新型多功能倾转涵道无人机

新型多功能倾转涵道无人机

简介：

该作品是在对现有无人机进行深入研究的基础上，针对其自身存在的一些不足，并且面向我国舰载无人机的发展现状和要求，以及无人机在城市、山地、森林等复杂环境下使用的要求，基于全新理念研发的一款新型无人机，兼具无人直升机和固定翼无人机的优点，既有效解决了现有涵道无人机飞行速度慢，控制复杂等不足，又克服了传统无人直升机飞行控制耦合严重、旋翼桨叶外露导致安全性差以及噪音大等一系列问题，具有广阔应用前景。

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详细介绍：

该作品是在对现有无人机进行深入研究的基础上，针对其自身存在的一些不足，并且面向我国舰载无人机的发展现状和要求，以及无人机在城市、山地、森林等复杂环境下使用的要求，基于全新理念研发的一款新型无人机。 该无人机既有以下特点： 1、采用无尾、翼身融合布局，使得该无人机具有优良的气动性能； 2、采用可倾转中央涵道设计，使该无人机既具备垂直\短距起降和悬停性能，又能实现高、低速前飞和向后倒退飞行，兼具无人直升机和固定翼无人机的优点，该无人机还具有优良的空中减速性能； 3、采用三涵道姿态控制设计，每个涵道的动力面和控制面完全独立，克服了传统无人直升机飞行控制耦合严重的问题，有效保障了飞控系统的可靠性和稳定性； 4、可靠的涵道倾转机构设计，保证了涵道倾转的稳定性和精确性； 5、采用模块化结构设计，将整机分为七大模块，安装和拆解方便快捷，大大减少了飞机所占的空间，便于运输； 6、采用涵道旋翼设计，全部桨叶内置在涵道中，提高了复杂环境下飞行的安全性。

该无人机的控制原理如下： 1、通过调节三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速来改变三个姿态操控涵道产生的拉力大小，形成纵向控制力矩来控制该无人机的纵向姿态。 2、当该无人机处于垂直起降和悬停状态时，通过调节上、下主旋翼的转速，产生偏转力矩来控制该无人机的航向姿态；当该无人机处于前飞状态时，通过方向舵来控制该无人机的航向姿态。 3、通过反向调节机翼翼尖部位两个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速使两个姿态操控涵道产生的反向的拉力，从而控制该无人机的横向滚转姿态。

 该无人机的五种典型工作状态的描述如下： 1、垂直起降。中央涵道内两个主旋翼等速反转，产生竖直向上的拉力平衡飞机的重量，同时通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速，产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩。此时飞机为直升机飞行模式。 2、空中悬停。通过控制中央涵道内两个主旋翼的桨距和转速使其产生的升力刚好能平衡飞机的重量，从而使飞机处于悬停状态，同时通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速，产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩，保证飞机悬停状态的稳定性；通过调节上、下主旋翼的桨距和转速，产生偏转力矩，使飞机原地旋转，实现航向控制。此时飞机为直升机飞行模式。 3、低速前飞。通过操控涵道倾转机构使中央涵道向前逐渐倾转到一定角度，同时控制两个主旋翼的桨距和转速使其既能平衡飞机的部分重量，又能产生一定的推力并以最佳的推进效率来推动飞机低速飞行，通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速，产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩，保证飞行的稳定性，此时飞机处于由直升机模式向固定翼飞机模式过渡的飞行模式。 4、高速前飞。此时飞机已达到一定速度，机翼产生的升力已能够平衡飞机的重量，通过操控涵道倾转机构使中央涵道向前逐渐倾转到90°，同时控制两个主旋翼的桨距和转速使其以最佳的推进效率来推动飞机高速飞行，通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速，产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩，保证飞行的稳定性。此时飞机完成由直升机模式向固定翼飞机模式的过渡，为固定翼飞机飞行模式。 5、空中减速或向后倒退飞行。通过操控涵道倾转机构使中央涵道向后逐渐倾转到一定角度，同时控制两个主旋翼的桨距和转速使其既能平衡飞机的部分重量，又能产生一定的反推力并以最佳的推进效率来降低飞机的飞行速度或推动飞机向后倒退飞行，通过控制三个姿态操控涵道内副旋翼的桨距和转速，产生飞机所需要的纵向配平力矩和滚转配平力矩，保证飞行的稳定性，此时飞机处于由固定翼飞机模式向直升机模式过渡的飞行模式。 该无人机既有效解决了现有涵道无人机飞行速度慢，控制复杂等不足，又克服了传统无人直升机飞行控制耦合严重、旋翼桨叶外露导致安全性差以及噪音大等一系列问题，可作为舰载无人机，用于军情侦察、反恐和反潜扫雷等；也可在城市、山区、森林等复杂环境下进行火灾汛情监测、森林巡查、输油管道监察、核泄漏探测、指挥交通、追捕逃犯、空中摄影和广告宣传等，是一种具有广阔应用前景的无人飞行器。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

1、设计目的 本作品是针对我国舰载无人机的发展现状和要求，以及无人机在城市、山地、森林等复杂环境下使用的要求，基于全新理念研发的一款倾转涵道无人机，旨在研究倾转涵道无人机总体设计的关键技术、涵道在倾转过程中的空气动力学特性以及倾转涵道无人机的飞行控制特性，为我国倾转涵道无人机的总体设计技术和自主飞行控制技术提供技术储备和积累设计经验，推动我国涵道式无人机技术的快速发展。 2、基本思路 在涵道无人机技术的基础上融入倾转旋翼技术和涵道姿态控制技术，以解决现有涵道无人机飞行速度较慢、控制较为复杂等问题，采用涵道旋翼设计且各涵道动力面和控制面相互独立以克服传统无人直升机飞行控制耦合严重、旋翼桨叶外露导致安全性差以及噪音大等一系列问题，以促进我国舰载无人机的发展和无人机在城市、森林和山区等复杂环境的应用。 3、创新点 1）无尾、翼身融合气动布局； 2）可倾转中央涵道设计； 3）三涵道姿态控制设计； 4）模块化结构设计。 4、技术关键 1）分析论证倾转涵道无人机的总体设计方案，确定其气动布局并进行总体参数选择； 2）设计可倾转中央涵道和姿态控制涵道； 3）设计可靠的涵道倾转机构； 4）建立倾转涵道无人机的气动计算模型； 5）研究倾转涵道无人机的飞行控制特性。 5、主要技术指标 机长：2192.5mm，翼展：2886mm，中央涵道直径：800mm，姿态控制涵道直径：250mm，最大起飞重量：20kg，有效载荷：5kg。

科学性、先进性

现有涵道无人机的不足之处： 1.采用固定式涵道设计，并在涵道下方设置一些舵面来控制其飞行姿态，控制较复杂且控制效果不理想； 2.通过倾斜机身实现前飞，飞行速度较低； 本作品的突出技术特点和优势： 为克服现有涵道无人机飞行速度较慢、控制较为复杂等问题，本作品是将倾转旋翼技术和三涵道姿态控制技术融入现有涵道无人机技术后得到的一种创新型的解决方案，其突出技术特点和优势如下： 1、采用无尾、翼身融合布局，使得该无人机具有优良的气动性能； 2、采用可倾转中央涵道设计，使该无人机既具备垂直\短距起降和悬停性能，又能实现高、低速前飞和向后倒退飞行，兼具无人直升机和固定翼无人机的优点，该无人机还具有优良的空中减速性能； 3、采用三涵道姿态控制设计，每个涵道的动力面和控制面完全独立，克服了传统无人直升机飞行控制耦合严重的问题，有效保障了飞控系统的可靠性和稳定性； 4、可靠的涵道倾转机构设计，保证了涵道倾转的稳定性和精确性； 5、采用模块化结构设计，便于运输。

同类课题研究水平概述

众所周知，近年来无人机因其鲜明的技术特点在军事和民用领域都获得了广泛应用和飞速发展，尤其在军事侦察、反恐、公安、消防、森林巡查、核泄漏探测以及救灾等领域具有广泛的需求，它代表着未来航空器的一个重要发展方向。 从二十世纪五十年代到现在先后涌现出了许多独特的小型无人飞行器。如美国西科斯基公司为多用途安全与监视任务平台项目而成功研制了“Cypher”无人验证机，有Cypher-Ⅰ及其改进型Cypher-Ⅱ两个型号，“Cypher”系列属于混合布局的涵道旋翼飞行器，结合了涵道技术和共轴推进旋翼的概念，将共轴桨叶，遥控操作，先进的电子设备综合在了一起。与暴露式桨叶的设计相比更为安全。2001年，美国国防部高级研究计划局启动了建制无人机(计划，在该计划下，美国霍尼韦尔公司研制了OAV－II无人机，该无人机有效载荷9kg，使用一个30 kW的重油发动机来驱动，可以续航2h、飞行16km。美国极光公司为此研制的金眼涵道无人机采用了尾部稳定翼以及涵道外部可拆卸的活动机翼，其目的是提高其在平飞状态时的飞行稳定性和飞行速度。 欧洲各国也在紧锣密鼓的开展新型无人机的研究，如英国于2006年推出了其最新研制的碟形无人飞行器——GFS项目，该飞行器靠电池提供能量，能够垂直起飞和降落，美国国防部十分关注此项设计，经过“GFS”飞碟盘旋飞行和操控示范，美国国防部已签订了定制合约；新加坡也推出了自己的涵道式无人机Fantail，该机采用直流无刷电动机作为螺旋桨驱动机构，具有垂直起降以及水平高速飞行的能力。 我国无人机研制也走过了四十年的发展历程，近年来也在无人机领域明显加快了研究进程。要特别一提的是中国航天科工集团研发的“跳棋”涵道无人机，该涵道无人机采用油动发动机，三叶螺旋桨和气动舵面设计，具有垂直起降能力，可在目标上空进行长时间悬停监视；最近哈尔滨盛世特种飞行器有限公司也联合中国航天科工集团第四研究院与哈尔滨工业大学航天学院共同研发了一种单桨涵道式无人机试飞成功。 但目前所有涵道无人机均是通过倾转涵道，也就是要翻转机身来实现前飞，虽然起降、悬停能很好实现，但飞机姿态变化较大，飞行速度和变姿稳定性还不太理想，这也是今后需重点解决发展的问题。如能把涵道与倾转旋翼结合起来，这些问题或有改善。