“哨兵”—單槳涵道風扇飛行器

“哨兵”—單槳涵道風扇飛行器

關鍵詞：單軸涵道飛行器

簡介：

本作品設計了單槳涵道風扇飛行器，該飛行器能夠垂直起降，水平前飛，這樣融合了傳統固定翼和直升機的優勢；采用涵道包裹螺旋槳的氣動布局，既有效提高了氣動效率，又保護了飛行器安全，更好地適應城市街區、災害現場等復雜環境下飛行，這樣又避免了傳統飛行器的不足。自主完成飛行控制系統全部軟硬件設計。制作并使用傳感器，輔助定點和提高姿態解算。

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詳細介紹：

單槳涵道飛行器是一種能夠垂直起降、空中定點懸停和快速前飛的飛行器。一般無人飛機起飛降落需要機場跑道或者彈射回收裝置，直升機螺旋槳暴露在外面，非常的不安全；在地震火災等災害現場、高樓林立的城市街區以及戰場等特殊環境中，飛行空域十分復雜，常規固定翼飛機及直升機等飛行器很難完成近距離實時監視、勘察等信息收集任務，本發明開發了一套適合于在該類復雜空域中執行特殊任務的涵道風扇飛行器，既要保證設備和人員的安全，還要具有較強的任務執行能力，如機動性、載荷能力等。 　　我們采用了能夠實現空中定點懸停的單軸旋翼飛行器平臺；涵道包裹螺旋槳的涵道風扇方案實現復雜環境中的安全飛行和增加氣動效率；開發了一套可靠的控制系統和一套高效的執行機構實現穩定飛行和快速空中機動；采用了模塊化設計實現快速安裝維護。 　　本作品有以下創新點： 　　1、飛行模式轉換方式：該發明能夠以直升機與固定翼飛機兩種模式變換飛行，不但具備垂直起降能力，不需要任何發射、回收裝置和機場跑道等起降條件，而且具備快速前飛能力，可以滿足災害現場大范圍機動的需求。 　　2、高升力涵道風扇系統：該發明采用涵道包裹螺旋槳的布局方案。我們經過大量計算，設計了涵道，使其最大限度地提高螺旋槳氣動效率，而其具備復雜越障能力，極大地增強了飛行器在復雜空域中的生存能力。 　　3、有效的控制系統及可靠的執行機構：該發明利用計算機主動控制技術克服了飛行器的開環不穩定性難題，完成了飛行自駕系統的全部軟硬件設計，可以實現增穩、定高、懸停、自主航線、自主返航與自主降落等飛行樣式，安全的失效保護機制提高了自駕系統的可靠性。成功完成懸停與定高飛行等試驗，顯示了飛行器控制技術的科學性與穩定性。自駕儀可以同FlightGear和X-plane等飛行仿真器連接進行半實物仿真試驗。 　　4、高精度傳感器系統：制作并使用了先進的光流傳感器，輔助定點并提高了姿態解算精度。高精度Mems氣壓高度計高空精度達10cm，高精度聲納高度計低空精度達1cm。通過操作手參與或者加裝視覺傳感器等方式，該飛行器還可實現穿越密集的樹林、狹窄的高樓窗戶等障礙。 　　5、模塊化結構設計方案：該發明結構小巧，采用了模塊化設計方案，方便飛行器的攜帶、現場組裝和維護，并且降低了平臺運營成本。 　　本作品涉及到的關鍵技術和難點包括高升力涵道風扇系統、有效的控制系統及可靠的執行機構、模塊化結構設計方案、飛行模式轉換方式、高精度傳感器系統等。 　　本作品具有廣闊的市場應用前景。國防工業領域，本作品以其出色的懸停和垂直起降能力，可用于邊防無人巡邏、陸上低空快速機動與定點投放、海上信息支援等任務。民用領域，制作成本低，易于大批量生產，在應急救災方面，單槳涵道風扇飛行器可用于災害預報、應急搜救與物資投遞、應急通信中繼等任務，本作品可作為城市移動監視平臺、高樓間操作的空中機器人、危險環境作業機械手等，為消防和安保提供強有力支撐。在科學研究、地質勘察、大地測繪、電力巡線、反恐等方面也具有較好的應用前景。

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

　　一、設計和發明的目的 　　在地震火災等災害現場以及戰場等特殊環境中，飛行空域復雜，常規飛行器很難完成近距離實時監視任務，本發明為開發一套能在該類復雜空域中執行任務的飛行器。 　　二、基本思路 　　采用單軸旋翼飛行器平臺實時定點監測；采用涵道包裹螺旋槳的氣動布局適應復雜空域飛行；設計了一套可靠的控制系統和執行機構實現安全快速機動；采用模塊化設計實現快速安裝維護。 　　三、創新點 　　1、飛行模式轉換：能夠以直升機與固定翼兩種模式變換飛行，既能垂直起降，又能夠快速前飛。 2、高升力涵道風扇系統：采用涵道包裹螺旋槳的氣動布局，既提高氣動效率，又增強了在復雜空域中的生存能力。 3、有效的控制系統及可靠的執行機構：自主完成飛行控制系統全部軟硬件設計，克服了飛行器的開環不穩定性難題，擁有安全的失效保護機制。自駕儀可以同FlightGear和X-plane等仿真軟件進行半實物仿真試驗。 4、高精度傳感器系統：輔助定點和提高姿態解算精度。高精度Mems氣壓高度計高空精度達10cm，高精度聲納高度計低空精度達1cm。 5、模塊化設計：結構小巧，攜帶和維護方便，成本低。 　　四、關鍵技術和難點 　　高升力涵道風扇系統、有效的控制系統及可靠的執行機構、模塊化結構設計方案、飛行模式轉換方式、高精度傳感器系統等。 五、主要技術指標 整機高60cm；涵道外徑30cm；涵道弦長16cm；舵片組數，4組；整機重960g。

科學性、先進性

單槳涵道風扇飛行器是一種垂直起降飛行器。本發明的單槳涵道風扇飛行器旨在形成一套具有全自主任務執行能力的單槳涵道無人機飛行器系統：不但能夠實現垂直起降和空中定點懸停，還要能夠完成高速前飛，在復雜空域執行任務以及穿越障礙環境，具備常規直升機和固定翼飛機不具備的突出優勢，涉及到氣動、結構、控制、能源、推進和通信等多個學科的氣動耦合，設計、加工和試驗難度大。 一、采用科學合理的氣動布局，涵道包裹螺旋槳的設計方案，提高了螺旋槳氣動效率，增加了整機載荷。 二、先進的數字飛行控制系統，可以實現增穩、定高、定點懸停、自主航線等飛行樣式，安全有效的失效保護機制提高了自駕系統的可靠性。 三、各種高精度傳感器信息融合，高精度Mems氣壓高度計高空精度達10cm，高精度聲納高度計低空精度達1cm。 四、自駕儀可以同FlightGear和X-plane飛行仿真器連接進行仿真試驗。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

該作品能夠垂直起降、空中定點懸停和快速前飛，能夠在復雜空域中飛行，氣動效率高，具備傳統直升機和固定翼飛機的優勢，又避免了兩者的不足?？梢杂糜谝韵骂I域：　　　 1、國防工業領域：本作品以其出色的懸停和垂直起降能力，可用于邊防無人巡邏、陸上低空快速機動與投放、海上信息支援等任務。 　　2、應急救災領域：單槳自消旋涵道飛行器可用于災害預報、應急搜救與物資投遞、應急通信中繼等任務。 　　3、城市消防、安保領域：本作品可作為城市移動監視平臺、高樓間操作的空中機器人、危險環境作業機械手等，為消防和安保提供強有力支撐。 4、本作品在科學研究、地質勘察、大地測繪、電力巡線、反恐等方面也具有較好的應用前景。 該作品制作成本低，可以批量生產，將有廣闊市場前景。

同類課題研究水平概述

　　由于自動控制技術、微傳感技術的進步，3D打印、新材料的出現，自80年代到現在軍民飛行器研發單位中，涌現出了大量單軸飛行器，但是涵道加螺旋槳氣動布局仍然較少。 　　國外對此研究頗多，起步也較早。國外諸多大學、研究所和公司已經啟動了多種型號的單軸涵道飛行器研發項目，例如美國Honeywell公司、Allied Space公司、意大利Bologna大學等研究機構都在開展相關研究。美國在他的未來作戰系統中，把涵道風扇飛行器作為他的第一級無人機，足以說明涵道風扇飛行器的重要戰略價值。 　　國內對此類飛行器的研究起步相對國外較晚，各個研究單位基本仿制國外構型，缺乏自主研究，而且大多秘而不宣自己的研究進展與材料。即使在少數公開材料，幾乎也沒有涉及核心技術。國內研究機構，哈爾濱盛世特種飛行器公司、沈陽飛機設計研究所已經展開相關研究，南航等高校也在進行相關技術研究。 　　對于涵道風扇飛行器，研究發現存在以下問題：（1）涵道本體設計，合理的涵道氣動外形能夠使螺旋槳的效率增加30%以上，又能減輕飛行器重量；（2）飛行控制系統設計，涵道風扇飛行器本身是開環不穩定的，不增加任何控制系統，很難飛行；（3）飛行模式轉換，垂直起降，過渡飛行和快速前飛，飛行器在垂直狀態傾轉到水平狀態，需要科學設計才能保持飛行器動平衡；（4）螺旋槳設計，在涵道本體內，螺旋槳要最大限度提高效率，需要對螺旋槳螺距、尺寸、外形等多方面科學設計。 　　我們對涵道飛行器飛行控制系統、涵道本體、消旋機構、執行機構、傳感器等多方面都進行了科學設計，通過試驗飛行，達到了預期目的。