纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器

1.纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器，包括机身、固定翼、垂直尾翼和水平尾翼，其特征在于：还包括两个矢量推进桨和两个特型旋翼；
所述的两个特型旋翼分别位于机身的头部的上方和垂直尾翼的上方，两者的直径相等；固定翼位于两个特型旋翼在水平面的投影之间，固定翼翼根前缘点到机身头部一个特型旋翼旋转中心的距离等于特型旋翼的半径，固定翼的后缘到机身尾部一个特型旋翼旋转中心的距离等于特型旋翼的旋转半径；所述两个矢量推进桨分别位于固定翼的后缘，两者相对于机身对称布置，间距为特型旋翼的直径的0.8-1倍，矢量推进桨轴线方向可向上或向下偏转20度；
所述特型旋翼的两个叶片的平面形状均为等腰梯形，叶片长度与平均宽度之比为6-
10，梢根比0.6，选用相对厚度8％-12％、上下曲线皆为椭圆曲线的前后对称的翼型；
所述固定翼的面积为特型旋翼旋转状态桨盘面积的20％-25％，固定翼的展弦比为13-
17，选用相对厚度10％-15％的高升阻比翼型；
所述机身的长度为特型旋翼直径的1.5倍；
所述垂直尾翼面积为固定翼面积的10％-15％，水平尾翼面积为固定翼的面积的15％-
20％，展弦比为5-8，垂直尾翼和水平尾翼均选用相对厚度8％-12％的上下对称翼型；
飞行器的工作模式分为垂直起降模式和高速平飞模式，在垂直起降模式中，两个特型旋翼工作，提供飞行器的升力和控制力，使飞行器可以垂直起飞和降落；平飞模式时，两个特型旋翼停转锁定平行于固定翼，转变为固定翼面，此时飞机的主要升力由固定翼提供，特型旋翼提供少量升力，垂直尾翼和水平尾翼平衡俯仰和偏航的扭矩，矢量推进桨高速旋转提供向前的水平推力，同时可以通过调整推力方向为飞行器提供滚转控制力矩，使得飞行器做高速平飞；在由垂直起降模式转换到平飞模式的过程中，首先矢量推进桨开始旋转提供推力，并逐渐增大转速和推力使飞行器水平加速，随后固定翼开始产生升力，并逐渐提供主要升力，特型旋翼开始减速旋转并最终停转锁定；在由平飞模式转换到垂直起降模式过程中，首先飞行器减速飞行，特型旋翼解锁并开始旋转，升力逐渐增大，之后平飞速度减至零时提供全部升力，矢量推进桨逐渐减速停止工作。

纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器\n技术领域\n[0001] 本发明提出一种纵列式双旋翼与固定翼复合的新概念垂直起降飞行器，兼具优异的垂直起降及高速平飞性能，属于航空飞行器设计技术领域。\n背景技术\n[0002] 常规直升机，由于前飞工作环境下旋翼的气流不对称，使得前飞最大速度受到前行桨叶压缩性影响及后行桨叶气流分离的限制，最大巡航速度通常在300km/h左右；固定翼飞机则无法完成悬停和低速飞行。而复合式直升机结合了直升机和固定翼飞机的飞行特点，从而兼具两者能力，其应用前景十分宽广，经济前景良好。国外现有成熟的垂直起降飞行器，例如V-22鱼鹰式倾转旋翼机、基于停转旋翼技术的X-50A“蜻蜓”，结合了直升机及固定翼飞机的优点，兼具垂直起降及高速平飞性能。\n[0003] 目前一种新型垂直起降新概念是将旋翼与固定翼结合，其飞行状态转换由以下几个部分组成：在起飞时，与普通直升机相似，由旋翼产生的升力垂直起飞；到达一定高度后，逐渐增加前飞推进装置的推力，使飞行器获得一定的水平速度，同时减小旋翼转速；当平飞速度增至可以使固定翼面产生足够的升力时，将旋翼转速降为零，同时旋翼与固定翼保持平行，形成类双翼布局。目前这种布局的混合式直升机已经成功实现了飞行，初步实现了垂直起降飞行、高速水平飞行和转换过渡飞行，有较好的效果。\n[0004] 目前成熟的垂直起降飞行器，具有以下不足：\n[0005] 1、基于倾转旋翼技术的垂直起降飞行器转换控制复杂。\n[0006] 2、基于停转旋翼技术的垂直起降飞行器旋翼在平飞模式下是主要承力部件，而旋翼一般展弦比较大，整体结构刚度较一般的固定翼面低，在飞行速度较快时容易发生颤振等气动弹性问题，不利于高速飞行。\n[0007] 基于以上情况，有必要研究一种新型的旋翼固定翼复合式飞行器，能够克服上述缺点。\n发明内容\n[0008] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种兼具垂直起降性能及稳定的高速平飞性能的飞行器——纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器。所述飞行器由两个特型旋翼、一个固定翼、两个矢量推进桨、机身、垂直尾翼和水平尾翼组成。飞行器的两个特型旋翼，成纵列式排列在机头上方和垂直尾翼上方，固定翼位于机身中部，两个矢量推进桨一左一右位于固定翼后缘处，并且相对于机身对称布置。在飞行器垂直起飞和降落过程中，两只特型旋翼反向旋转提供向上升力同时平衡扭矩；在飞行器达到一定高度后，矢量推进桨开始工作，产生水平推力，使飞行器产生平飞速度并逐渐增加，待平飞达到一定速度后，特型旋翼减速旋转直至停止，随后锁定至平行于固定翼，此时特型旋翼转变为固定翼面并提供少量升力，固定翼提供全机的主要升力，矢量推进桨提供水平推力，使飞行器实现高速平飞。\n[0009] 本发明的优点在于：\n[0010] (1)可以实现快速地垂直起飞/降落，对起降场地要求较低；\n[0011] (2)可以实现高速的平飞，具有较大的航程和航时；\n[0012] (3)同时具有垂直起飞/降落与高速平飞的能力，并且可在空中进行这两种模式的转换。\n[0013] (4)特型旋翼与常规直升机的旋翼相似，具有相同的飞行效率，垂直起降飞行性能和低速飞行性能均和常规直升机相近，而平飞速度、航程和航时将相比常规直升机提高约\n50％，具有更大的作业范围和更高的作业能力，将来可代替直升机。\n[0014] (5)该飞行器的固定翼和尾翼也都与常规固定翼飞机的机翼和尾翼相似，具有相同的工作原理、结构形式和气动效率，使得该飞行器的平飞性能与常规固定翼飞机相近，而与常规固定翼飞机相比则具有垂直起飞和降落与低速飞行的能力，更适用于野外使用和低空低速作业。\n[0015] (6)该飞行器的特型旋翼、固定翼、尾翼和矢量推进桨可独立控制，并且之间的干扰较小，垂直起降模式和平飞模式可在空中实现平稳的转换过渡，相比尾坐式垂直起降飞行器、倾转旋翼机、倾转机翼式垂直起降飞行器等具有更高的安全性和舒适性。\n[0016] (7)采用纵列式双旋翼保证了飞行器可以在高载重下垂直起降，并且无须尾桨平衡扭矩。\n[0017] (8)采用矢量推进桨提供飞行器平飞动力，使得飞行器得以实现高速平飞。\n[0018] (9)矢量推进桨采用矢量推进，可以同时产生推力和控制飞机姿态的作用。\n附图说明\n[0019] 图1为本发明提供的纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器的结构示意图。\n[0020] 图中：\n[0021] 1.特型旋翼；2.机身；3.固定翼；4.矢量推进桨；5.垂直尾翼；6.水平尾翼。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。\n[0023] 本发明提供一种纵列式双旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器，兼具垂直起降和高速平飞性能。如图1所示，所述的飞行器布局包括两个特型旋翼1、机身2、固定翼3、两个矢量推进桨4、垂直尾翼5和水平尾翼6。所述的特型旋翼1有两个，分别位于机身2的头部的上方和垂直尾翼5的上方，两者的直径相等。固定翼3位于机身2的中部，位于两个特型旋翼1在水平面的投影之间，避免了与特型旋翼1工作时的气动干扰，即固定翼3翼根前缘点到机身头部一个特型旋翼1旋转中心的距离等于特型旋翼1的半径，固定翼3的后缘到机身尾部一个特型旋翼1旋转中心的距离等于特型旋翼1的旋转半径。所述特型旋翼1的两个叶片的平面形状均为等腰梯形，叶片长度与平均宽度之比为6-10，相比常规直升机旋翼叶片(长宽比\n15-20)较宽，梢根比约0.6，选用相对厚度8％-12％、上下曲线皆为椭圆曲线的前后对称的翼型。所述固定翼3与机身2固结与机身2的中间位置，固定翼3的面积为特型旋翼1旋转状态桨盘面积的20％-25％，固定翼3的展弦比约13-17，选用相对厚度10％-15％的高升阻比翼型。所述机身2的长度约为特型旋翼1直径的1.5倍。所述垂直尾翼5布置于机身2尾部的上方，面积约为固定翼3面积的10％-15％，水平尾翼6布置于机身2尾部的下方，面积为固定翼\n3的面积的15％-20％，展弦比约为5-8，垂直尾翼5和水平尾翼6均选用相对厚度8％-12％的上下对称翼型。所述矢量推进桨4有两个，分别位于固定翼3的后缘，两者相对于机身2对称布置，间距为特型旋翼1的直径的0.8-1倍，矢量推进桨4轴线方向可向上或向下偏转20度，可以产生水平推力和一定得向上或向下的推力，两边同时反向偏转就可以提供滚转控制力矩，控制两边的推力不相等则可以产生偏航力矩。\n[0024] 本发明提供的飞行器的工作模式分为垂直起降模式和高速平飞模式，在垂直起降模式中，两个特型旋翼1工作，提供飞行器的升力和控制力，使飞行器可以垂直起飞和降落。\n平飞模式时，两个特型旋翼1停转锁定平行于固定翼3，转变为固定翼面，此时飞机的主要升力由固定翼3提供，特型旋翼1提供少量升力，垂直尾翼5和水平尾翼6平衡俯仰和偏航的扭矩，矢量推进桨4高速旋转提供向前的水平推力，同时可以通过调整推力方向为飞行器提供滚转控制力矩，使得飞行器做高速平飞。在由垂直起降模式转换到平飞模式的过程中，首先矢量推进桨4开始旋转提供推力，并逐渐增大转速和推力使飞行器水平加速，随后固定翼3开始产生升力，并逐渐提供主要升力，特型旋翼1开始减速旋转并最终停转锁定。在由平飞模式转换到垂直起降模式过程中，首先飞行器减速飞行，特型旋翼1解锁并开始旋转，升力逐渐增大，之后平飞速度减至零时提供全部升力，矢量推进桨4逐渐减速停止工作。