一种具有旋翼开闭式整流机构的垂直起降无人机

1.本发明涉及一种具有旋翼开闭式整流机构的小型垂直起降无人机。


背景技术：

2.随着航空技术的发展，垂直起降飞机逐渐登上了历史舞台。垂直起降飞机(vtol:vertical take-off and landing)的准确定义是：能够以零速度起飞/着陆,具备悬停能力,并能以固定翼飞机的方式水平飞行。与常规固定翼飞机相比，它具有垂直起降飞行能力，对起降场地要求较小；与传统直升机相比，其具有固定翼飞机较大的飞行速度与航程。
3.垂直起降飞机虽然有如上优点,但也带来了飞行速度缓慢、结构过于复杂、过渡状态控制困难等弊端,而这些因素也成为垂直起降飞行器在问世以后发展缓慢的一个原因。此次申请专利的机构聚焦于解决垂直起降飞机飞行速度缓慢的问题。


技术实现要素：

4.根据本发明的一个方面，提供了一种垂直起降无人机，其特征在于包括：
5.机身，
6.与机身相连的第一和第二机翼，
7.第一和第二整流机构，其分别外挂在第一和第二机翼下部，
8.第一和第二垂尾，其分别与第一和第二整流机构相连，
9.连接第一和第二垂尾的平尾，
10.涡喷发动机，安装在机身上，
11.其中第一整流机构包括：
12.第一和第二电机，
13.第一和第二旋翼，其分别由第一和第二电机驱动，
14.第一至第四开合板，其中第一和第二开合板被设在第一机翼之前，第三和第四开合板被设在第一机翼之后，
15.第一碳管,
16.第一和第二底板，其装配在第一碳管上，第一和第二底板与第一至第四开合板均为角度120度的圆弧板，第一和第二开合板与第一底板具有相同的长度，第三和第四开合板与第二底板具有相同的长度，第一和第二开合板的圆弧板半径略大于第一底板的半径，第三和第四开合板的圆弧板半径略大于第二底板的半径，
17.第一整流头罩，其与第一碳管和第一底板相连，
18.第一机翼下整流罩，其与第一机翼相连，
19.第一垂尾连接整流罩，其与第一垂尾相连，
20.整流罩开合传力机构，其中第一底板两侧的第一至第四开合板通过整流罩开合传力机构固定在第一和第二底板圆弧所在圆的同心圆上，并可以绕该同心圆的圆心旋转，从而实现整流罩的闭合和打开，
21.其中：
22.当无人机垂直起降和/或悬停时，第一和第二整流机构打开，第一至第四旋翼旋转提供动力，且
23.当无人机高速平飞时，第一和第二整流机构闭合，以此来降低无人机受到的阻力，同时涡喷发动机启动以提供动力，使无人机的飞行速度提高。
附图说明
24.图1是根据本发明的一个实施例的垂直起降无人机的整机外形图，其中开闭式整流机构打开。
25.图2的(a)和(b)是根据本发明的一个实施例的垂直起降无人机的整机外形图，其中开闭式整流机构闭合。
26.图3是根据本发明的一个实施例的开闭式整流机构闭合时的整体外形图。
27.图4是根据本发明的一个实施例的开闭式整流机构打开状态的整体外形图。
28.图5是根据本发明的整流罩闭合的侧视图。
29.图6是根据本发明的整流罩的打开过程的侧视图。
30.图7是根据本发明的整流罩打开时的侧视图。
31.图8是根据本发明的开闭式整流机构打开状态的整体外形图。
32.图9的(a)和(b)是根据本发明的整流罩开合传力机构的示意图。图10根据本发明的开闭式整流机构打开状态的局部外形图。
具体实施方式
33.为了解决现有垂直起降无人机平飞速度缓慢的问题，应减小无人机的气动阻力，对于垂直起降无人机来说，用于无人机垂直起降的旋翼，在水平高速飞行时会产生大量的气动涡，造成巨大飞行阻力，严重制约了无人机飞行速度的提高。
34.所以应针对旋翼设计一种整流机构，要求此机构可以实现：垂直起降和悬停过程中，整流机构打开，四组旋翼高速旋转，保证无人机的高效稳定垂直起降；水平高速飞行时，旋翼和电机停转，整流机构闭合，减小高速飞行时的气动阻力。同时此机构应兼具结构简单，重量轻，稳定性高的特点。
35.以下结合附图说明本发明的具体实施例。
36.整流罩外形设计
37.根据本发明的一个实施例的垂直起降无人机的外形图如图1和图2所示，其中，该垂直起降无人机包括机身(26)、机翼(24,25)、垂尾(21,22)、平尾(23)、起落架(27)、涡喷发动机(36)、第一至第四电机(32,33,34,35)、第一至第四旋翼(28,29,30,31)、整流头罩(1,2)、开合板(7,8,9,10,11,12,13,14)、底板(3,4,5,6)、机翼下整流罩(15,16)、垂尾连接整流罩(17,18)。
38.其中整流机构(见下文说明)外挂在机翼(24,25)下部，以实现开合功能，在无人机垂直起降或悬停时，整流机构打开，第一至第四旋翼(28,29,30,31)旋转提供动力(图1)。当无人机高速平飞时，整流机构闭合(图2的(a)和(b))，以此来降低无人机受到的阻力，同时涡喷发动机(36)启动以提供动力，使无人机的飞行速度提高。
39.整流罩主要包括第一和第二整流头罩(1,2)、第一至第四对开合板(7,8,9,10,11,12,13,14)、第一至第四底板(3,4,5,6)、第一和第二机翼下整流罩(15,16)、第一和第二垂尾连接整流罩(17,18)(图2、图3)。两个机翼(24,25)的每一个前后各设有一对开合板。各开合板(7,8,9,10,11,12,13,14)与相应的底板(3,4,5,6)具有相同的长度，且各开合板与相应的底板均为角度120度的圆弧板，各开合板的圆弧板半径略大于相应的底板半径。如图5,6所示。
40.如图4所示，第一机翼下整流罩(15)和第一机翼(24)相连，并第一垂尾连接整流罩(17)和第一垂尾(21)相连。第一和第二底板(3,5)装配在第一碳管(19)上。第一整流头罩(1)与第一碳管(19)和第一底板(3)相连(如图4所示)。第一底板(3)两侧的第一和第二对开合板(7,8,9,10)通过整流罩开合传力机构(见下文说明)固定在第一和第二底板(3,5)圆弧所在圆的同心圆上，并可以绕该同心圆的圆心旋转，从而实现整流罩的闭合和打开，其轴测图如图3和图4所示；其中，由图3所示箭头看去，隐藏第一整流头罩(1)，可以看到整流罩闭合，打开过程；完全打开的侧视图如图5、图6、图7所示，其中图示箭头为开合方向。
41.整流罩开合的传力机构
42.传力机构安装在底板的两侧，一侧机翼共安装4套传力机构，整机共8套(如图8所示)。
43.传力机构包括舵机架(37)、舵机(43)、舵机齿轮(44)、同心齿轮(40,41)、钢轴(42)、连杆(38,39)、开合板(7,8)，其中：舵机(43)与舵机架(37)相连，舵机(43)与舵机齿轮(44)相连，同心齿轮(40)与连杆(39)相连，同心齿轮(41)与连杆(38)相连，第一开合板(7)与左连杆(38)相连，第二开合板(8)与右连杆(39)相连，钢轴(42)依次穿过舵机架(37)上的小孔，两个同心齿轮(40,41)，再从舵机架(37)另一侧的小孔传出，将同心齿轮和连杆连接在舵机架上(37)(如图9的(a)和(b)所示)。舵机架(37)穿过第一碳管(19)，固连在第一底板(3)的两侧，连杆(38，39)分别与第一底板(3)两侧的第一和第二开合板(7,8)连接(如图10所示)。当舵机旋转时，舵机齿轮带动两个同心齿轮向两侧转动，与舵机齿轮固连的连杆开合板也随之转动，从而实现第一和第二开合板的开合运动。(开合侧视图如图5,6,7所示)
44.现在说明根据本发明的一个实施例的的垂直起降无人机的一种运行实例。
45.实例：垂直起降无人机常规飞行过程
46.1、垂直起飞：开闭式整流机构打开，旋翼旋转提供动力，使无人机垂直起
47.飞至一定高度。
48.2、模式切换：涡喷发动机启动，当无人机达到一定平飞速度时，旋翼停转，开闭式整流机构闭合。
49.3、固定翼爬升、巡航、俯冲：按照固定翼飞机的形式执行任务，此时报复是整流机构处于闭合状态，减小无人机气动阻力，提高飞行速度。
50.4、模式切换：开闭式整流机构打开，旋翼启动，涡喷发动机关闭。
51.5、垂直降落：旋翼旋转提供动力，是无人机垂直降落到目标地点。
52.本发明的优点和有益效果包括：
53.在垂直起降和悬停过程中，整流机构打开，四组旋翼高速旋转，保证无人机的高效稳定垂直起降；
54.水平高速飞行时，旋翼和电机停转，整流机构闭合，减小高速飞行时的气动阻力；
55.根据本发明的方案兼具结构简单，重量轻，稳定性高的特点。

技术特征：
1.一种垂直起降无人机，其特征在于包括：机身(26)，与机身相连的第一和第二机翼(24,25)，第一和第二整流机构，其分别外挂在第一和第二机翼(24,25)下部，第一和第二垂尾(21,22)，其分别与第一和第二整流机构相连，连接第一和第二垂尾的平尾(23)，涡喷发动机(36)，安装在机身上，其中第一整流机构包括：第一和第二电机(32,33)，第一和第二旋翼(28,29)，其分别由第一和第二电机驱动，第一至第四开合板(7,8,9,10)，其中第一和第二开合板(7,8)被设在第一机翼(24)之前，第三和第四开合板(9,10)被设在第一机翼(24)之后，第一碳管(19),第一和第二底板(3,5)，其装配在第一碳管(19)上，第一和第二底板(3,5)与第一至第四开合板(7,8,9,10)均为角度120度的圆弧板，第一和第二开合板(7,8)与第一底板(3)具有相同的长度，第三和第四开合板(9,10)与第二底板(5)具有相同的长度，第一和第二开合板(7,8)的圆弧板半径略大于第一底板(3)的半径，第三和第四开合板(9,10)的圆弧板半径略大于第二底板(5)的半径，第一整流头罩(1)，其与第一碳管(19)和第一底板(3)相连，第一机翼下整流罩(15)，其与第一机翼(24)相连，第一垂尾连接整流罩(17)，其与第一垂尾(21)相连，整流罩开合传力机构，其中第一底板(3)两侧的第一至第四开合板(7,8,9,10)通过整流罩开合传力机构固定在第一和第二底板(3,5)圆弧所在圆的同心圆上，并可以绕该同心圆的圆心旋转，从而实现整流罩的闭合和打开，其中：当无人机垂直起降和/或悬停时，第一和第二整流机构打开，第一至第四旋翼(28,29,30,31)旋转提供动力，且当无人机高速平飞时，第一和第二整流机构闭合，以此来降低无人机受到的阻力，同时涡喷发动机(36)启动以提供动力，使无人机的飞行速度提高。2.根据权利要求1所述的垂直起降无人机，其特征在于：第二整流机构具有与第一流机构对称的结构。3.根据权利要求1所述的垂直起降无人机，其特征在于进一步包括：起落架(27)。4.根据权利要求1所述的垂直起降无人机，其特征在于：整流罩开合传力机构被安装在各底板的两侧，一侧机翼共安装4套传力机构，整机共8套。5.根据权利要求1所述的垂直起降无人机，其特征在于：第一传力机构包括舵机架(37)、舵机(43)、舵机齿轮(44)、同心齿轮(40,41)、钢轴(42)、连杆(38,39)、第一和第二开合板(7,8)，
其中：舵机(43)与舵机架(37)相连，舵机(43)与舵机齿轮(44)相连，同心齿轮(40)与连杆(39)相连，同心齿轮(41)与连杆(38)相连，第一开合板(7)与左连杆(38)相连，第二开合板(8)与右连杆(39)相连，钢轴(42)依次穿过舵机架(37)上的小孔、两个同心齿轮(40,41)，再从舵机架(37)另一侧的小孔传出，将同心齿轮和连杆连接在舵机架上(37)，舵机架(37)穿过第一碳管(19)，固连在第一底板(3)的两侧，连杆(38，39)分别与第一底板(3)两侧的第一和第二开合板(7,8)连接，当舵机旋转时，舵机齿轮带动两个同心齿轮向两侧转动，与舵机齿轮固连的连杆开合板也随之转动，从而实现第一和第二开合板的开合运动。

技术总结
本发明提供一种无人机旋翼的开闭式整流机构，其包括固定舵机的舵机架，舵机，舵机齿轮，同心齿轮，连杆，整流罩。舵机旋转通过舵机齿轮传动到同心齿轮，进而驱动连杆旋转，带动整流罩开合。本发明可以实现对垂直起降无人机旋翼的包覆，降低垂直起降无人机水平飞行的气动阻力，提高飞行速度。提高飞行速度。提高飞行速度。


技术研发人员：王耀坤 马元一 杨超 付宁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/4/18