一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器及其控制系统

1.本发明属于推进翼跨介质飞行器领域，涉及一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器及其控制系统。


背景技术：

2.跨介质飞行器因为兼具飞行器的空中飞行和航行器的水下航行的能力，在空中救援、水下探测、反潜等领域具备重要的应用前景。
3.为了实现空中飞行、水下航行和水/空介质过渡的运动能力，跨介质飞行器的结构较为复杂。如专利（公开日：2020.08.18，公开号：cn111547238a；公开日：2021.08.31，公开号：cn113320676a；公开日：2021.09.17，公开号：cn214215400u）等，现有的跨介质飞行器的动力系统多为旋翼、涵道螺旋桨和固定翼的组合形式。多套动力系统会对跨介质飞行器的结构重量、机动性和飞行效率产生较大负担，限制其空中飞行和水下航行的能力。同时，常规的水下航行器需要浮力调节装置来平衡重力和浮力，使得航行器能够正常航行，但是又会限制跨介质飞行器在空中的飞行能力。
4.推进翼作为一种新概念机翼，具有短距/垂直起降、低速性能良好、载荷大和失速迎角大等优点。如专利（公开日：2012.05.10，公开号：us20120111994a1）中提出的推进翼短距起降飞行器。推进翼由横流风机、主翼型和导流板组成。其中，横流风机嵌入翼型后缘，横流风机高速旋转会在机翼上形成水平和竖直方向的气动力，在推动飞行器前飞的同时提供较大的升力。
5.风扇翼与推进翼在结构和工作原理上有一些相似之处，如专利（公开日：2003.03.04，公开号：us6527229b1）中的风扇翼，三角形固定翼的前缘放置一个大尺寸的横流风机，横流风机的旋转可以在固定翼上形成升力和推力。专利（公开日：2019.08.20，公开号：cn209274896u）中提出了一种提出了一种倾转摆线风扇翼装置、倾转摆线风扇翼飞行器；专利（公开号：cn204750567u）公开了一种高速风扇翼飞行器。这些基于风扇翼设计的飞行器效率较低、性能不佳。传统布局风扇翼飞行器无法实现垂直起降。利用摆线桨实现垂直起降的结构过于复杂，重量大，可靠性低。专利（公开日：2021.07.09，公开号：cn113086143a）和（公开日：2021.07.09，公开号：cn113085460a）提出了基于风扇翼的水下多用途航行器。风扇翼可以为航行器提供两个方向的水动力，提高航行器的操纵性。同时风扇翼在竖直方向的水动力还可以与浮力抵消，简化航行器的浮力调节装置。但是风扇翼的载荷较小，这种风扇翼航行器无法实现空中飞行和垂直起降等功能。
6.上述专利基于推进翼和风扇翼设计了飞行器和水下航行器，但是无法兼顾垂直起降、空中飞行、水下航行和水/空介质跨越等功能。因此，设计一种采用单一推进系统的跨介质飞行器，既可以实现空中飞行和水下航行，又可以进行多次的水/空介质跨越，具有重要的战略意义和应用价值。


技术实现要素：

7.针对上述缺陷，本发明提供了一种基于推进翼的新型可垂直起降跨介质飞行器，解决了现有技术中跨介质飞行器推进系统复杂和推进翼飞行器不可直接实现垂直起降的问题。
8.一种基于推进翼的新型可垂直起降跨介质飞行器，包括机身，所述机身的前端和后端处分别设有前翼组件和后翼组件，前翼组件，包括前左舷侧可旋转推进翼、前右舷侧可旋转推进翼；后翼组件，包括后左舷侧可旋转推进翼、后右舷侧可旋转推进翼；所述可旋转推进翼通过轴承和轴支座与固定于机身上的转轴配合，该推进翼两端为机翼端板，中间为机翼主体，机翼端板和机翼主体通过支撑翼梁连接；机翼端板翼型为沿翼展宽度方向从基底延伸到尖端，所述横流风机设于机翼端板的后缘，并在横流风机的出风口处加装导流板，所述可旋转推进翼能够在旋转机构的控制下独立倾转，所述横流风机连接电机并能够独立控制转速。
9.作为优选，旋转机构包括舵机，用于控制机翼的旋转。
10.作为优选，可旋转推进翼两端为机翼端板，中间为机翼主体，机翼端板和机翼主体通过支撑翼梁相连接；机翼端板翼型为沿翼展宽度方向从基底延伸到尖端，所述横流风机设于机翼端板的后缘，并在横流风机的出风口处加装导流板。
11.作为优选，横流风机的两端为叶轮端板，中部为叶轮加强板，两端的叶轮端板与中部的叶轮加强板之间通过叶片相连接。支撑板可提高叶轮的抗扭能力，横流风机高速旋转可产生低压涡，产生较大升力及推力。
12.作为优选，横流风机连接无刷电机，具体的，横流风机与电机的转子通过螺栓连接，转子带动横流风机旋转，电机的定子与机翼端板通过螺栓连接，用于支撑电机和横流风机。
13.作为优选，横流风机两端各安装一个电机，实现双电机控制。双电机可以降低单个电机的功率负荷，延长使用寿命。当其中一个电机发生故障时，另一个电机可以保证横流风机的正常运转。同时，采用双电机可以有效增加推进翼的功率载荷，延长跨介质飞行器的航时，增加飞行器的负载能力，总体性能提升约50%。
14.本发明还公开了一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，包括可垂直起降飞行器，飞行器的每个可旋转推进翼均独立对应电机，所述控制系统还包括飞控板，飞控板控制旋转机构以带动四个推进翼倾转一定角度以改变推进翼的气动/水动合力方向，基于舵机控制推进翼的迎角为正以实现空中飞行控制，控制推进翼的迎角为负以实现水下航行控制；飞控板控制改变部分或全部横流风机的电机转速以改变部分或全部推进翼的气动力/水动力，实现飞行器在空中和水下的姿态控制。
15.作为优选，飞控板控制飞行器实现垂直起降及悬停控制，具体的，通过舵机控制推进翼的倾转角度，使推进翼的气动合力与重力的方向相反，通过电机控制横流风机的转速，使得推进翼的合力与重力大小相等，实现悬停；通过电机控制横流风机的转速变化，来改变推进翼的气动合力的大小，从而实现垂直起飞与垂直降落。在水下，通过舵机控制推进翼的倾转角度，使推进翼的水动合力与浮力的方向相反，通过电机控制横流风机的转速，使得推进翼的水动合力、重力和浮力三者平衡，实现悬停；通过电机控制横流风机的转速变化，来改变推进翼的水动合力的大小，从而实现水下的垂直上升和水/空介质跨越。
16.作为优选，飞控板控制飞行器实现垂直起降向巡航阶段过渡控制，具体的，旋转机构带动推进翼同步倾转，同时控制增加横流风机转速以弥补倾转过程中的升力损失。
17.作为优选，飞控板控制飞行器实现空中巡航和水下航行阶段控制，具体的，同步控制横流风机转速增大或减小以实现速度控制；同步增加/减小前翼组件电机的转速，实现飞行器在空中及水下的上仰爬升/下俯下降；同步控制前左舷侧可旋转推进翼、后左舷侧可旋转推进翼或前右舷侧可旋转推进翼、后右舷侧可旋转推进翼对应的横流风机转速增加，实现滚转与偏航控制。
18.作为优选，同步控制前翼与后翼组件的迎角为负，使推进翼产生推进力f
x
与浮力相反的水动力fy，当fy与重力的合力大于浮力时，飞行器向下潜航；当fy与重力的合力小于浮力时，飞行器向上漂浮；当fy与重力的合力等于浮力时，飞行器在一个固定的水下深度进行航行。
19.本发明的有益效果是：（1）本发明的推进翼跨介质飞行器，采用单一的推进翼为动力装置，在具备空中飞行、水下航行和水空介质跨越的同时，有效简化了跨介质飞行器的结构复杂程度，减轻结构重量，避免多套动力系统造成的性能损失。
20.（2）本发明的推进翼跨介质飞行器，创新布局方式，利用四个可倾转的推进翼实现垂直起降、悬停、灵活机动及水/空介质跨越，有效解决了传统推进翼和风扇翼飞行器不可垂直起降，飞行速度较低，机动性能欠佳的问题。
21.（3）本发明的推进翼跨介质飞行器，采用双电机布局，有效提高了推进翼的功率载荷，降低了单个电机的功率负荷和故障率，延长电机的使用寿命。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
23.图1为本发明推进翼跨介质飞行器整体视图；图2为本发明推进翼跨介质飞行器推进翼结构图；图3为本发明推进翼跨介质飞行器推进翼简易截面图；图4为本发明推进翼跨介质飞行器推进翼横流风机结构图；图5为本发明推进翼跨介质飞行器控制系统结构示意图；图6为本发明推进翼跨介质飞行器垂直起降及悬停状态推进翼原理图；图7为本发明推进翼跨介质飞行器垂直起降及悬停状态示意图；图8为本发明推进翼跨介质飞行器巡航状态推进翼原理图；图9为本发明推进翼跨介质飞行器巡航状态示意图；图10为本发明推进翼跨介质飞行器水下航行状态推进翼原理图；图11为本发明推进翼跨介质飞行器水下航行状态示意图；图12为本发明推进翼跨介质飞行器的单个机翼功率载荷试验结果。
24.附图标记：1可旋转推进翼，2机身，3舵机，4机翼端板，5无刷电机，6横流风机，7翼梁，8导流板，9机翼主体，10叶轮端板，11叶片，12叶轮加强板。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明采用四个可倾转的推进翼，两两前后布局的方式设计飞行器，通过推进翼倾转过一定角度，使得气动力在水平方向的合力趋近于零，在竖直方向的合力与重力抵消时，即可实现悬停，解决了现有推进翼飞行器不可直接实现垂直起降的问题。
27.此外，本发明还可通过独立控制四个推进翼的倾转角度与推进翼内的横流风机旋转速度实现灵活机动与高速平飞，解决了现有风扇翼飞行器在无辅助推进或控制装置时，平飞速度及灵活机动性能欠佳的问题。
28.飞行器整体布局如图1所示，四个两两前后并列布局的可旋转推进翼1通过轴承和轴支座与固定于机身2上的转轴配合，可在舵机3的驱动下绕转轴旋转。四个可旋转推进翼1可基于舵机3独立倾转，横流风机6转速可独立控制，能在无任何舵面的辅助下实现灵活机动。此外，机身2内部可安置飞行控制系统等装置，机翼内可设置设备舱，设备舱用于电池、电调、飞控和接收器等元件的布置，减小旋转轴及舵机3的承力。
29.本发明采用的推进翼结构如图2所示，可旋转推进翼1主要包括：机翼端板4、机翼主体9、横流风机6、导流板8、支撑翼梁7、驱动电机。可旋转推进翼1翼型后缘嵌入横流风机6，并加装导流板8，横流风机的高速旋转会在机翼上形成水平和竖直方向的气动力。
30.机翼端板4及支撑翼梁7为主要结构部件，保证机翼强度；机翼主体9与导流板8用于维持气动外形与气流通道，选用较扁平的无刷电机，减小对气流的影响，同时布置在气体流道内，可利用气流冷却。本实施例中，采取双电机驱动方案，即横流风机6与无刷电机5的转子通过螺栓连接，转子带动横流风机6旋转，横流风机6两侧各安装一个无刷电机5，无刷电机5的定子与机翼端板通过螺栓连接，用于支撑无刷电机5和横流风机6；当一电机故障时另一电机仍可带动叶轮旋转，保证正常飞行，提高飞行器可靠性。
31.翼型简易横截面如图3所示，其由主翼型9、横流风机6、导流板8组成，各部分位置关系及内部流道形状如图所示。主翼型形状为沿翼展宽度方向从基底延伸到尖端，机翼的翼型没有特别限定，可以是厚翼型，也可以是薄翼型。机身的形状也没有限制，主要用于零部件的布置。机翼的端板用于密封机翼端面，避免横流风机的气流从端面外流。
32.推进翼内横流风机如图4所示，其中叶轮由叶片11、叶轮端板10及叶轮加强板12组成，叶轮端板10与驱动电机配合，叶轮加强板12可提高叶轮的抗扭能力，横流风机高速旋转可产生低压涡，产生较大升力及推力。
33.本发明推进翼跨介质飞行器与传统推进翼飞行器不同，布置四个可独立旋转的推进翼，这种独特的结构使本发明的推进翼跨介质飞行器能够实现空中和水下的垂直起降、悬停、航向改变、滚转等基本功能，也可实现更多灵活机动，控制系统如图5所示。
34.一种基于推进翼的新型可垂直起降飞行器的控制系统，包括4个可旋转推进翼、旋转机构、电机、电调、锂电池、飞控板、接收器和遥控器。锂电池为机组提供电源；电调电连接至电机，用于控制相应电机的工作；电机连接推进翼的横流风机，用于控制横流风机的转速；遥控器、接收器、飞控板为信号传输装置；旋转机构包括舵机和摇臂组件，用于控制机翼
的旋转。
35.飞控板控制改变电机转速并控制旋转机构带动四个推进翼倾转。横流风机的转速与推进翼的气动力/水动力相关，具体规律可通过风洞/水洞试验或数值仿真获得。本发明的控制思路为通过控制横流风机的转速来改变部分推进翼的气动力，达到传统固定翼飞机和航行器舵面的效果，从而实现飞行器的姿态控制。
36.每个可旋转推进翼均独立对应电机，设前翼组件中前左舷侧可旋转推进翼对应的电机组1和前右舷侧可旋转推进翼对应的电机组2一侧为前；后翼组件中后左舷侧可旋转推进翼对应的电机组3和后右舷侧可旋转推进翼对应的电机组4一侧为后。本发明公开的推进翼控制系统基于舵机控制推进翼的迎角为正以实现空中飞行控制，控制推进翼的迎角为负以实现水下航行控制，具体的，空中飞行控制包括：1.垂直起降及悬停控制如图6至图7所示，通过发射器发出信号，接收器接收信号并将信号传递给飞控板，飞控板接受信号后按照既定的程序运行，同时控制电机转速的改变以及旋转机构带动四个推进翼旋转特定的角度。合力为推进翼的气动合力，通过舵机控制机翼的倾转角度，使得合力与重力的方向相反。通过电机控制横流风机的转速，使得推进翼的合力与重力大小相等，即可实现悬停。通过电机控制横流风机的转速变化，来改变推进翼的气动合力的大小，从而实现垂直起飞与垂直降落。具体的，悬停控制：推进翼在旋转机构的带动下倾转一定角度，如图8至图9所示，此时x方向力几乎为零，合力在竖直方向上，重力与升力（推力）相等，实现悬停f
x
≈0fy=g垂直起降控制：在悬停状态基础上，四个推进翼横流风机转速同步改变，转速增加，升力（推力）大于重力飞行器垂直起飞，产生竖直方向加速度fy–
g=may同理降低转速当升力（推力）小于重力时实现垂直降落。
37.悬停时俯仰（前飞与后飞）控制：前飞时电机组3和电机组4转速同步增加，推进翼提供的推进力在竖直方向的分力提供升力，水平方向的分力使飞行器向前飞行，倒飞时电机组1和电机组2转速同步增加，推进翼提供的推进力在竖直方向的分力提供升力，水平方向的分力使飞行器向后飞行。
38.悬停时滚转控制：向左滚转时电机组2和电机组4转速同步增加，向右滚转时电机1和电机3转速同步增加。
39.2.垂直起降向巡航阶段过渡在倾转过程中一方面倾转机构带动四个推进翼同步旋转，由于倾转过程中飞行器巡航速度较低，翼型不能及时产生较大升力，进而另一方面需要横流风机转速增加以弥补倾转过程中的升力损失。
40.3.巡航阶段控制速度控制：同步控制4个推进翼横流风机转速增大实现速度控制，增大转速则推力增大、速度增大，降低转速则推力减小，速度降低。
41.俯仰控制：同步增加电机组1和电机组2的转速，升力增加，飞行器上仰爬升。同步
减小电机组1和电机组2的转速，升力减小，飞行器下俯下降。
42.滚转与偏航耦合控制：控制电机组1和电机组3或电机组2和电机组4转速同步增加，升力与推力同步增加，飞行器实现滚转与偏航控制。
43.水下航行控制包括：如图10所示，同步控制4个推进翼的迎角为负，使得推进翼产生推进力f
x
和与浮力相反的水动力fy。当fy与重力的合力大于浮力时，飞行器向下潜航；当fy与重力的合力小于浮力时，飞行器向上漂浮；当fy与重力的合力等于浮力时，飞行器在一个固定的水下深度进行航行。
44.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器，其特征在于，包括机身，所述机身的前端和后端处分别设有前翼组件和后翼组件，前翼组件，包括前左舷侧可旋转推进翼、前右舷侧可旋转推进翼；后翼组件，包括后左舷侧可旋转推进翼、后右舷侧可旋转推进翼；可旋转推进翼通过轴承和轴支座与固定于机身上的转轴配合，该推进翼两端为机翼端板，中间为机翼主体，机翼端板和机翼主体通过支撑翼梁连接；机翼端板翼型为沿翼展宽度方向从基底延伸到尖端，所述横流风机设于机翼端板的后缘，并在横流风机的出风口处加装导流板，所述可旋转推进翼能够在旋转机构的控制下独立倾转，所述横流风机连接电机并能够独立控制转速。2.根据权利要求1所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器，其特征在于，所述旋转机构包括舵机和摇臂组件，用于控制机翼的旋转。3.根据权利要求2所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器，其特征在于，所述横流风机的两端为叶轮端板，中部为叶轮加强板，两端的叶轮端板与中部的叶轮加强板之间横向设有若干叶片。4.根据权利要求1所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器，其特征在于，所述横流风机连接无刷电机，具体的，横流风机与电机的转子通过螺栓连接，转子带动横流风机旋转，电机的定子与机翼端板通过螺栓连接，用于支撑电机和横流风机。5.根据权利要求4所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器，其特征在于，横流风机两端各安装一个电机，实现双电机控制。6.一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的可垂直起降飞行器，所述飞行器的每个可旋转推进翼均独立对应电机，所述控制系统还包括飞控板，飞控板控制旋转机构以带动四个推进翼倾转一定角度以改变推进翼的气动/水动合力方向，基于舵机控制推进翼的迎角为正以实现空中飞行控制，控制推进翼的迎角为负以实现水下航行控制；飞控板控制改变部分或全部横流风机的电机转速以改变部分或全部推进翼的气动力/水动力，实现飞行器的姿态控制。7.根据权利要求6所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，其特征在于，所述飞控板控制飞行器实现垂直起降及悬停控制，具体的，通过舵机控制推进翼的倾转角度，使推进翼的气动合力与重力的方向相反，通过电机控制横流风机的转速，使得推进翼的合力与重力大小相等，实现悬停；通过电机控制横流风机的转速变化，来改变推进翼的气动合力的大小，从而实现垂直起降。8.根据权利要求6所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，其特征在于，所述飞控板控制飞行器实现垂直起降向巡航阶段过渡控制，具体的，旋转机构带动推进翼同步倾转，同时控制增加横流风机转速以弥补倾转过程中的升力损失。9.根据权利要求6所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，其特征在于，所述飞控板控制飞行器实现巡航阶段控制，具体的，同步控制横流风机转速增大或减小以实现速度控制；同步增加/减小前翼组件电机的转速，实现飞行器上仰爬升/下俯下降；同步控制前左舷侧可旋转推进翼、后左舷侧可旋转推进翼或前右舷侧可旋转推进翼、后右舷侧可旋转推进翼对应的横流风机转速增加，实现滚转与偏航控制。10.根据权利要求6所述的基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器的控制系统，其特征
在于，同步控制前翼与后翼组件的迎角为负，使推进翼产生推进力f
x
与浮力相反的水动力f
y
，当f
y
与重力的合力大于浮力时，飞行器向下潜航；当f
y
与重力的合力小于浮力时，飞行器向上漂浮；当f
y
与重力的合力等于浮力时，飞行器在一个固定的水下深度进行航行。

技术总结
本发明公开了一种基于推进翼的可垂直起降跨介质飞行器及其控制系统，包括机身，机身的前端和后端处分别设有前翼组件和后翼组件，前翼组件，包括前左舷侧可旋转推进翼、前右舷侧可旋转推进翼；后翼组件，包括后左舷侧可旋转推进翼、后右舷侧可旋转推进翼；可旋转推进翼通过轴承和轴支座与固定于机身上的转轴配合，该推进翼翼型后缘嵌入横流风机，可旋转推进翼能够在旋转机构的控制下独立倾转，横流风机转速能够独立控制。本发明公开的可垂直起降跨介质飞行器的机翼具有较大升力，同时能提供推力，具有良好的气动和水动性能，可实现垂直起降、空中飞行、水下航行和水/空介质跨越等飞行功能。行功能。行功能。


技术研发人员：陆嘉鑫 张镕皓 李怡锐 吴郑煌 金峻鹏 王超 陆洋 李西德
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/6/12