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基本信息
- 項目名稱：
- 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器
- 小類：
- 機(jī)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(jī)一樣高速巡航飛行的獨(dú)特構(gòu)型飛行器。該作品由旋翼、機(jī)翼、機(jī)身、水平尾翼、垂直尾翼、旋翼短艙系統(tǒng)、動力裝置、傾轉(zhuǎn)機(jī)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(shè)計、結(jié)構(gòu)布局；設(shè)計、加工相關(guān)設(shè)備；開發(fā)機(jī)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(xì)介紹：
- 小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器兼有直升機(jī)和飛機(jī)的特點，既能象直升機(jī)一樣垂直起降、空中懸停，又能象固定翼飛機(jī)快速前飛。 總體設(shè)計上采用正常的上單翼飛機(jī)布局，在機(jī)翼上設(shè)置襟副翼，機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)飛行模式、傾轉(zhuǎn)飛行模式以及飛機(jī)飛行模式。在直升機(jī)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(yùn)動，同步縱向變距控制縱向運(yùn)動，縱向變距差動實現(xiàn)航向運(yùn)動，總距差動實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動；在飛機(jī)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(yùn)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(yīng)關(guān)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)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(jī)一樣高速巡航飛行的獨(dú)特構(gòu)型飛行器。2、通過研究傾轉(zhuǎn)控制實現(xiàn)直升機(jī)飛行模式向飛機(jī)飛行模式轉(zhuǎn)換。 基本思路：1、根據(jù)飛行器的特性設(shè)計旋翼傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。2、建立直升機(jī)、飛機(jī)以及傾轉(zhuǎn)過渡段的非線性飛行動力學(xué)模型。3、開發(fā)機(jī)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(shè)計槳葉，兼有直升機(jī)的旋翼飛行特性和飛機(jī)的螺旋槳飛行性能。2、設(shè)計旋翼傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。3、設(shè)計傾轉(zhuǎn)過渡模式的飛行控制律。4、機(jī)載飛控計算機(jī)軟硬件設(shè)計。 關(guān)鍵技術(shù)：1、傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)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(shè)計技術(shù)。3、飛行器全模式飛行非線性動力學(xué)建模技術(shù)。4、傾轉(zhuǎn)過渡飛行控制技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo)：旋翼數(shù)量 2；槳葉數(shù)量3*2；旋翼直徑1.1m；機(jī)翼旋長0.3m；機(jī)翼翼展1.6m；發(fā)動機(jī)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(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：實現(xiàn)了由直升機(jī)飛行模式向飛機(jī)飛行模式的傾轉(zhuǎn)過渡飛行。先進(jìn)性：設(shè)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(shè)備。軟件方面主要包括地面站監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)載飛行控制律、飛行控制計算機(jī)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(jī)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(jī)。2、建立其非線性飛行力學(xué)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(jī)短艙傾角。3、傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供由直升機(jī)模式向飛機(jī)模式過渡飛行所需傾轉(zhuǎn)力矩，采用蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，通過高精度數(shù)字舵機(jī)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(jī)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(dāng)一臺發(fā)動機(jī)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(jī)帶動雙旋翼工作。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2008.11大學(xué)生課外學(xué)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(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)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(jī)模式垂直起飛，在直升機(jī)飛行模式獲得一定的前飛速度，進(jìn)入傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換走廊，機(jī)載控制系統(tǒng)與外控手操縱補(bǔ)償下實現(xiàn)過渡模式飛行，最終以飛機(jī)模式高速前飛；在著陸時，通過旋翼短艙的傾轉(zhuǎn)，由飛機(jī)模式飛行到過渡模式飛行最終以直升機(jī)模式降落。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：1、飛行速度快、航程遠(yuǎn)，具有固定翼飛機(jī)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(jī)翼產(chǎn)生升力，旋翼轉(zhuǎn)速低，相當(dāng)于兩副螺旋槳，所以耗油率比直升機(jī)低。 應(yīng)用前景：小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器融合了直升機(jī)與固定翼飛機(jī)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(jī)場和跑道，生存力強(qiáng)；速度快、航程遠(yuǎn)、有效載荷大，特別適合裝備物資的突擊運(yùn)輸；實現(xiàn)垂直起降，特別適合裝備海軍艦載飛機(jī)。2、民用方面，可以在沒有機(jī)場的地區(qū)執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)，在出現(xiàn)緊急事故、災(zāi)難時它可以及時迅速的出動執(zhí)行救援任務(wù)，節(jié)省寶貴時間。同時可以完成海洋勘探、航空拍照等任務(wù)。
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(dú)特的飛行優(yōu)勢，早在20世紀(jì)40年代末期貝爾直升機(jī)公司就開始對其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。但傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)存在很多自身復(fù)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(dǎo)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(jī)首次完成由直升機(jī)飛行模式向固定翼飛機(jī)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(jī)MV-22進(jìn)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(zhǔn)恢復(fù)對MV-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行測試。直到最近V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)才剛剛投入使用，而且還存在很多技術(shù)難點尚待改進(jìn)。在民用方面，2006年11月由貝爾直升機(jī)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(jī)展開飛行試驗。據(jù)預(yù)測，BA609在未來20年將有600-700架的市場，該機(jī)投放市場后將會對中型和重型直升機(jī)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(jī)的研究還剛剛起步，沒有相關(guān)的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的設(shè)計參數(shù)，目前多處于理論研究階段。1、傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼耦合系統(tǒng)過渡飛行瞬態(tài)響應(yīng)分析。基于多體動力學(xué)方法建立傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)過渡飛行瞬態(tài)響應(yīng)分析模型,研究過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非線性非定常氣彈耦合動力學(xué)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(jī)在過渡飛行時的瞬態(tài)特性，能夠反映傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼/機(jī)翼間復(fù)雜的氣彈耦合動力學(xué)關(guān)系。2、傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)建模與仿真。據(jù)航空學(xué)報載為了研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的控制問題，建立了傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其中旋翼模型采用改進(jìn)了的葉元法，旋翼誘導(dǎo)速度計算采用改進(jìn)了的動量法。在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明模型可反映傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的基本特性，對飛行控制系統(tǒng)設(shè)計提供幫助。3、我們在研究傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)基礎(chǔ)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(shè)計、開發(fā)了軟硬件實現(xiàn)部件，設(shè)計了飛行控制律并成功實現(xiàn)了直升機(jī)飛行模式向飛機(jī)飛行模式的傾轉(zhuǎn)飛行試驗。
