新型多功能傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)

新型多功能傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)

簡介：

該作品是在對(duì)現(xiàn)有無人機(jī)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)其自身存在的一些不足，并且面向我國艦載無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機(jī)在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款新型無人機(jī)，兼具無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既有效解決了現(xiàn)有涵道無人機(jī)飛行速度慢，控制復(fù)雜等不足，又克服了傳統(tǒng)無人直升機(jī)飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，具有廣闊應(yīng)用前景。

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詳細(xì)介紹：

該作品是在對(duì)現(xiàn)有無人機(jī)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)其自身存在的一些不足，并且面向我國艦載無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機(jī)在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款新型無人機(jī)。 該無人機(jī)既有以下特點(diǎn)： 1、采用無尾、翼身融合布局，使得該無人機(jī)具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能； 2、采用可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計(jì)，使該無人機(jī)既具備垂直\短距起降和懸停性能，又能實(shí)現(xiàn)高、低速前飛和向后倒退飛行，兼具無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該無人機(jī)還具有優(yōu)良的空中減速性能； 3、采用三涵道姿態(tài)控制設(shè)計(jì)，每個(gè)涵道的動(dòng)力面和控制面完全獨(dú)立，克服了傳統(tǒng)無人直升機(jī)飛行控制耦合嚴(yán)重的問題，有效保障了飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 4、可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了涵道傾轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精確性； 5、采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整機(jī)分為七大模塊，安裝和拆解方便快捷，大大減少了飛機(jī)所占的空間，便于運(yùn)輸； 6、采用涵道旋翼設(shè)計(jì)，全部槳葉內(nèi)置在涵道中，提高了復(fù)雜環(huán)境下飛行的安全性。

該無人機(jī)的控制原理如下： 1、通過調(diào)節(jié)三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速來改變?nèi)齻€(gè)姿態(tài)操控涵道產(chǎn)生的拉力大小，形成縱向控制力矩來控制該無人機(jī)的縱向姿態(tài)。 2、當(dāng)該無人機(jī)處于垂直起降和懸停狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)上、下主旋翼的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩來控制該無人機(jī)的航向姿態(tài)；當(dāng)該無人機(jī)處于前飛狀態(tài)時(shí)，通過方向舵來控制該無人機(jī)的航向姿態(tài)。 3、通過反向調(diào)節(jié)機(jī)翼翼尖部位兩個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使兩個(gè)姿態(tài)操控涵道產(chǎn)生的反向的拉力，從而控制該無人機(jī)的橫向滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。

 該無人機(jī)的五種典型工作狀態(tài)的描述如下： 1、垂直起降。中央涵道內(nèi)兩個(gè)主旋翼等速反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生豎直向上的拉力平衡飛機(jī)的重量，同時(shí)通過控制三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機(jī)所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩。此時(shí)飛機(jī)為直升機(jī)飛行模式。 2、空中懸停。通過控制中央涵道內(nèi)兩個(gè)主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其產(chǎn)生的升力剛好能平衡飛機(jī)的重量，從而使飛機(jī)處于懸停狀態(tài)，同時(shí)通過控制三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機(jī)所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛機(jī)懸停狀態(tài)的穩(wěn)定性；通過調(diào)節(jié)上、下主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使飛機(jī)原地旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)航向控制。此時(shí)飛機(jī)為直升機(jī)飛行模式。 3、低速前飛。通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使中央涵道向前逐漸傾轉(zhuǎn)到一定角度，同時(shí)控制兩個(gè)主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其既能平衡飛機(jī)的部分重量，又能產(chǎn)生一定的推力并以最佳的推進(jìn)效率來推動(dòng)飛機(jī)低速飛行，通過控制三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機(jī)所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性，此時(shí)飛機(jī)處于由直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式過渡的飛行模式。 4、高速前飛。此時(shí)飛機(jī)已達(dá)到一定速度，機(jī)翼產(chǎn)生的升力已能夠平衡飛機(jī)的重量，通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使中央涵道向前逐漸傾轉(zhuǎn)到90°，同時(shí)控制兩個(gè)主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其以最佳的推進(jìn)效率來推動(dòng)飛機(jī)高速飛行，通過控制三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機(jī)所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性。此時(shí)飛機(jī)完成由直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式的過渡，為固定翼飛機(jī)飛行模式。 5、空中減速或向后倒退飛行。通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使中央涵道向后逐漸傾轉(zhuǎn)到一定角度，同時(shí)控制兩個(gè)主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其既能平衡飛機(jī)的部分重量，又能產(chǎn)生一定的反推力并以最佳的推進(jìn)效率來降低飛機(jī)的飛行速度或推動(dòng)飛機(jī)向后倒退飛行，通過控制三個(gè)姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機(jī)所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性，此時(shí)飛機(jī)處于由固定翼飛機(jī)模式向直升機(jī)模式過渡的飛行模式。 該無人機(jī)既有效解決了現(xiàn)有涵道無人機(jī)飛行速度慢，控制復(fù)雜等不足，又克服了傳統(tǒng)無人直升機(jī)飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，可作為艦載無人機(jī)，用于軍情偵察、反恐和反潛掃雷等；也可在城市、山區(qū)、森林等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行火災(zāi)汛情監(jiān)測(cè)、森林巡查、輸油管道監(jiān)察、核泄漏探測(cè)、指揮交通、追捕逃犯、空中攝影和廣告宣傳等，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的無人飛行器。

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1、設(shè)計(jì)目的 本作品是針對(duì)我國艦載無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機(jī)在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)，旨在研究傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、涵道在傾轉(zhuǎn)過程中的空氣動(dòng)力學(xué)特性以及傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)的飛行控制特性，為我國傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)和自主飛行控制技術(shù)提供技術(shù)儲(chǔ)備和積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)我國涵道式無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。 2、基本思路 在涵道無人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上融入傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)和涵道姿態(tài)控制技術(shù)，以解決現(xiàn)有涵道無人機(jī)飛行速度較慢、控制較為復(fù)雜等問題，采用涵道旋翼設(shè)計(jì)且各涵道動(dòng)力面和控制面相互獨(dú)立以克服傳統(tǒng)無人直升機(jī)飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，以促進(jìn)我國艦載無人機(jī)的發(fā)展和無人機(jī)在城市、森林和山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。 3、創(chuàng)新點(diǎn) 1）無尾、翼身融合氣動(dòng)布局； 2）可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計(jì)； 3）三涵道姿態(tài)控制設(shè)計(jì)； 4）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 4、技術(shù)關(guān)鍵 1）分析論證傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，確定其氣動(dòng)布局并進(jìn)行總體參數(shù)選擇； 2）設(shè)計(jì)可傾轉(zhuǎn)中央涵道和姿態(tài)控制涵道； 3）設(shè)計(jì)可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 4）建立傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)的氣動(dòng)計(jì)算模型； 5）研究傾轉(zhuǎn)涵道無人機(jī)的飛行控制特性。 5、主要技術(shù)指標(biāo) 機(jī)長：2192.5mm，翼展：2886mm，中央涵道直徑：800mm，姿態(tài)控制涵道直徑：250mm，最大起飛重量：20kg，有效載荷：5kg。

科學(xué)性、先進(jìn)性

現(xiàn)有涵道無人機(jī)的不足之處： 1.采用固定式涵道設(shè)計(jì)，并在涵道下方設(shè)置一些舵面來控制其飛行姿態(tài)，控制較復(fù)雜且控制效果不理想； 2.通過傾斜機(jī)身實(shí)現(xiàn)前飛，飛行速度較低； 本作品的突出技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 為克服現(xiàn)有涵道無人機(jī)飛行速度較慢、控制較為復(fù)雜等問題，本作品是將傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)和三涵道姿態(tài)控制技術(shù)融入現(xiàn)有涵道無人機(jī)技術(shù)后得到的一種創(chuàng)新型的解決方案，其突出技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下： 1、采用無尾、翼身融合布局，使得該無人機(jī)具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能； 2、采用可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計(jì)，使該無人機(jī)既具備垂直\短距起降和懸停性能，又能實(shí)現(xiàn)高、低速前飛和向后倒退飛行，兼具無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該無人機(jī)還具有優(yōu)良的空中減速性能； 3、采用三涵道姿態(tài)控制設(shè)計(jì)，每個(gè)涵道的動(dòng)力面和控制面完全獨(dú)立，克服了傳統(tǒng)無人直升機(jī)飛行控制耦合嚴(yán)重的問題，有效保障了飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 4、可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了涵道傾轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精確性； 5、采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸。

同類課題研究水平概述

眾所周知，近年來無人機(jī)因其鮮明的技術(shù)特點(diǎn)在軍事和民用領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，尤其在軍事偵察、反恐、公安、消防、森林巡查、核泄漏探測(cè)以及救災(zāi)等領(lǐng)域具有廣泛的需求，它代表著未來航空器的一個(gè)重要發(fā)展方向。 從二十世紀(jì)五十年代到現(xiàn)在先后涌現(xiàn)出了許多獨(dú)特的小型無人飛行器。如美國西科斯基公司為多用途安全與監(jiān)視任務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目而成功研制了“Cypher”無人驗(yàn)證機(jī)，有Cypher-Ⅰ及其改進(jìn)型Cypher-Ⅱ兩個(gè)型號(hào)，“Cypher”系列屬于混合布局的涵道旋翼飛行器，結(jié)合了涵道技術(shù)和共軸推進(jìn)旋翼的概念，將共軸槳葉，遙控操作，先進(jìn)的電子設(shè)備綜合在了一起。與暴露式槳葉的設(shè)計(jì)相比更為安全。2001年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了建制無人機(jī)(計(jì)劃，在該計(jì)劃下，美國霍尼韋爾公司研制了OAV－II無人機(jī)，該無人機(jī)有效載荷9kg，使用一個(gè)30 kW的重油發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，可以續(xù)航2h、飛行16km。美國極光公司為此研制的金眼涵道無人機(jī)采用了尾部穩(wěn)定翼以及涵道外部可拆卸的活動(dòng)機(jī)翼，其目的是提高其在平飛狀態(tài)時(shí)的飛行穩(wěn)定性和飛行速度。 歐洲各國也在緊鑼密鼓的開展新型無人機(jī)的研究，如英國于2006年推出了其最新研制的碟形無人飛行器——GFS項(xiàng)目，該飛行器靠電池提供能量，能夠垂直起飛和降落，美國國防部十分關(guān)注此項(xiàng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過“GFS”飛碟盤旋飛行和操控示范，美國國防部已簽訂了定制合約；新加坡也推出了自己的涵道式無人機(jī)Fantail，該機(jī)采用直流無刷電動(dòng)機(jī)作為螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有垂直起降以及水平高速飛行的能力。 我國無人機(jī)研制也走過了四十年的發(fā)展歷程，近年來也在無人機(jī)領(lǐng)域明顯加快了研究進(jìn)程。要特別一提的是中國航天科工集團(tuán)研發(fā)的“跳棋”涵道無人機(jī)，該涵道無人機(jī)采用油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，三葉螺旋槳和氣動(dòng)舵面設(shè)計(jì)，具有垂直起降能力，可在目標(biāo)上空進(jìn)行長時(shí)間懸停監(jiān)視；最近哈爾濱盛世特種飛行器有限公司也聯(lián)合中國航天科工集團(tuán)第四研究院與哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院共同研發(fā)了一種單槳涵道式無人機(jī)試飛成功。 但目前所有涵道無人機(jī)均是通過傾轉(zhuǎn)涵道，也就是要翻轉(zhuǎn)機(jī)身來實(shí)現(xiàn)前飛，雖然起降、懸停能很好實(shí)現(xiàn)，但飛機(jī)姿態(tài)變化較大，飛行速度和變姿穩(wěn)定性還不太理想，這也是今后需重點(diǎn)解決發(fā)展的問題。如能把涵道與傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)合起來，這些問題或有改善。