一种分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法

1.本发明涉及飞行器领域，具体而言，涉及一种分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法。


背景技术：

2.飞行器按照结构形式可分为固定翼飞行器和旋翼类飞行器。
3.现有的固定翼飞行器不方便进行垂直起降，而旋翼类飞行器平飞效率不高，因此，现有技术中的传统飞行器面对不同飞行工况时均存在一定的限制性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法，其能够解决现有飞行器面对不同飞行工况时均存在一定的限制性的问题。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.本发明的实施例提供了一种分布式动力倾转机翼飞行器，其包括：
7.机身、机翼以及旋翼；
8.其中，所述旋翼连接于所述机翼，所述机翼转动连接于所述机身的两侧，以使所述机翼的翼面与所述机身相对转动，并且机翼的旋转轴线位于机翼的内部。
9.可选地，机翼包括转接部和弯折部，转接部的一端与机身转动连接，弯折部转动连接于转接部的另一端，旋翼连接于转接部和/或弯折部。
10.可选地，旋翼包括第一旋翼和第二旋翼，第一旋翼连接于转接部的前缘，第二旋翼连接于弯折部远离转接部的端部。
11.可选地，第一旋翼的尺寸小于第二旋翼的尺寸。
12.可选地，机翼还包括翼舵面，翼舵面设置于弯折部远离转接部的端部后缘。
13.可选地，机翼包括前翼和后翼，前翼和后翼均与机身连接，并且前翼以及后翼分别连接有第一旋翼以及第二旋翼。
14.可选地，前翼的展长为b，前翼上的第一旋翼的半径为rr，前翼上的第二旋翼的半径为rp，其中，b》(2rp+rr)。
15.可选地，前翼的平均气动弦长为cf，后翼的平均气动弦长为cr，前翼和后翼的距离为d，其中，d》1.5(cf+cr)。
16.可选地，分布式动力倾转机翼飞行器还包括尾翼，尾翼竖直连接于机身的尾部。
17.本发明的实施例还提供了一种其控制方法，用于上述的分布式动力倾转机翼飞行器，包括：
18.控制所述分布式动力倾转机翼飞行器垂直起降时，机翼相对于机身为竖直状态，旋翼的转动平面位于机翼上方，以使机身垂直起降；
19.控制所述分布式动力倾转机翼飞行器平飞时，机翼相对于机身为平直状态，旋翼的转动平面位于机翼前方，以使机身俯仰运动或者滚转运动或者偏向运动。
20.本发明实施例的分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法的有益效果包括，例如：
21.该分布式动力倾转机翼飞行器包括机身、机翼以及旋翼，其中，旋翼连接于机翼，并且旋翼通过转动提供起降以及平飞的动力。机翼转动连接于机身的两侧，以使机翼的翼面与机身相对转动。当面对垂直起降工况时，机翼相对于机身为竖直状态，旋翼的转动平面位于机翼上方，方便飞行器快速完成垂直起降；当面对平飞工况时，机翼相对于机身为平直状态，旋翼的转动平面位于机翼前方，方便飞行器高效的进行平飞作业。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
23.图1为本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器的结构示意图一；
24.图2为本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器的结构示意图二；
25.图3为本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器的俯视示意图；
26.图4为本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器的飞行状态图一；
27.图5为本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器的飞行状态图二。
28.图标：100-分布式动力倾转机翼飞行器；110-机身；120-机翼；1201-前翼；1202-后翼；121-转接部；122-弯折部；123-翼舵面；130-旋翼；131-第一旋翼；132-第二旋翼；140-尾翼。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
35.飞行器按照结构形式的不同可分为固定翼飞行器和旋翼类飞行器。固定翼飞行器具有载重大、航程远的特点，但固定翼飞行器对起降环境的依赖性高，无法在复杂地形条件下完成起降。旋翼类飞行器受起降地形的限制小，可实现狭小环境下的垂直起降，但旋翼类飞行器续航时间短、飞行效率低。
36.垂直起降固定翼飞行器结合了固定翼飞行器和旋翼类飞行器的优点，以垂直起降的方式进行起飞和降落，在起降阶段受到环境的限制小，同时保留了固定翼飞行器较大航程和载重量的优点，在军事和民用两方面均具有广泛的应用场景。
37.垂直起降固定翼飞行器的技术方向主要包括动力换向式、复合式和尾座式，目前为止，以鱼鹰“v-22”为代表的依靠倾转旋翼达到动力换向的飞行器最具有技术前景。这类飞行器主要由位于机翼翼尖的旋翼作为垂直起降和固定翼平飞阶段的动力来源。在飞行过程中，通过旋翼短舱带动旋翼的倾转实现飞行器动力方向的改变。但是，垂直起降阶段旋翼工况和固定翼平飞阶段旋翼工况的差别使得旋翼在垂直起降和平飞过程中，旋翼的桨效均不高，从而降低的飞行器的飞行效率。另一方面，由于旋翼处于机翼翼尖且机翼不随旋翼短舱的倾转而倾转，在垂直起降阶段机翼会对旋翼的下洗气流产生阻碍作用，从而进一步降低了飞行器的飞行效率。
38.本发明的实施例中提供的分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法可以解决这一问题。
39.请参考图1-图5，本实施例提供了一种分布式动力倾转机翼飞行器100及其控制方法，接下来将对其进行详细的描述。
40.参考图1，该分布式动力倾转机翼飞行器100包括：机身110、机翼120以及旋翼130；其中，旋翼130连接于机翼120，机翼120转动连接于机身110的两侧，以使机翼120的翼面与机身110相对转动，并且机翼120的旋转轴线位于机翼120的内部。
41.上述技术方案中，旋翼130通过自身转动用于提供飞行动力。当面对平飞工况时，机翼120相对于机身110为平直状态，旋翼130的转动平面位于机翼120前方，方便飞行器高效的进行平飞作业。
42.此外，机身110的内部设置有动力电池和倾转机构，动力电池作为提供飞行器的工作电源，倾转机构则用于和机翼120配合，并且使得机翼120在进行转动时能够保持与机身110的连接。
43.机翼120的内部设置有电子调速器、电动机、舵机、变距机构和弯折机构，各个电气部件分别与动力电池电连接，旋翼130的动力轴与电动机轴传动连接。
44.参考图2，机翼120包括转接部121和弯折部122，转接部121的一端与机身110转动连接，弯折部122转动连接于转接部121的另一端，旋翼130连接于转接部和/或弯折部122。
45.并且机翼120的数量为至少两个，分别连接于机身110的两侧，位于机身110两侧的旋翼130的旋转方向相反。两侧的机翼120分别连接有倾转机构，使得两侧机翼120能够同步倾转。
46.上述技术方案中，转接部121用于和机身110转动连接，从而带动弯折部122进行同步转动，并且转接部121两端的转动线速度一致。弯折部122和转接部121也转动连接，使得二者之间可以发生相对转动。弯折部122和转接部121在飞行器垂直起降时发生相对转动，
从而降低机翼120的下洗气流产生的阻碍作用，从而提高飞行效率。
47.在垂直起降阶段，弯折部122可偏转55
°
，以减少垂直起降阶段竖直机翼120的迎风面积，并采用弹性蒙皮覆盖整个机翼120结构实现平滑变形，提高飞行器在有风条件下的起降能力。
48.旋翼130包括第一旋翼131和第二旋翼132，第一旋翼131连接于转接部121的前缘，第二旋翼132连接于弯折部122远离转接部121的端部。并且，第一旋翼131的旋转半径小于第二旋翼132的旋转半径。
49.上述技术方案中，垂直起降时，第一旋翼131和第二旋翼132同步转动，使得周边气流流动，形成一个带动飞行器上升的作用力，克服飞行器的重力，使得飞行器完成垂直起降。
50.机翼120的数量为至少两组，机翼120包括前翼1201和后翼1202，前翼1201和后翼1202均与机身110连接，并且前翼1201以及后翼1202分别连接有第一旋翼131以及第二旋翼132。
51.在平飞阶段时，弯折部122和转接部121齐平，使得整体机翼120为平直翼，满足平飞工况下飞行器的配平需要，前翼1201与后翼1202的安装角差为1.5
°
—4
°
，由于后翼1202处于前翼1201的尾流中，且后翼1202的翼梢部分处于高升力区域，为了防止后翼1202的翼尖先于前翼1201失速，后翼1202的翼尖扭转角为-1
°
—-3
°
。
52.机翼120还包括翼舵面123，翼舵面123设置于弯折部122远离转接部121的端部后缘。
53.上述技术方案中，翼舵面123为机翼120后缘铰接的小翼片，用于在气流中利用偏转而产生平衡力和控制力来操纵飞行。
54.并且，该分布式动力倾转机翼飞行器100还包括尾翼140，尾翼140竖直连接于机身110的尾部。通过设置尾翼140，可以增强飞行的稳定性。
55.参考图3，前翼1201的展长为b，前翼1201上的第一旋翼131的半径为rr，前翼1201上的第二旋翼132的半径为rp，其中，b》(2rp+rr)。前翼1201的平均气动弦长为cf，后翼1202的平均气动弦长为cr，前翼1201和后翼1202的距离为d，其中，d》1.5(cf+cr)。
56.此外，翼舵面123的展长为0.2b-0.3b，前翼1201的翼舵面123的弦长为0.2cf-0.3cf，后翼1202的翼舵面123的弦长为0.2cr-0.4cr。并且出于提高气动效率的原因，使得翼舵面123的展向位置位于机翼120的顶端。
57.根据本实施例提供的一种分布式动力倾转机翼飞行器100，分布式动力倾转机翼飞行器100的工作原理：
58.该分布式动力倾转机翼飞行器100包括机身110、机翼120以及旋翼130，其中，旋翼130连接于机翼120，并且旋翼130通过转动提供起降以及平飞的动力。机翼120转动连接于机身110的两侧，以使机翼120的翼面与机身110相对转动。当面对垂直起降工况时，机翼120相对于机身110为竖直状态，旋翼130的转动平面位于机翼120上方，方便飞行器快速完成垂直起降；当面对平飞工况时，机翼120相对于机身110为平直状态，旋翼130的转动平面位于机翼120前方，方便飞行器高效的进行平飞作业。
59.参考图4，本发明的实施例还提供了一种其控制方法，用于上述的分布式动力倾转机翼飞行器100，包括：
60.控制所述分布式动力倾转机翼飞行器100垂直起降时，机翼120相对于机身110为竖直状态，第一旋翼131和第二旋翼132的转动平面位于机翼120上方，以使机身110垂直起降；
61.控制所述分布式动力倾转机翼飞行器100平飞时，机翼120相对于机身110为平直状态，第一旋翼131和第二旋翼132的转动平面位于机翼120前方，以使机身110俯仰运动或者滚转运动或者偏向运动。
62.其中，其控制方法还包括：依靠飞行器前翼1201和后翼1202上的第一旋翼131和第二旋翼132的总距差动实现对飞行器的俯仰控制；依靠飞行器左右两侧的第一旋翼131和第二旋翼132的总距差动实现飞行器的滚转控制；依靠飞行器左右两侧的第一旋翼131和第二旋翼132的周期变距差动实现偏航控制。
63.具体地，垂直起降模式下飞行器三个轴方向的控制方法如下：
64.滚转轴：依靠机身110左右两侧的第一旋翼131和第二旋翼132总距的差动调节所产生的飞行器左右两侧的升力差实现对飞行器滚转轴方向的控制；
65.俯仰轴：依靠前翼1201和后翼1202上的第一旋翼131和第二旋翼132总距的差动调节所产生的飞行器重心前后的升力差实现对飞行器俯仰轴方向的控制；
66.航向轴：依靠机翼120左右两侧第一旋翼131和第二旋翼132纵向、横向的周期变距差动调节所产生的气动力差实现对飞行器航向轴方向的控制。
67.过渡模式下，机翼120逐渐从倾转90
°
(竖直状态)的状态下倾转至0
°
(平直状态)，弯折部122由折叠状态逐渐展开至与转接部121平行。在这一过程中，第一旋翼131和第二旋翼132的气动力逐渐由竖直方向转换至水平方向；而随着速度的增加以及机翼120倾转角的减小，机翼120气动力竖直方向的分力也逐渐增大。为了避免主翼进入大迎角状态导致失速，在过渡时机翼120倾转角需要根据来流方向逐渐变化。
68.在过渡状态下，飞行器的俯仰控制逐渐从前翼1201和后翼1202上的第一旋翼131和第二旋翼132的总距差动转变为前翼1201和后翼1202的舵面差动；飞行器的滚转控制和航向控制将随着机翼120倾转角的变化逐渐耦合在一起。此时，飞行器机翼120左右两侧的第一旋翼131和第二旋翼132的总距差动在产生滚转力矩的同时也会逐渐产生偏航力矩直至只产生偏航力矩。因此，在过渡状态下，需要左右两侧的第一旋翼131和第二旋翼132总距差动、前翼1201和后翼1202上的第一旋翼131和第二旋翼132纵向周期变距差动以及左右两侧的翼舵面123差动共同完成飞行器滚转和航向控制并实现操纵解耦。
69.参考图5，平飞状态下(平直翼模式)，飞行器三个轴方向的控制方法如下：
70.滚转轴：飞行器依靠机翼120左右两侧翼舵面123的差动调节所产生的飞行器左右两侧的升力差实现对飞行器滚转轴方向的控制；在高机动飞行时，操纵飞行器左右两侧第二旋翼132的总距和周期变距对飞行器竖直方向产生直接力控制，与翼舵面123差动产生的升力差共同完成对飞行器滚转轴方向的控制；
71.俯仰轴：飞行器依靠前翼1201和后翼1202上舵面的差动调节所产生的飞行器重心前后的升力差实现对飞行器俯仰轴方向的控制；在高机动飞行时，操纵飞行器前翼1201和后翼1202上的第二旋翼132的总距和周期变距对飞行器竖直方向产生直接力控制，与翼舵面123差动产生的升力差共同完成对飞行器俯仰轴方向的控制；
72.航向轴：飞行器依靠左右两侧的第一旋翼131的总距差动调节所产生的气动力差
实现对飞行器航向轴方向的控制；在高机动飞行时，操纵飞行器左右两侧第二旋翼132的总距和周期变距对飞行器水平方向产生直接力控制，与第一旋翼131总距差动产生的气动力差共同完成对飞行器航向轴方向的控制。
73.本实施例提供的一种分布式动力倾转机翼飞行器100及其控制方法至少具有以下优点：(1)旋翼130在机翼120的带动下随机翼120一起轻装，减少了机翼120受到的旋翼130下洗气流的阻碍作用；(2)垂直起降时第一旋翼131和第二旋翼132共同工作，提高了整体的受载能力，降低了第二旋翼132的诱导速度，减少了第二旋翼132的尾流干扰；(3)平飞时依靠第一旋翼131提供动力，第二旋翼132停转，并顺桨以减小飞行阻力，实现更高的平飞效率；(4)平飞时可使第二旋翼132再次旋转，并通过调节总距和周期变距参与飞行器的控制，实现飞行器的高机动飞行能力；(5)通过弯折部122和粘接部的相对转动，减小了垂直起降过程中机翼120的迎风面积，提高了飞行器在有风条件下的起降能力；(6)平飞时可通过弯折部122和粘接部的相对转动，提高对飞行器的航向的调整范围。
74.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，包括：机身(110)、机翼(120)以及旋翼(130)；其中，所述旋翼(130)连接于所述机翼(120)，所述机翼(120)转动连接于所述机身(110)的两侧，以使所述机翼(120)的翼面与所述机身(110)相对转动，并且所述机翼(120)的旋转轴线位于所述机翼(120)的内部。2.根据权利要求1所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述机翼(120)包括转接部(121)和弯折部(122)，所述转接部(121)的一端与所述机身(110)转动连接，所述弯折部(122)转动连接于所述转接部(121)的另一端，所述旋翼(130)连接于所述转接部和/或所述弯折部(122)。3.根据权利要求2所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述旋翼(130)包括第一旋翼(131)和第二旋翼(132)，第一旋翼(131)连接于所述转接部(121)的前缘，第二旋翼(132)连接于所述弯折部(122)远离所述转接部(121)的端部。4.根据权利要求3所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述第一旋翼(131)的旋转半径小于所述第二旋翼(132)的旋转半径。5.根据权利要求2所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述机翼(120)还包括翼舵面(123)，所述翼舵面(123)设置于所述弯折部(122)远离所述转接部(121)的端部后缘。6.根据权利要求3所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述机翼(120)还包括前翼(1201)和后翼(1202)，所述前翼(1201)和所述后翼(1202)均与所述机身(110)连接，并且所述前翼(1201)以及所述后翼(1202)分别连接有所述第一旋翼(131)以及所述第二旋翼(132)。7.根据权利要求6所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述前翼(1201)的展长为b，所述前翼(1201)上的所述第一旋翼(131)的半径为r
r
，所述前翼(1201)上的所述第二旋翼(132)的半径为rp，其中，b>(2rp+r
r
)。8.根据权利要求6所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述前翼(1201)的平均气动弦长为c
f
，所述后翼(1202)的平均气动弦长为c
r
，所述前翼(1201)和所述后翼(1202)的距离为d，其中，d>1.5(c
f
+c
r
)。9.根据权利要求1所述的分布式动力倾转机翼飞行器，其特征在于，所述分布式动力倾转机翼飞行器还包括尾翼(140)，所述尾翼(140)竖直连接于所述机身(110)的尾部。10.一种分布式动力倾转机翼飞行器的控制方法，其特征在于，用于权利要求1-9任一项所述的分布式动力倾转机翼飞行器，包括：控制所述分布式动力倾转机翼飞行器垂直起降时，所述机翼(120)相对于所述机身(110)为竖直状态，所述旋翼(130)的转动平面位于所述机翼(120)上方，以使所述机身(110)垂直起降；控制所述分布式动力倾转机翼飞行器平飞时，所述机翼(120)相对于所述机身(110)为平直状态，所述旋翼(130)的转动平面位于所述机翼(120)前方，以使所述机身(110)俯仰运动或者滚转运动或者偏向运动。

技术总结
本发明的实施例提供了一种分布式动力倾转机翼飞行器及其控制方法，涉及飞行器领域。该分布式动力倾转机翼飞行器包括机身、机翼以及旋翼，其中，旋翼连接于机翼，并且旋翼通过转动提供起降以及平飞的动力。机翼转动连接于机身的两侧，以使机翼的翼面与机身相对转动。当面对垂直起降工况时，机翼相对于机身为竖直状态，旋翼的转动平面位于机翼上方，方便飞行器快速完成垂直起降；当面对平飞工况时，机翼相对于机身为平直状态，旋翼的转动平面位于机翼前方，方便飞行器高效的进行平飞作业。方便飞行器高效的进行平飞作业。方便飞行器高效的进行平飞作业。


技术研发人员：陈树生 李猛 杨华 季逸民 高正红
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.09.08
技术公布日：2023/6/7