基本信息
- 項目名稱：
- 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器是一種可以垂直起降、空中懸停、低速前飛，通過旋翼傾轉(zhuǎn)可以像飛機一樣高速巡航飛行的獨特構(gòu)型飛行器。該作品由旋翼、機翼、機身、水平尾翼、垂直尾翼、旋翼短艙系統(tǒng)、動力裝置、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)、起落架和飛行控制系統(tǒng)等組成。我們完成飛行器的總體設計、結(jié)構(gòu)布局；設計、加工相關設備；開發(fā)機載控制系統(tǒng)、航姿測量系統(tǒng)以及地面監(jiān)控系統(tǒng)，并展開了一系列地面、空中飛行試驗，取得小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器全模式飛行。
- 詳細介紹：
- 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器兼有直升機和飛機的特點，既能象直升機一樣垂直起降、空中懸停，又能象固定翼飛機快速前飛。 總體設計上采用正常的上單翼飛機布局，在機翼上設置襟副翼，機翼外側(cè)布置可傾轉(zhuǎn)的旋翼短艙；飛行器尾部安裝水平安定面、垂直安定面以及升降舵和方向舵；布置前三點式起落架；兩臺發(fā)動機分別驅(qū)動兩副旋翼工作，并通過同步協(xié)調(diào)軸保證雙旋翼轉(zhuǎn)速同步；采用電動位置伺服系統(tǒng)及蝸輪蝸桿機構(gòu)提供旋翼傾轉(zhuǎn)所需要的力矩。 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器飛行模式多，包括直升機飛行模式、傾轉(zhuǎn)飛行模式以及飛機飛行模式。在直升機飛行模式時主要由左右旋翼提供力和力矩，旋翼總距同步操縱控制飛行器的升降運動，同步縱向變距控制縱向運動，縱向變距差動實現(xiàn)航向運動，總距差動實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動；在飛機飛行模式時，旋翼總距操縱改變拉力矢量的大小，副翼調(diào)節(jié)滾轉(zhuǎn)運動，升降舵提供俯仰力矩，方向舵實現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎；在傾轉(zhuǎn)過渡飛行時主要通過控制旋翼短艙的傾角與飛行速度的對應關系，同時協(xié)調(diào)總距與縱向變距。完成傾轉(zhuǎn)過渡模式飛行。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 設計目的：1、研制一種可以垂直起降、空中懸停、低速前飛，通過旋翼傾轉(zhuǎn)可以像飛機一樣高速巡航飛行的獨特構(gòu)型飛行器。2、通過研究傾轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)直升機飛行模式向飛機飛行模式轉(zhuǎn)換。 基本思路：1、根據(jù)飛行器的特性設計旋翼傾轉(zhuǎn)機構(gòu)。2、建立直升機、飛機以及傾轉(zhuǎn)過渡段的非線性飛行動力學模型。3、開發(fā)機載飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及航姿測量系統(tǒng)實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)過渡飛行。 創(chuàng)新點：1、設計槳葉，兼有直升機的旋翼飛行特性和飛機的螺旋槳飛行性能。2、設計旋翼傾轉(zhuǎn)機構(gòu)。3、設計傾轉(zhuǎn)過渡模式的飛行控制律。4、機載飛控計算機軟硬件設計。 關鍵技術(shù)：1、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)設計與雙旋翼轉(zhuǎn)速同步協(xié)調(diào)技術(shù)2、旋翼特殊槳葉設計技術(shù)。3、飛行器全模式飛行非線性動力學建模技術(shù)。4、傾轉(zhuǎn)過渡飛行控制技術(shù)。 技術(shù)指標：旋翼數(shù)量 2；槳葉數(shù)量3*2；旋翼直徑1.1m；機翼旋長0.3m；機翼翼展1.6m；發(fā)動機功率2kw*2；最大起飛重量15kg；有效載荷4kg；最大前飛速度25-30m/s；試飛時間15分鐘
科學性、先進性
- 科學性：實現(xiàn)了由直升機飛行模式向飛機飛行模式的傾轉(zhuǎn)過渡飛行。先進性：設計并完成國內(nèi)首架取得成功飛行試驗的小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器。1、自主開發(fā)了系統(tǒng)的軟硬件設備。軟件方面主要包括地面站監(jiān)控系統(tǒng)、機載飛行控制律、飛行控制計算機操作系統(tǒng)、航姿信號處理單元。硬件方面包括航姿測量模塊（IMU）、GPS接收模塊、舵機驅(qū)動模塊、遙控解碼模塊以及基于ARM架構(gòu)的飛控計算機。2、建立其非線性飛行力學仿真模型，該模型包括三個基本模塊：操縱輸入模塊，包括總距、橫向周期變距、縱向周期變距、總距差動、縱向周期變距差動、副翼操縱、升降舵、方向舵以及發(fā)動機短艙傾角。3、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)提供由直升機模式向飛機模式過渡飛行所需傾轉(zhuǎn)力矩，采用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，通過高精度數(shù)字舵機驅(qū)動蝸桿帶動蝸輪，聯(lián)動傾轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)發(fā)動機短艙及旋翼系統(tǒng)傾轉(zhuǎn)。4、同步協(xié)調(diào)軸協(xié)調(diào)雙旋翼轉(zhuǎn)速同步，從而使雙旋翼產(chǎn)生的氣動力平衡，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次從安全角度出發(fā)，當一臺發(fā)動機空中故障停車或轉(zhuǎn)速下降時，可以通過協(xié)調(diào)軸傳遞轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)一臺發(fā)動機帶動雙旋翼工作。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2008.11大學生課外學術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽特等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、錄像、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：通過地面監(jiān)控系統(tǒng)控制小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器以直升機模式垂直起飛，在直升機飛行模式獲得一定的前飛速度，進入傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換走廊，機載控制系統(tǒng)與外控手操縱補償下實現(xiàn)過渡模式飛行，最終以飛機模式高速前飛；在著陸時，通過旋翼短艙的傾轉(zhuǎn)，由飛機模式飛行到過渡模式飛行最終以直升機模式降落。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：1、飛行速度快、航程遠，具有固定翼飛機的高速飛行特性。2、可以實現(xiàn)垂直起降、空中懸停、低速貼地飛行。3、耗油率低，在巡航飛行時，因機翼產(chǎn)生升力，旋翼轉(zhuǎn)速低，相當于兩副螺旋槳，所以耗油率比直升機低。 應用前景：小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器融合了直升機與固定翼飛機的優(yōu)點，是一種軍民兩用的高技術(shù)產(chǎn)品。1、軍用方面，不需要機場和跑道，生存力強；速度快、航程遠、有效載荷大，特別適合裝備物資的突擊運輸；實現(xiàn)垂直起降，特別適合裝備海軍艦載飛機。2、民用方面，可以在沒有機場的地區(qū)執(zhí)行運輸任務，在出現(xiàn)緊急事故、災難時它可以及時迅速的出動執(zhí)行救援任務，節(jié)省寶貴時間。同時可以完成海洋勘探、航空拍照等任務。
同類課題研究水平概述
- 國外研究情況：由于傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器具有獨特的飛行優(yōu)勢，早在20世紀40年代末期貝爾直升機公司就開始對其相關技術(shù)進行研究。但傾轉(zhuǎn)旋翼機存在很多自身復雜的技術(shù)難點，特別是傾轉(zhuǎn)過渡飛行模式動不穩(wěn)定性，導致其經(jīng)歷了漫長曲折的發(fā)展歷程。直到90年代初美國的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機首次完成由直升機飛行模式向固定翼飛機飛行模式的過渡飛行轉(zhuǎn)換。2000年美國海軍陸戰(zhàn)隊對海軍型傾轉(zhuǎn)旋翼機MV-22進行了一系列測試，但事故頻繁發(fā)生傷亡慘重，2002年美國國防部才批準恢復對MV-22傾轉(zhuǎn)旋翼機的飛行測試。直到最近V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機才剛剛投入使用，而且還存在很多技術(shù)難點尚待改進。在民用方面，2006年11月由貝爾直升機公司和意大利的阿古斯塔公司聯(lián)合研制的第二架BA609原型驗證機展開飛行試驗。據(jù)預測，BA609在未來20年將有600-700架的市場，該機投放市場后將會對中型和重型直升機市場造成較大的沖擊。 國內(nèi)研究情況：我國對于傾轉(zhuǎn)旋翼機的研究還剛剛起步，沒有相關的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的設計參數(shù)，目前多處于理論研究階段。1、傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼耦合系統(tǒng)過渡飛行瞬態(tài)響應分析。基于多體動力學方法建立傾轉(zhuǎn)旋翼機過渡飛行瞬態(tài)響應分析模型,研究過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機非線性非定常氣彈耦合動力學特性。數(shù)值計算表明:建立的時域模型能夠快速有效分析傾轉(zhuǎn)旋翼機在過渡飛行時的瞬態(tài)特性，能夠反映傾轉(zhuǎn)旋翼機旋翼/機翼間復雜的氣彈耦合動力學關系。2、傾轉(zhuǎn)旋翼飛機建模與仿真。據(jù)航空學報載為了研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的控制問題，建立了傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的數(shù)學模型。其中旋翼模型采用改進了的葉元法，旋翼誘導速度計算采用改進了的動量法。在MATLAB仿真環(huán)境下進行了仿真，結(jié)果表明模型可反映傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的基本特性，對飛行控制系統(tǒng)設計提供幫助。3、我們在研究傾轉(zhuǎn)旋翼機基礎上，根據(jù)實際條件，自主制作完成了小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設計、開發(fā)了軟硬件實現(xiàn)部件，設計了飛行控制律并成功實現(xiàn)了直升機飛行模式向飛機飛行模式的傾轉(zhuǎn)飛行試驗。
