“哨兵”—单桨涵道风扇飞行器

“哨兵”—单桨涵道风扇飞行器

关键词：单轴涵道飞行器

简介：

本作品设计了单桨涵道风扇飞行器，该飞行器能够垂直起降，水平前飞，这样融合了传统固定翼和直升机的优势；采用涵道包裹螺旋桨的气动布局，既有效提高了气动效率，又保护了飞行器安全，更好地适应城市街区、灾害现场等复杂环境下飞行，这样又避免了传统飞行器的不足。自主完成飞行控制系统全部软硬件设计。制作并使用传感器，辅助定点和提高姿态解算。

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详细介绍：

单桨涵道飞行器是一种能够垂直起降、空中定点悬停和快速前飞的飞行器。一般无人飞机起飞降落需要机场跑道或者弹射回收装置，直升机螺旋桨暴露在外面，非常的不安全；在地震火灾等灾害现场、高楼林立的城市街区以及战场等特殊环境中，飞行空域十分复杂，常规固定翼飞机及直升机等飞行器很难完成近距离实时监视、勘察等信息收集任务，本发明开发了一套适合于在该类复杂空域中执行特殊任务的涵道风扇飞行器，既要保证设备和人员的安全，还要具有较强的任务执行能力，如机动性、载荷能力等。 　　我们采用了能够实现空中定点悬停的单轴旋翼飞行器平台；涵道包裹螺旋桨的涵道风扇方案实现复杂环境中的安全飞行和增加气动效率；开发了一套可靠的控制系统和一套高效的执行机构实现稳定飞行和快速空中机动；采用了模块化设计实现快速安装维护。 　　本作品有以下创新点： 　　1、飞行模式转换方式：该发明能够以直升机与固定翼飞机两种模式变换飞行，不但具备垂直起降能力，不需要任何发射、回收装置和机场跑道等起降条件，而且具备快速前飞能力，可以满足灾害现场大范围机动的需求。 　　2、高升力涵道风扇系统：该发明采用涵道包裹螺旋桨的布局方案。我们经过大量计算，设计了涵道，使其最大限度地提高螺旋桨气动效率，而其具备复杂越障能力，极大地增强了飞行器在复杂空域中的生存能力。 　　3、有效的控制系统及可靠的执行机构：该发明利用计算机主动控制技术克服了飞行器的开环不稳定性难题，完成了飞行自驾系统的全部软硬件设计，可以实现增稳、定高、悬停、自主航线、自主返航与自主降落等飞行样式，安全的失效保护机制提高了自驾系统的可靠性。成功完成悬停与定高飞行等试验，显示了飞行器控制技术的科学性与稳定性。自驾仪可以同FlightGear和X-plane等飞行仿真器连接进行半实物仿真试验。 　　4、高精度传感器系统：制作并使用了先进的光流传感器，辅助定点并提高了姿态解算精度。高精度Mems气压高度计高空精度达10cm，高精度声纳高度计低空精度达1cm。通过操作手参与或者加装视觉传感器等方式，该飞行器还可实现穿越密集的树林、狭窄的高楼窗户等障碍。 　　5、模块化结构设计方案：该发明结构小巧，采用了模块化设计方案，方便飞行器的携带、现场组装和维护，并且降低了平台运营成本。 　　本作品涉及到的关键技术和难点包括高升力涵道风扇系统、有效的控制系统及可靠的执行机构、模块化结构设计方案、飞行模式转换方式、高精度传感器系统等。 　　本作品具有广阔的市场应用前景。国防工业领域，本作品以其出色的悬停和垂直起降能力，可用于边防无人巡逻、陆上低空快速机动与定点投放、海上信息支援等任务。民用领域，制作成本低，易于大批量生产，在应急救灾方面，单桨涵道风扇飞行器可用于灾害预报、应急搜救与物资投递、应急通信中继等任务，本作品可作为城市移动监视平台、高楼间操作的空中机器人、危险环境作业机械手等，为消防和安保提供强有力支撑。在科学研究、地质勘察、大地测绘、电力巡线、反恐等方面也具有较好的应用前景。

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

　　一、设计和发明的目的 　　在地震火灾等灾害现场以及战场等特殊环境中，飞行空域复杂，常规飞行器很难完成近距离实时监视任务，本发明为开发一套能在该类复杂空域中执行任务的飞行器。 　　二、基本思路 　　采用单轴旋翼飞行器平台实时定点监测；采用涵道包裹螺旋桨的气动布局适应复杂空域飞行；设计了一套可靠的控制系统和执行机构实现安全快速机动；采用模块化设计实现快速安装维护。 　　三、创新点 　　1、飞行模式转换：能够以直升机与固定翼两种模式变换飞行，既能垂直起降，又能够快速前飞。 2、高升力涵道风扇系统：采用涵道包裹螺旋桨的气动布局，既提高气动效率，又增强了在复杂空域中的生存能力。 3、有效的控制系统及可靠的执行机构：自主完成飞行控制系统全部软硬件设计，克服了飞行器的开环不稳定性难题，拥有安全的失效保护机制。自驾仪可以同FlightGear和X-plane等仿真软件进行半实物仿真试验。 4、高精度传感器系统：辅助定点和提高姿态解算精度。高精度Mems气压高度计高空精度达10cm，高精度声纳高度计低空精度达1cm。 5、模块化设计：结构小巧，携带和维护方便，成本低。 　　四、关键技术和难点 　　高升力涵道风扇系统、有效的控制系统及可靠的执行机构、模块化结构设计方案、飞行模式转换方式、高精度传感器系统等。 五、主要技术指标 整机高60cm；涵道外径30cm；涵道弦长16cm；舵片组数，4组；整机重960g。

科学性、先进性

单桨涵道风扇飞行器是一种垂直起降飞行器。本发明的单桨涵道风扇飞行器旨在形成一套具有全自主任务执行能力的单桨涵道无人机飞行器系统：不但能够实现垂直起降和空中定点悬停，还要能够完成高速前飞，在复杂空域执行任务以及穿越障碍环境，具备常规直升机和固定翼飞机不具备的突出优势，涉及到气动、结构、控制、能源、推进和通信等多个学科的气动耦合，设计、加工和试验难度大。 一、采用科学合理的气动布局，涵道包裹螺旋桨的设计方案，提高了螺旋桨气动效率，增加了整机载荷。 二、先进的数字飞行控制系统，可以实现增稳、定高、定点悬停、自主航线等飞行样式，安全有效的失效保护机制提高了自驾系统的可靠性。 三、各种高精度传感器信息融合，高精度Mems气压高度计高空精度达10cm，高精度声纳高度计低空精度达1cm。 四、自驾仪可以同FlightGear和X-plane飞行仿真器连接进行仿真试验。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

该作品能够垂直起降、空中定点悬停和快速前飞，能够在复杂空域中飞行，气动效率高，具备传统直升机和固定翼飞机的优势，又避免了两者的不足。可以用于以下领域：　　　 1、国防工业领域：本作品以其出色的悬停和垂直起降能力，可用于边防无人巡逻、陆上低空快速机动与投放、海上信息支援等任务。 　　2、应急救灾领域：单桨自消旋涵道飞行器可用于灾害预报、应急搜救与物资投递、应急通信中继等任务。 　　3、城市消防、安保领域：本作品可作为城市移动监视平台、高楼间操作的空中机器人、危险环境作业机械手等，为消防和安保提供强有力支撑。 4、本作品在科学研究、地质勘察、大地测绘、电力巡线、反恐等方面也具有较好的应用前景。 该作品制作成本低，可以批量生产，将有广阔市场前景。

同类课题研究水平概述

　　由于自动控制技术、微传感技术的进步，3D打印、新材料的出现，自80年代到现在军民飞行器研发单位中，涌现出了大量单轴飞行器，但是涵道加螺旋桨气动布局仍然较少。 　　国外对此研究颇多，起步也较早。国外诸多大学、研究所和公司已经启动了多种型号的单轴涵道飞行器研发项目，例如美国Honeywell公司、Allied Space公司、意大利Bologna大学等研究机构都在开展相关研究。美国在他的未来作战系统中，把涵道风扇飞行器作为他的第一级无人机，足以说明涵道风扇飞行器的重要战略价值。 　　国内对此类飞行器的研究起步相对国外较晚，各个研究单位基本仿制国外构型，缺乏自主研究，而且大多秘而不宣自己的研究进展与材料。即使在少数公开材料，几乎也没有涉及核心技术。国内研究机构，哈尔滨盛世特种飞行器公司、沈阳飞机设计研究所已经展开相关研究，南航等高校也在进行相关技术研究。 　　对于涵道风扇飞行器，研究发现存在以下问题：（1）涵道本体设计，合理的涵道气动外形能够使螺旋桨的效率增加30%以上，又能减轻飞行器重量；（2）飞行控制系统设计，涵道风扇飞行器本身是开环不稳定的，不增加任何控制系统，很难飞行；（3）飞行模式转换，垂直起降，过渡飞行和快速前飞，飞行器在垂直状态倾转到水平状态，需要科学设计才能保持飞行器动平衡；（4）螺旋桨设计，在涵道本体内，螺旋桨要最大限度提高效率，需要对螺旋桨螺距、尺寸、外形等多方面科学设计。 　　我们对涵道飞行器飞行控制系统、涵道本体、消旋机构、执行机构、传感器等多方面都进行了科学设计，通过试验飞行，达到了预期目的。