单旋翼双矢量推进自转旋翼机及其控制方法

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单旋翼双矢量推进自转旋翼机及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空系统技术，尤其涉及一种单旋翼双矢量推进自转旋翼机及其控制方法。
背景技术
[0002] 固定翼飞机是由机身的固定机翼产生升力的航空器。虽然固定翼飞机相对于直升机、旋翼机具有速度快、安全舒适等特点，但其低速性能差，并且起降需要较长的跑道，对起降的条件要求比较苛刻。
[0003] 为解决起降条件要求比较苛刻的问题，在传统领域，可短距离/垂直起降的飞行器有两种：直升机、自转旋翼机。
[0004] 直升机是一种由动力驱动顶部旋翼旋转产生升力的飞行器，其具有低空飞行、低速飞行、可垂直起降等特点。但是直升机的巡航速度较低，航程较短，结构复杂，并且由于直升机的旋翼是由动力驱动产生升力，一旦发动机停车，将无法安全着陆。
[0005] 自转旋翼机是一种以无动力自旋转翼面为升力面的螺旋类飞行器，代表机型为由美国NASA资助研制的CarterCopter旋翼机和GBA公司研制的Hawk-4旋翼机。由于自转旋翼依靠前方来流吹动而保持转动状态，因此，一旦机体失去动力，它依然可以依靠旋翼自转安全着陆；同时，具有超短距离起飞、点式着陆、结构简单、操纵简便等特点。但自转旋翼机的巡航速度较低，难以获得固定翼飞机那样的大速度。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单旋翼双矢量推进自转旋翼机及其控制方法，超短距离起降，且飞行速度快，结构简单，可安全着陆。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 一种单旋翼双矢量推进自转旋翼机，包括机身、第一至第二机翼、第一至第二转轴、第一至第二动力装置、第一至第二转动装置和自转动旋翼装置；
[0009] 所述第一至第二机翼均为无舵面机翼，分别固定设置在所述机身两侧；
[0010] 所述第一至第二机翼沿机翼展开方向均设有穿过机翼的转轴孔洞；
[0011] 所述第一转轴穿过第一机翼的转轴孔洞，一端与所述第一动力装置固定相连，另一端与固定设置在所述机身内的第一转动装置相连；
[0012] 所述第一转动装置用于输出扭矩给所述第一转轴，进而使得固连在第一转轴上的第一动力装置相对机身进行转动；
[0013] 所述第二转轴穿过第二机翼的转轴孔洞，一端与所述第二动力装置固定相连，另一端与固定设置在所述机身内的第二转动装置相连；
[0014] 所述第二转动装置用于输出扭矩给所述第二转轴，进而使得固连在第二转轴上的第二动力装置相对机身进行转动；
[0015] 所述第一动力装置、第二动力装置均用于产生用来推进和改变姿态的推力；
[0016] 所述自转动旋翼装置包括轴管、转动轴、自旋转螺旋桨和舵机；
[0017] 所述轴管设置在机身的轴线上，下端与机身顶端固定相连，上端与所述转动轴的下端铰接；
[0018] 所述自旋转螺旋桨包含旋转盘和若干均匀设置在旋转盘周边的桨叶，其中，旋转盘的中心设有通孔，通孔内设有轴承；
[0019] 所述自旋转螺旋桨通过旋转盘中心通孔内的轴承与所述转动轴的上端转动连接，能够相对于转动轴自由转动；
[0020] 所述舵机固定在所述轴管上，输出轴与所述转动轴转动，用于在所述轴管与机身轴线所在的平面上调节所述转动轴与轴管之间的角度。
[0021] 作为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机进一步的优化方案，所述第一转动装置、第二转动装置均包含电机、减速齿轮和传动杆；
[0022] 所述电机的输出端通过减速齿轮与传动杆的一端啮合；
[0023] 所述第一转动装置中，传动杆的另一端与所述第一转轴啮合；
[0024] 所述第二转动装置中，传动杆的另一端与所述第二转轴啮合。
[0025] 作为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机进一步的优化方案，所述第一动力装置、第二动力装置均包括螺旋桨、发动机、油箱、油管、发动机舱、配平重物和油门舵机；
[0026] 所述油箱设置在发动机舱内，通过所述油管与设置在发动机舱前端的发动机管道相连；
[0027] 所述油门舵机设置在发动机上，用于控制所述发动机中油门开合程度；
[0028] 所述螺旋桨与所述发动机的输出轴固定相连，用于产生推力；
[0029] 所述配平重物设置在所述发动机舱的后端；
[0030] 所述第一动力装置中，发动机舱的一侧与所述第一转轴的一端固定相连，配平重物用于平衡发动机重量相对第一转轴产生的力矩；
[0031] 所述第二动力装置中，发动机舱的一侧与所述第二转轴的一端固定相连，配平重物用于平衡发动机重量相对第二转轴产生的力矩。
[0032] 作为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机进一步的优化方案，所述轴管指向单旋翼双矢量推进自转旋翼机的机尾，且轴管与水平面之间的夹角为80度。
[0033] 作为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机进一步的优化方案，所述机身、第一至第二机翼、自转动旋翼装置均采用碳素纤维制成。
[0034] 本发明还公开了基于该单旋翼双矢量推进自转旋翼机的控制方法，包含以下过程：
[0035] 单旋翼双矢量推进自转旋翼机启动时，第一动力装置、第二动力装置产生向前的推力，使得自转旋翼机向前加速，此时，第一机翼、第二机翼产生升力，自转动旋翼装置的自旋转螺旋桨由于来流转动产生升力；
[0036] 单旋翼双矢量推进自转旋翼机的前进速度达到预设的速度阈值时，通过调节自转动旋翼装置中的舵机改变自旋转螺旋桨的桨叶迎角，使其趋于零度，此时，自转动旋翼装置不产生升力，升力由第一机翼和第二机翼产生；
[0037] 需要单旋翼双矢量推进自转旋翼机作俯仰运动时，控制第一转动装置和第二转动装置中的电机同时输出正向\副向力矩，使得第一动力装置和第二动力装置同时产生正向\副向偏转，第一动力装置和第二动力装置产生的推力相对重心产生正向\副向力矩；
[0038] 需要单旋翼双矢量推进自转旋翼机作滚转运动时，控制第一转动装置和第二转动装置中的电机输出异向力矩，使得第一动力装置和第二动力装置产生差动偏转，第一动力装置和第二动力装置产生的推力相对重心产生异向力矩。
[0039] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0040] 1. 以自转旋翼机本身为基础，取消尾桨、舵面，使得整个机体不仅具有传统自传旋翼机短距离起降、发动机停车可安全着陆等特点的同时，结构更加简单，可靠性明显提高；
[0041] 2. 通过机翼两端固连在转轴上矢量发动机倾转对本发明的飞行姿态进行控制，可以获得更大的机动性，同时不需要增加额外的姿态控制装置，飞行平稳安全；
[0042] 3. 低速时自旋转桨叶和机翼共同提供升力，有效载荷较高；
[0043] 4. 通过矢量发动机改变机体姿态，可使自旋转桨叶的迎角为零，此时仅由机翼提供升力，可高速飞行。
附图说明
[0044] 图1为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机的侧视图；
[0045] 图2为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机的俯视图；
[0046] 图3为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机中转动装置的结构示意图；
[0047] 图4为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机中动力装置的结构示意图；
[0048] 图5为本发明单旋翼双矢量推进自转旋翼机中自转旋翼装置的结构示意图。
[0049] 图中：1-机身、2-机翼、3-动力装置、4-转动装置、5-自转动旋翼装置、6-转轴、7-T型金属板、8-电机、9-减速齿轮、10-电位器、11-传动杆、12-输出齿轮、13-发动机、14-油箱、
15-油管、16-发动机舱、17-配平重物、18-油门舵机、19-发动机桨叶、20-轴管、21-转动轴、
22-自旋转螺旋桨、23-舵机、24-旋转盘、25-桨叶。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0051] 如图1至图5所示， 本发明公开了一种单旋翼双矢量推进自转旋翼机，包括机身、第一至第二机翼、第一至第二转轴、第一至第二动力装置、第一至第二转动装置和自转动旋翼装置。
[0052] 所述第一至第二机翼均为无舵面机翼，分别固定设置在所述机身两侧；第一至第二机翼沿机翼展开方向均设有穿过机翼的转轴孔洞；第一转轴穿过第一机翼的转轴孔洞，一端与所述第一动力装置固定相连，另一端与固定设置在所述机身内的第一转动装置相连；第一转动装置用于输出扭矩给所述第一转轴，进而使得固连在第一转轴上的第一动力装置相对机身进行转动；第二转轴穿过第二机翼的转轴孔洞，一端与所述第二动力装置固定相连，另一端与固定设置在所述机身内的第二转动装置相连；第二转动装置用于输出扭矩给所述第二转轴，进而使得固连在第二转轴上的第二动力装置相对机身进行转动；第一动力装置、第二动力装置均用于产生用来推进和改变姿态的推力。
[0053] 所述自转动旋翼装置包括轴管、转动轴、自旋转螺旋桨和舵机；轴管设置在机身的轴线上，下端与机身顶端固定相连，上端与所述转动轴的下端铰接；自旋转螺旋桨包含旋转盘和若干均匀设置在旋转盘周边的桨叶，其中，旋转盘的中心设有通孔，通孔内设有轴承；
自旋转螺旋桨通过旋转盘中心通孔内的轴承与所述转动轴的上端转动连接，能够相对于转动轴自由转动；舵机固定在所述轴管上，输出轴与所述转动轴转动，用于在所述轴管与机身轴线所在的平面上调节所述转动轴与轴管之间的角度。
[0054] 所述第一转动装置、第二转动装置均包含电机、减速齿轮和传动杆，电机的输出端通过减速齿轮与传动杆的一端啮合；第一转动装置中，传动杆的另一端与所述第一转轴啮合；第二转动装置中，传动杆的另一端与所述第二转轴啮合。可以通过在第一转动装置、第二转动装置中设置电位器，以取得第一转轴和第二转轴的转动位置。
[0055] 所述第一动力装置、第二动力装置均包括螺旋桨、发动机、油箱、油管、发动机舱、配平重物和油门舵机；油箱设置在发动机舱内，通过所述油管与设置在发动机舱前端的发动机管道相连；油门舵机设置在发动机上，用于控制所述发动机中油门开合程度；螺旋桨与所述发动机的输出轴固定相连，用于产生推力；配平重物设置在所述发动机舱的后端；第一动力装置中，发动机舱的一侧与所述第一转轴的一端固定相连，配平重物用于平衡发动机重量相对第一转轴产生的力矩；第二动力装置中，发动机舱的一侧与所述第二转轴的一端固定相连，配平重物用于平衡发动机重量相对第二转轴产生的力矩。
[0056] 所述轴管指向单旋翼双矢量推进自转旋翼机的机尾，且轴管与水平面之间的夹角为80度。
[0057] 所述机身、第一至第二机翼、自转动旋翼装置均采用碳素纤维制成，强度高，质量轻。
[0058] 单旋翼双矢量推进自转旋翼机启动时，第一动力装置、第二动力装置产生向前的推力，使得自转旋翼机向前加速，此时，第一机翼、第二机翼产生升力，自转动旋翼装置的自旋转螺旋桨由于来流转动产生升力；
[0059] 单旋翼双矢量推进自转旋翼机的前进速度达到预设的速度阈值时，通过调节自转动旋翼装置中的舵机改变自旋转螺旋桨的桨叶迎角，使其趋于零度，此时，自转动旋翼装置不产生升力，升力由第一机翼和第二机翼产生；
[0060] 需要单旋翼双矢量推进自转旋翼机作俯仰运动时，控制第一转动装置和第二转动装置中的电机同时输出正向\副向力矩，使得第一动力装置和第二动力装置同时产生正向\副向偏转，第一动力装置和第二动力装置产生的推力相对重心产生正向\副向力矩；
[0061] 需要单旋翼双矢量推进自转旋翼机作滚转运动时，控制第一转动装置和第二转动装置中的电机输出异向力矩，使得第一动力装置和第二动力装置产生差动偏转，第一动力装置和第二动力装置产生的推力相对重心产生异向力矩。
[0062] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0063] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。