无尾桨倾转翼高速无人直升机

1.本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无尾桨倾转翼高速无人直升机。


背景技术：

2.直升机是20世纪航空领域的一大创新性成果，因为其具有机动性较高、小面积场地垂直起降的优势，大大拓宽了飞行器的应用场景，可以同时运用在军事领域和民生领域；尤其在中高空悬停、低空低速飞行和灵活转弯等领域，直升机有其突出的优势。
3.但是，为提供直升机的前飞推力，直升机螺旋桨在前飞过程中呈前倾状，这一姿势增大了桨叶的迎风面积，导致桨盘升力下降、阻力激增。同时，在前飞时由于螺旋桨高速旋转导致左右两侧气动环境不同，在桨叶前端产生较大激波阻力，桨叶后端产生气流分离，两种效果的叠加使其升力和推力均受到限制。
4.常规构型直升机具有的飞行速度低、航程短的劣势，反而成为了进一步提升直升机前飞性能提升的阻碍。
5.针对直升机飞行速度的提升，目前有以下几种解决方案：
6.一、采用共轴刚性旋翼直升机，其优势在于飞行速度较快、机动灵活，但有效载荷低，不利于直升机运输等活动开展；
7.二、采用常规旋翼构型复合式直升机，保留了直升机原有的旋翼系统，在直升机两侧机身安装机翼，并在机翼上添加动力推进装置。该种形式的直升机飞行速度较快、同时保留了常规构型直升机垂直起降的优点，但是其改动较小，在气动性能上的突破具有局限性。
8.三、倾转旋翼机，在平飞阶段，倾转旋翼机两侧机翼及其上发动机可向前倾转90
°
角，呈水平状态，旋翼朝向飞行方向，当作拉力螺旋桨使用时，旋翼机的飞行方式类似于机翼飞机，可以以较高的速度作远程飞行。


技术实现要素：

9.针对常规旋翼构型复合式机翼在悬停状态下会产生较大的下洗载荷的问题，本发明提出了一种无尾桨倾转翼高速无人直升机，通过在传统无人机上安装倾转机构，同时除去尾桨；并提供两种去尾桨、抵消主旋翼反扭距的方案，实现高速飞行的目的。
10.所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，包括带有倾转机构的机身主体，起落架，主螺旋桨和可倾转机翼；
11.在机身主体上方安装对称的主螺旋桨，机身主体下方安装起落架，机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；
12.所述倾转机构包括两套对称的舵机、锥齿轮和碳管，以及将两侧碳管连接在一起的套筒；
13.轴承座将碳管固定在机身主体上，同时舵机位于轴承座与机身主体之间，也固定在机身主体上，舵机上安装第一锥齿轮，第一锥齿轮位于碳管下方，同时在该处的碳管上，同时安有第二锥齿轮，两个锥齿轮配合，通过齿轮传动带动碳管旋转；两侧碳管之间通过穿
过机身主体的套筒连接在一起；
14.在两侧碳管外部，分别固定可倾转机翼，可倾转机翼绕碳管进旋转；所述可倾转机翼上安有小螺旋桨及电机；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的可倾转机翼同步转动，从而实现可倾转转翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧可倾转机翼的差速运动；
15.所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，设计尾翼部分去除尾桨，也能抵消主螺旋桨产生的反扭距；在该设计下，实现垂直起飞与平飞两个阶段中飞行的航向锁定和控制；也可以在平飞阶段，通过改变机翼两侧小螺旋桨的转速和推力，从而实现高速飞行。
16.具体为：
17.1)垂直起飞过程中，通过倾转机构带动两侧可倾转机翼的舵机差速运动，保持两侧倾转机翼一个向前倾转，一个向后倾转，其受到水平方向作用力产生了合力矩，利用合力矩抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；
18.垂直起飞过程中，主旋翼转动产生的下洗气流对两侧倾转机翼施加作用力fn，该作用力产生的水平分量为f
n1
＝fn·
cosθ.θ为倾转机翼倾转的角度；两侧倾转机翼的倾转方向相反。
19.设主旋翼产生的扭矩为m
总
，则两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2fnl
·
cosθ，l为下洗气流产生的合力位置到两侧倾转机翼的中心距离，当m＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
20.当主螺旋桨产生的反扭距m
总
大于合扭矩m，则启动两侧倾转机翼上的电机，带动小螺旋桨转动产生推力，其水平分量f
n2
，两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2(fn·
cosθ+f
n2
)
·
l，增大该合扭矩从而增强抵消反扭距的效果。
21.2)平飞过程中，通过两侧倾转机翼上的电机差速运动，使得两侧小螺旋桨转速不同产生推力差，从而抵消主螺旋桨转动产生的反扭距；
22.具体原理如下：
23.两侧小螺旋桨产生的推力分别为f1和f2，则平飞过程中，两侧推力差为f
1-f2(f1＞f2)，两侧螺旋桨与中心位置距离为l'，此时两侧电机差速运动产生的合扭矩为m'＝(f
1-f2)
·
l'，当m'＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
24.本发明的优点在于：
25.(1)无尾桨倾转翼高速无人直升机，通过可倾斜机翼的电机提供平飞动力，减少阻力造成的无意义损耗，在提高无人机效率的同时显著提高飞行速度。
26.(2)无尾桨倾转翼高速无人直升机，平飞过程中主螺旋桨和可倾斜机翼都可以为无人机提供升力，可以提高无人机最大载重，可应用于高负重应用场景。
27.(3)无尾桨倾转翼高速无人直升机，采用两种方式抵消了主螺旋桨转动产生的下洗气流的扭矩，从而去除尾桨，可以精简无人机结构，使本无人机结构较为紧凑，重心处于平衡位置。
28.(4)无尾桨倾转翼高速无人直升机，由于平飞阻力降低，同时主螺旋桨转速无需过高，因此可以提高无人机续航。
附图说明
29.图1为本发明所述无尾桨倾转翼高速无人直升机的三视图；
30.图2为本发明所述倾转机构的局部放大图；
31.图3为本发明可倾转机翼处于水平姿态及其去尾桨方案的示意图；
32.图4为本发明可倾转机翼处于垂直姿态及其去尾桨方案的示意图；
33.图5为本发明可倾转机翼处于垂直姿态的机翼剖面图；
34.图6为本发明所述无尾桨倾转翼高速无人直升机完整飞行过程的示意图；
35.图中：1-可倾转机翼；2-主螺旋桨；3-小螺旋桨级电机；4-尾翼；5-倾转机构；6-套筒；7-第一锥齿轮；8-舵机；9-碳管；10-轴承座；
具体实施方式
36.下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
37.为了改进常规旋翼构型复合式机翼在悬停状态下产生较大的下洗载荷这个缺点，本发明考虑采用倾旋翼与常规复合式结合，倾旋翼可以减少对于下洗流的影响，常规复合式又可以提供长时间的悬停和高机动性、高速度。另外，本发明采用无尾桨设计，在研究国内外利用康达效应或副翼、尾翼差动的基础上，同时创新性地提出了悬停时机翼差动的新思路。
38.所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，通过在传统构型无人机上安装倾转机构同时除去尾桨以组成基本结构，并提供两种去尾桨、抵消主旋翼反扭距的方案；
39.如图1所示，包括带有倾转机构5的机身主体，起落架，主螺旋桨2和可倾转机翼1；
40.在机身主体上方安装对称的主螺旋桨2，机身主体下方安装起落架，机身主体通过倾转机构5在两侧对称安装可倾转机翼1；并分散受力保证结构的可靠性。
41.如图2所示，所述倾转机构5包括两套对称的舵机8、第一锥齿轮7和碳管9，以及将两侧碳管9连接在一起的套筒6；
42.轴承座10将碳管9固定在机身主体上，同时舵机8位于轴承座10与机身主体之间，也固定在机身主体上，舵机8上安装第一锥齿轮7，第一锥齿轮7位于碳管9下方，同时在该处的碳管9上，垂直安装第二锥齿轮，两个呈90
°
夹角的锥齿轮配合，通过齿轮传动带动碳管9旋转；两侧碳管9之间通过穿过机身主体的套筒6连接在一起；
43.在两侧碳管9外部，分别对称固定可倾转机翼1，可倾转机翼1绕碳管9进行旋转；所述可倾转机翼1上安有小螺旋桨及电机3；正常停飞状态，可倾转机翼1垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过控制舵机8的转动速度与角度提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管9的可倾转机翼1同步转动，从而实现可倾转机翼1从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机8输出的舵量不同时，可以实现两侧可倾转机翼1的差速运动，保证发明下一步运动设计的可行性；
44.所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，设计尾翼4部分去除尾桨，也能抵消主螺旋桨2产生的反扭距；在该设计下，实现垂直起飞与平飞两个阶段中飞行的航向锁定和控制；也可以在平飞阶段，通过改变机翼两侧小螺旋桨的转速和推力，从而实现高速飞行。同时，可以降低平飞过程中主螺旋桨的转速，在高速旋转的同时兼顾高续航，由机翼产生的升力也可以为该无人机提供较高载重。
45.具体为：
46.1)垂直起飞过程中，无人机倾转翼在竖直范围内差动，如图4所示，通过倾转机构带动两侧可倾转机翼的舵机差速运动，保持两侧倾转机翼一个向前倾转，一个向后倾转，其受到水平方向作用力产生了合力矩，利用合力矩抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；
47.如图5所示，垂直起飞过程中，主旋翼转动产生的下洗气流对两侧倾转机翼施加作用力fn，该作用力产生的水平分量为f
n1
＝fn·
cosθ.θ为倾转机翼倾转的角度；两侧倾转机翼的倾转方向相反。
48.假设主旋翼下洗气流对可倾转机翼施加的力处处均匀，设主旋翼产生的扭矩为m
总
，则两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2fnl
·
cosθ，l为下洗气流产生的合力位置到两侧倾转机翼的中心距离，当m＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
49.当主螺旋桨产生的反扭距m
总
大于合扭矩m，则启动两侧倾转机翼上的电机，带动小螺旋桨转动产生推力，其水平分量f
n2
，两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2(fn·
cosθ+f
n2
)
·
l，增大该合扭矩从而增强抵消反扭距的效果。
50.2)平飞过程中，如图3所示，无人机的倾转机翼保持水平姿态，此时由于尾翼4位置去除了尾桨，则由主螺旋桨转动产生的反扭距由两侧电机带动小螺旋桨差速转动，使两边转速不同产生推力差从而抵消。
51.具体原理如下：
52.两侧小螺旋桨产生的推力分别为f1和f2，则平飞过程中，两侧推力差为f
1-f2(f1＞f2)，两侧螺旋桨与中心位置距离为l'，此时两侧电机差速运动产生的合扭矩为m'＝(f
1-f2)
·
l'，当m'＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。
53.如图6所示，本发明所述无尾桨倾转翼高速无人直升机的飞行过程如下：
54.步骤s1：主螺旋桨启动，无人机准备起飞，可倾转机翼保持垂直状态；
55.步骤s2：无人机起飞，同时可倾转机翼开始差动，锁定航向；
56.步骤s3：达到预设高度后，由倾转机构控制可倾转机翼转动至水平，进入平飞状态；
57.步骤s4：平飞过程中，通过可倾转机翼两侧的电机差速转动，锁定航向；
58.步骤s5：可倾转机翼两侧的电机加速转动，无人机进入高速平飞状态；
59.步骤s6：反演s3、s2步骤，可倾转机翼两侧的电机减速，无人机降落。
60.步骤s7：倾转机构控制可倾转机翼开始差动，锁定航向实现降落。
61.传统直升机前飞加速的方式主要是通过增大主旋翼对地倾角，从而增加向前的分力以加速运动。本发明可以在平飞阶段控制主螺旋桨对地的倾角较小，且只需提供与无人机重力平衡的方向力，前飞的水平方向力由可倾转机翼上的小螺旋桨提供。由于机翼上可提供的前向推力大于传统直升机主螺旋桨倾斜产生的前向分力，且主螺旋桨迎风面小，阻力更小，综合这两点优势可以使无人机平飞速度得到显著提升，实现高速飞行。本发明具有去尾桨、高速、高载重、高续航、低平飞阻力等优势，有利于该种无人机在长航时、高航速、载有负重等任务场景中投入使用。

技术特征：
1.无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，包括带有倾转机构的机身主体，起落架，主螺旋桨和可倾转机翼；机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；所述倾转机构包括两套对称的舵机、锥齿轮和碳管，以及将两侧碳管连接在一起的套筒；轴承座将碳管固定在机身主体上，同时舵机位于轴承座与机身主体之间，也固定在机身主体上，舵机上安装第一锥齿轮，第一锥齿轮位于碳管下方，同时在该处的碳管上，垂直安有第二锥齿轮，两个锥齿轮配合，通过齿轮传动带动碳管旋转；两侧碳管之间通过穿过机身主体的套筒连接在一起；在两侧碳管外部，分别固定可倾转机翼，可倾转机翼绕碳管进旋转；所述可倾转机翼上安有小螺旋桨及电机；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的可倾转机翼同步转动，从而实现可倾转转翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧可倾转机翼的差速运动；所述无尾桨倾转翼高速无人直升机，设计尾翼部分去除尾桨，也能抵消主螺旋桨产生的反扭距；在该设计下，实现垂直起飞与平飞两个阶段中飞行的航向锁定和控制；也可以在平飞阶段，通过改变机翼两侧小螺旋桨的转速和推力，从而实现高速飞行。2.如权利要求1所述的无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，所述去除尾桨后，垂直起飞过程中，通过两侧可倾转机翼的舵机差速运动，使主螺旋桨的下洗气流对两侧机翼产生水平方向大小不同的力从而抵消反扭距；保持两侧倾转机翼一个向前倾转，一个向后倾转，其受到水平方向作用力产生了合力矩，利用合力矩抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；具体为：垂直起飞过程中，主旋翼转动产生的下洗气流对两侧倾转机翼施加作用力f
n
，该作用力产生的水平分量为f
n1
＝f
n
·
cosθ.θ为倾转机翼倾转的角度；两侧倾转机翼的倾转方向相反；设主旋翼产生的扭矩为m
总
，则两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2f
n
l
·
cosθ，l为下洗气流产生的合力位置到两侧倾转机翼的中心距离，当m＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。3.如权利要求2所述的无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，当所述主螺旋桨产生的反扭距m
总
大于合扭矩m，则启动两侧倾转机翼上的电机，带动小螺旋桨转动产生推力，其水平分量f
n2
，两侧可倾转机翼产生的合扭矩为m＝2(f
n
·
cosθ+f
n2
)
·
l，增大该合扭矩从而增强抵消反扭距的效果。4.如权利要求1所述的无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，所述去除尾桨后，平飞过程中，通过两侧倾转机翼上的电机差速运动，使得两侧小螺旋桨转速不同产生推力差，从而抵消主螺旋桨转动产生的反扭距；具体原理如下：两侧小螺旋桨产生的推力分别为f1和f2，则平飞过程中，两侧推力差为f
1-f2(f1＞f2)，两侧螺旋桨与中心位置距离为l'，此时两侧电机差速运动产生的合扭矩为m'＝(f
1-f2)
·
l'，当m'＝m
总
时，即可抵消主旋翼转动产生的反扭距。5.如权利要求1所述的无尾桨倾转翼高速无人直升机，其特征在于，所述无人直升机在
平飞阶段通过控制主螺旋桨的对地倾角，只需提供与无人机重力平衡的方向力，机翼上的小螺旋桨提供前飞的水平方向力，当机翼上提供的前向推力大于主螺旋桨倾斜产生的前向分力，提升无人机的平飞速度，实现高速飞行。

技术总结
本发明提出了无尾桨倾转翼高速无人直升机，属于无人机领域；包括带有倾转机构的机身主体，主螺旋桨和可倾转机翼；机身主体通过倾转机构在两侧对称安装可倾转机翼；正常停飞状态，可倾转机翼垂直于地面；当无人机垂直起飞后，通过倾转机构的舵机提供扭力，两个锥齿轮传递扭力并改变运动方向，控制固定在碳管的机翼同步转动，从而实现可机翼从垂直地面状态转动到平行地面状态：当两侧舵机输出的舵量不同时，可以实现两侧机翼的差速运动；同时，通过去尾桨，实现垂直起飞和平飞过程中，分别由可倾转机翼的差动和倾转机翼螺旋桨的差速转动抵消主螺旋桨的下洗气流产生的反扭距；本发明具有去尾桨、高速、高载重、高续航、低平飞阻力等优势。优势。优势。


技术研发人员：梁嘉轩 王松 郭尔健 尹思源 李德浩 姜雨菲 赵一鸣
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/27