一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法与流程

1.本发明涉及飞行器，具体涉及一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法。


背景技术：

2.近年来，各种新概念智能飞行平台蓬勃发展、日新月异，其中垂直起降飞行器尤为引人注目。典型的垂直起降飞行器构型包括复合翼、倾转旋翼及尾座式三种方案。业界人士普遍认为，倾转旋翼方案相对复合翼方案较为先进，并在军民等应用领域均已出现了较为成熟的项目。以某国v-22鱼鹰为例，安装在鱼鹰翼梢处的旋翼/发动机舱系统能够在与飞机主轴(穿过重心及机头的轴线)平行和垂直的位置之间转动。当旋翼螺轴线(穿过旋翼中心且垂直于旋翼平面的轴线)与飞机主轴垂直时，鱼鹰的工作方式与双旋翼横列式直升机类似，可实现垂直起降；而当旋翼螺轴线与飞机主轴平行时，鱼鹰就相当于常规固定翼飞机，能进行高速远距飞行。此类构型也大量应用于电动垂直起降载人飞行汽车的开发中，如joby s4等。此类构型的缺点是倾转旋翼往往会与机翼、平尾等各气动面相互干扰，使流场变复杂；并且倾转机构会带来一定的废重，影响航程；也会增加结构复杂程度，影响整机安全裕度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，降低了系统结构复杂度，提高了安全性，并避免了巡航阶段倾转机构带来的废重。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：
5.一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，包括飞行器的总体方案设计、气动布局设计和差速控制的旋翼倾转方案设计，其中：
6.所述总体方案设计为：飞行器有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时，为典型的四旋翼布局，可实现垂直起降与悬停等功能；处于固定翼模态时，为典型的三翼面布局，可实现平飞巡航等功能；所述气动布局设计，包括机体、鸭翼及其上的旋翼、主翼及其上的旋翼、倾转连接机构、平尾及垂尾；鸭翼上的旋翼与主翼上的旋翼在桨叶翼型、桨距、桨叶数量、桨叶直径可以存在一定差别，需要详细设计；所述差速控制的旋翼倾转方案设计，通过鸭翼与主翼上旋翼的差速产生力矩，带动鸭翼、主翼、及各自的旋翼整体发生倾转，实现旋翼模态及固定翼模态的转换。具体的旋翼数量、位置、及实现倾转功能的连接机构设计尚有其它方案，但与本专利类似的设计也在本专利保护范围。
7.进一步地，所述总体方案设计，先根据固定翼巡航阶段的指标要求，如航程、总重、载重、巡航高度、巡航速度等参数，以三翼面气动布局的固定翼方案为基础，确定飞行器的尺寸、动力需求、升阻比，并根据气动性能需求确定鸭翼、旋翼、主翼、旋翼的初步尺寸及位置参数；再根据旋翼起降及模态转换阶段的功率、推力等指标要求，以四旋翼方案为基础，进一步确定旋翼相关参数、动力(电机或发动机)及能源(电池或燃油)选型等；最后根据旋
翼起降、模态转换、固定翼巡航等全过程的综合指标要求给出初步气动设计方案、控制设计方案、结构设计方案、电气设计方案，并评估飞行性能及飞行品质，给出可用的飞行包线及总体设计方案；
8.进一步地，所述气动布局设计具体包括：在固定翼模态时，为典型的三翼面布局。其中，前置鸭翼在偏下位置，中部主翼在偏上位置，鸭翼与主翼上的旋翼均布置在翼梢位置，倾转连接机构将鸭翼与主翼固连；鸭翼与主翼上的旋翼处于水平状态，产生的拉力作为全机的巡航动力，此时飞行器的操纵逻辑与常规固定翼飞机一样，操纵力矩由副翼、升降舵及方向舵提供，不赘述；在旋翼模态时，经过整体旋转后，鸭翼与主翼上的旋翼均处于垂直状态，产生的拉力平衡飞行器重力，并提供向上的加速度，此时飞行器的操纵逻辑与常规四旋翼无人机一致；此构型在固定翼模态时具备典型三翼面气动布局优点，前置鸭翼可以增加全机升力及升阻比，在相同燃油或电池重量下，可减少巡航阶段耗能，从而增加航程。
9.进一步地，所述倾转连接机构通过鸭翼上的旋翼与主翼上的旋翼的转速差动产生力矩，带动鸭翼、主翼及其上的旋翼整体发生倾转；当飞行器从旋翼模态切换到固定翼模态时，调节旋翼转速，使主翼上旋翼的转速大于鸭翼上旋翼的转速；当飞行器从固定翼模态切换到旋翼模态时，使鸭翼上旋翼的转速大于主翼上旋翼的转速。
10.进一步地，所述倾转连接机构，包括悬臂梁、圆盘、转轴和限位销，鸭翼及主翼在翼根弦向中部位置通过悬臂梁刚性连接；所述悬臂梁的中心位置通过一个绕转轴可转动的圆盘连接机体，所述圆盘上设有若干个限位销可以将鸭翼及主翼锁定为旋翼模态或固定翼模态，在接到倾转指令时，限位销打开，并在圆盘旋转90
°
后自动弹入机身销孔锁死。
11.进一步地，所述悬臂梁与鸭翼及主翼的弦向夹角为45
°
，所述限位销按90
°
在圆盘上等比分布。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
13.本发明飞行器无需舵机等专门的倾转机构，通过差速控制即可实现旋翼的倾转，从而实现起降阶段的旋翼模态及巡航阶段的固定翼模态两种飞行方式；本发明飞行器兼具旋翼垂直起降与固定翼远程巡航功能，有利于降低系统结构复杂度，提高安全性，并避免了巡航阶段倾转机构带来的废重，可广泛应用于军用垂直起降飞行器及民用飞行汽车、物流无人机等方案设计中。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图。
15.图2为本发明中固定翼模态示意图。
16.图3为本发明中旋翼模态示意图。
17.图4为本发明中实现倾转功能的连接机构示意图。
具体实施方式
18.本发明公开了一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器的设计方法，该方法设计的飞行器无需舵机等专门的倾转机构即可实现旋翼的倾转，从而实现起降阶段的旋翼模态及巡航阶段的固定翼模态两种飞行方式。与传统倾转旋翼垂直起降飞行器相比，该方案有利于降低系统结构复杂度，提高安全性，并避免了巡航阶段倾转机构带来的废重。该方法包
括一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器的总体方案设计、差速控制的旋翼倾转方案设计、实现倾转功能的连接机构设计，其中：
19.所述一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器的总体方案设计，有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时，为典型的四旋翼布局，可实现垂直起降与旋停等功能；处于固定翼模态时，为典型的三翼面布局，可实现平飞巡航等功能。所述差速控制的旋翼倾转方案设计，通过前置鸭翼及中部主机翼(以下简称为主翼)翼梢处旋翼的差速产生力矩，带动鸭翼、主翼及其上的旋翼发生倾转，实现旋翼模态及固定翼模态的转换；所述实现倾转功能的连接机构设计，鸭翼及主翼在翼根弦向中部位置通过悬臂梁6-1刚性连接，悬臂梁6-1的中点位置通过一个可转动的圆盘6-2连接机身，圆盘6-2上的限位销6-4可以将鸭翼及主翼锁定为旋翼模态及固定翼模态。具体的旋翼数量、位置、及实现倾转功能的连接机构设计尚有其它方案，但与本专利类似的设计也在本专利保护范围。本实施例提供的一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器具体为：
20.结合图1～图3，所述一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器，由机体1、鸭翼2、旋翼3、主翼4、旋翼5、倾转连接机构6、平尾7及垂尾8构成，为典型的三翼面布局。其中，鸭翼2在机体1前方偏下位置，主翼4在机体1中部偏上位置，旋翼3及旋翼5各有一对，呈左右对称分别布置在鸭翼2和主翼4的翼梢位置，倾转连接机构6将鸭翼2与主翼4固连。在固定翼模态时，旋翼3及旋翼5均处于水平状态，产生的拉力作为全机的巡航动力，此时飞行器的操纵力矩与常规固定翼飞机一样，由副翼、升降舵及方向舵提供，不赘述；在旋翼模态时，旋翼3与旋翼5均处于垂直状态，产生的拉力平衡飞行器重力，并提供向上的加速度，此时飞行器的操纵逻辑与常规四旋翼无人机一致。此构型的优点，在固定翼模态时，通过合理设计鸭翼2与主翼4的位置，可以增加全机升力及升阻比，在相同航程下，可以减少巡航阶段耗能，从而减轻飞行器总重。如何找到最合适的鸭翼与主翼的位置关系，从而起到最大增升效果，需要通过cfd计算进行多轮优化迭代设计，为气动设计常规方法，在此不再累述。
21.所述差速控制的旋翼倾转方案，将鸭翼2及主翼4通过倾转连接机构6整体固连，并可绕机身转动，利用旋翼3及旋翼5的转速差动产生力矩，带动鸭翼2、主翼4及其上的旋翼整体倾转，实现旋翼模态及固定翼模态的转换。当飞行器从旋翼模态切换到固定翼模态时，令旋翼5的转速大于旋翼3的转速；当飞行器从固定翼模态切换到旋翼模态时，令旋翼3的转速大于旋翼5的转速。具体设计时，通过调节旋翼3及旋翼5的转速差，可以改变倾转速度，从而控制模态转换阶段的完成时间，关于转速具体如何调节为本领域公知常识，在此不再累述。
22.结合图，所述实现倾转功能的倾转连接机构6包括悬臂梁6-1、圆盘6-2、转轴6-3和限位销6-4，鸭翼2及主翼4在翼根弦向中部位置通过悬臂梁6-1刚性连接，悬臂梁6-1与鸭翼2及主翼4弦向夹角为45
°
；悬臂梁6-1的中心位置通过一个绕转轴6-3可转动的圆盘6-2连接机身，转轴6-3固定在机体1上，圆盘6-2上按90
°
等比分布的四个限位销6-4，机身1上设有相应的销孔，可以将鸭翼2及主翼4锁定为旋翼模态及固定翼模态。在接到倾转指令时，限位销6-4打开，并在圆盘6-2旋转90
°
后自动弹入机身销孔锁死。

技术特征：
1.一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于：包括飞行器的总体设计、气动布局设计和差速控制的旋翼倾转方案设计，其中：所述总体设计为：飞行器有旋翼及固定翼两种模态，处于旋翼模态时，为四旋翼布局，实现垂直起降与悬停功能；处于固定翼模态时，为三翼面布局，实现平飞巡航功能；所述气动布局设计为：飞行器包括机体、鸭翼及其上的旋翼、主翼及其上的旋翼、倾转连接机构、平尾及垂尾；所述差速控制的旋翼倾转方案设计为：通过鸭翼与主翼上的旋翼差速产生力矩，带动鸭翼及其上的旋翼、主翼及其上的旋翼随倾转连接机构发生倾转，实现旋翼模态及固定翼模态的转换。2.根据权利要求1所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述总体设计具体包括：先根据固定翼巡航阶段的指标要求，以三翼面气动布局的固定翼为基础，确定飞行器的尺寸、动力需求和升阻比，确定鸭翼、旋翼、主翼和旋翼的初步尺寸及位置参数；再根据旋翼起降及模态转换阶段的指标要求，以四旋翼为基础，进一步确定旋翼相关参数、驱动装置及能源选型；最后根据旋翼起降、模态转换、固定翼巡航全过程的综合指标确定初步气动设计方案、控制设计方案、结构设计方案和电气设计方案，并评估飞行性能及飞行品质，确定可用的飞行包线及总体设计方案。3.根据权利要求2所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述驱动装置为电机或发动机，所述能源为电池或燃油。4.根据权利要求1所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述气动布局设计，在固定翼模态时，鸭翼在机体前方偏下位置，主翼在中部偏上位置，鸭翼与主翼上的旋翼均布置在翼梢位置，并处于水平状态，产生的拉力作为全机的巡航动力；在旋翼模态时，经过整体旋转后，鸭翼与主翼上的旋翼均处于垂直状态，产生的拉力平衡飞行器重力，并提供向上的加速度。5.根据权利要求1所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述差速控制的旋翼倾转设计具体包括：当飞行器从旋翼模态切换到固定翼模态时，调节旋翼转速，使主翼上旋翼的转速大于鸭翼上旋翼的转速；当飞行器从固定翼模态切换到旋翼模态时，使鸭翼上旋翼的转速大于主翼上旋翼的转速。6.根据权利要求1所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述倾转连接机构包括悬臂梁、圆盘、转轴和限位销，鸭翼及主翼在翼根弦向中部位置通过悬臂梁刚性连接，所述悬臂梁的中心位置通过一个绕转轴可转动的圆盘连接机体，所述圆盘上设有若干个限位销可以将鸭翼及主翼锁定为旋翼模态或固定翼模态，在接到倾转指令时，限位销打开，并在旋转后自动弹入机身销孔锁死。7.根据权利要求6所述的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，其特征在于，所述所述悬臂梁与鸭翼及主翼的弦向夹角为45
°
，所述限位销按90
°
在圆盘上等比分布。

技术总结
本发明提供了一种差速控制的倾转旋翼垂直起降飞行器设计方法，包括机体、鸭翼及其翼梢上的旋翼、主翼及其翼梢上的旋翼、倾转连接机构、平尾及垂尾，倾转连接机构将鸭翼及主翼在翼根弦向中点位置处固连，通过鸭翼及主翼上的旋翼转速差动产生力矩，带动鸭翼、主翼及其上的旋翼整体倾转，实现旋翼模态及固定翼模态的转换。处于固定翼模态时，鸭翼和主翼的旋翼均处于水平状态；处于旋翼模态时，所有旋翼均处于垂直状态；所述飞行器在固定翼模态时为典型的三翼面布局，前置鸭翼在机体偏下位置，主翼在机体偏上位置，通过合理设计鸭翼与主翼位置，可以增加全机升力及升阻比，在相同燃油或电池重量下，可以减少巡航阶段耗能，从而增加航程。航程。航程。


技术研发人员：万欢 陈晓明
受保护的技术使用者：中国人民解放军总参谋部第六十研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/3/30