翼上，各前拉螺旋槳安裝在機(jī)翼前方，前拉螺旋槳的槳盤中心線與機(jī)翼翼弦成夾角α的迎角，操控系統(tǒng)用于控制飛行器各舵面舵量和螺旋槳轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向?？刂品椒òù怪逼痫w模式、垂直降落模式及懸停模式控制，調(diào)整各螺旋槳轉(zhuǎn)速使機(jī)身向后傾轉(zhuǎn)θ抬頭，使飛行器所受各向力平衡實(shí)現(xiàn)懸停，合力垂直向上或下實(shí)現(xiàn)垂直起飛或降落。本飛行器結(jié)構(gòu)緊湊，垂轉(zhuǎn)平順暢，安全可靠。

技術(shù)研發(fā)人員：田貴川,張振,曾憲鵬,祝明,劉東方,郭虓,蒲葦,陳順杰,馬浩然,江國輝,官平,劉倩,吳靚,金龍,張小俊,耿長盈,肖維,周明,郭爾奇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍第六九O五工廠
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19