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基本信息

項(xiàng)目名稱:
可變形垂直起降無人機(jī)
簡介:
本項(xiàng)目提出一種既可以像直升機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)豎直方向的懸停、垂直起降以及高機(jī)動(dòng)性,同時(shí)又可像固定翼那樣利用機(jī)翼的升力進(jìn)行相對低能耗的長途奔襲的無人機(jī)。 在不同飛行任務(wù)下,無人機(jī)可以變形,在四葉槳飛行器和固定翼飛行器之間進(jìn)行切換,從而滿足不同環(huán)境的需求。無人機(jī)垂直起降或者需要減小無人機(jī)尺寸時(shí),其翼端折疊,為四葉槳飛行器;當(dāng)巡航飛行時(shí),翼端展開、涵道翻轉(zhuǎn)90°時(shí)為固定翼飛行器。 垂直起降時(shí),翼端折疊,4個(gè)葉槳作為動(dòng)力,構(gòu)成四葉槳飛行器,可以輕松實(shí)現(xiàn)垂直起降功能,同時(shí)折疊的機(jī)翼可以作為起落架使用;在巡航飛行時(shí),兩個(gè)葉槳翻轉(zhuǎn)90°,推動(dòng)無人機(jī)飛行,其它兩個(gè)葉槳關(guān)閉,可以節(jié)省能耗;同時(shí),翼端展開,構(gòu)成三角翼氣動(dòng)布局,便于巡航飛行,具有較高的飛行速度和較大的飛行半徑。另外,如有必要,如飛行空間較小時(shí),翼端折疊,可以有效減小無人機(jī)尺寸。
詳細(xì)介紹:
現(xiàn)代戰(zhàn)爭對無人機(jī)提出了更高的要求:既要高機(jī)動(dòng)靈活,又要具備較大的飛行半徑?,F(xiàn)有的無人機(jī)方案難以滿足上述要求。直升機(jī)和四葉槳飛行器均可垂直起降,但直升機(jī)飛控系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜、不易維護(hù),而四葉槳飛行器能耗大、飛行速度低、飛行半徑很??;固定翼飛機(jī)飛行能耗小、飛行半徑大,但垂直起降與懸停實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,且不適用于狹小地段的偵查。 本項(xiàng)目提出的無人機(jī)采用4臺(tái)垂直安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,可以垂直起降與懸停;而在巡航飛行時(shí),其中2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以翻轉(zhuǎn)90°,另兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī),同時(shí),翼端可以展開,無人機(jī)變形為三角翼布局的固定翼飛機(jī),具有較高的飛行速度,可以進(jìn)行長途奔襲,同時(shí)能耗較小,具有較大的飛行半徑,從而較好地解決了上述難題。

作品圖片

  • 可變形垂直起降無人機(jī)
  • 可變形垂直起降無人機(jī)
  • 可變形垂直起降無人機(jī)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo): 獲得一種既可以像直升機(jī)那樣垂直起降和豎直懸停,又可像固定翼飛機(jī)那樣利用機(jī)翼升力進(jìn)行相對低能耗長途奔襲的無人機(jī)。 設(shè)計(jì)思路: 將四葉槳飛行器和固定翼飛行器有機(jī)結(jié)合在一起,根據(jù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在垂直起降時(shí),采用4個(gè)葉槳驅(qū)動(dòng),同時(shí)翼端向下折疊,起到起落架的作用,并有效減小體積;在巡航飛行時(shí),位于兩翼的兩個(gè)葉槳可以翻轉(zhuǎn)90°而其它兩個(gè)葉槳關(guān)閉,同時(shí)機(jī)翼翼端展開,構(gòu)成三角翼氣動(dòng)布局,便于巡航飛行,具有較高的飛行速度和較大的飛行半徑。 創(chuàng)新點(diǎn): 1)無人機(jī)類型可變:既可為能夠垂直起降、垂直懸停、靈活飛行的四葉槳飛行器,又能變形為可長途奔襲的固定翼無人機(jī),可以根據(jù)需要在這二者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換; 2)無人機(jī)形狀可變:在起降時(shí)或空間狹窄情況下翼端向下折疊,可以起到起落架的作用或者達(dá)到減小無人機(jī)尺寸的目的;在巡航飛行時(shí)翼端展開,構(gòu)成三角翼布局,2個(gè)葉槳可以旋轉(zhuǎn)90°,為巡航飛行提供動(dòng)力,具有較高飛行速度和較大的飛行半徑; 3)節(jié)省能源:以固定翼形式飛行時(shí),僅使用2個(gè)葉槳驅(qū)動(dòng),節(jié)省能源,且具有較大的飛行半徑。 技術(shù)關(guān)鍵: 1)如何保證翼端變形運(yùn)動(dòng)到位后鎖定:采用二態(tài)四桿機(jī)構(gòu),在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,為滑塊搖桿機(jī)構(gòu);在搖桿運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí),利用推桿端部和轉(zhuǎn)動(dòng)桿頂部之間的摩擦,起到定位鎖定的功能; 2)如何保證各個(gè)電機(jī)更好地協(xié)調(diào):利用陀螺儀來輔助控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速; 3)在四葉槳飛行器狀態(tài)下,如何控制飛機(jī)在航向上轉(zhuǎn)彎:在涵道下方安裝導(dǎo)流葉柵,通過調(diào)整葉柵角度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

科學(xué)性、先進(jìn)性

垂直起降飛行器是一類集固定翼飛機(jī)和直升機(jī)性能優(yōu)點(diǎn)為一身的飛行器。目前,垂直起降無人機(jī)可以分為兩大類:推力定向式和推力換向式。推力定向式垂直起降無人機(jī)包含常規(guī)無人直升機(jī)和共軸式無人直升機(jī)兩類;而推力換向式則包含側(cè)傾旋翼式、傾轉(zhuǎn)機(jī)身式和傾轉(zhuǎn)涵道式、尾坐式和旋翼/機(jī)翼轉(zhuǎn)換式等6類。推力定向式無人機(jī)存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜,不易維護(hù),飛控系統(tǒng)復(fù)雜,在長途奔襲時(shí)能源耗費(fèi)較大等缺點(diǎn);推力換向式無人機(jī)則要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)困難,要么機(jī)動(dòng)靈活性能不足。 本項(xiàng)目提出的無人機(jī)結(jié)合了傾轉(zhuǎn)涵道式垂直起降無人機(jī)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)勢,技術(shù)先進(jìn),很多優(yōu)點(diǎn)是目前已知垂直起降無人機(jī)所不具備的. 該無人機(jī)采用4個(gè)葉槳為動(dòng)力,可以像直升機(jī)和四葉槳飛行器那樣豎直懸停,垂直起降,具有超高機(jī)動(dòng)性;而在巡航飛行時(shí),2個(gè)葉槳可以翻轉(zhuǎn)90°,同時(shí),翼端可以展開,此時(shí),無人機(jī)變形為三角翼布局的固定翼飛機(jī),具有較高的飛行速度,可以進(jìn)行長途奔襲,而此時(shí)僅有2個(gè)葉槳工作,其能耗較小,具有較大的飛行半徑。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

在2009年由共青團(tuán)河南省委,河南省科協(xié),河南省教育廳,河南省學(xué)聯(lián)共同舉辦的第七屆“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得一等獎(jiǎng)

作品所處階段

在多臺(tái)驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對作品進(jìn)行了多次改進(jìn),已達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)??蛇M(jìn)入具體產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)階段。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

產(chǎn)品聯(lián)合開發(fā)并技術(shù)入股

作品可展示的形式

實(shí)物、現(xiàn)場演示、錄像、圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)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

可變形垂直起降無人機(jī)兼具直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn),解決了在缺乏跑道等條件下無人機(jī)起飛和降落以及長航時(shí)飛行的問題,具有較高的實(shí)際意義。在軍事方面,該無人機(jī)可用于軍事偵察,如對大面積空曠的地帶進(jìn)行偵查、協(xié)助士兵了解房間、街巷角落等不便于觀測區(qū)域的情況等。該無人機(jī)可以變形,從而減小自身體積,對于空間狹小、地形復(fù)雜的區(qū)域,如:森林、城市的街道等,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。另外,由于可以垂直起降、豎直懸停并能長途奔襲,特別適合在軍艦上起降,完成對海域、內(nèi)陸城市的偵查等任務(wù)。同時(shí),在反恐、安保等方面也能夠充分發(fā)揮作用。在民用方面,由于該無人機(jī)可以在復(fù)雜環(huán)境、地形條件下起降、飛行,既可以大范圍觀測,又可以針對特定物體實(shí)現(xiàn)凝視,因此,可獲得廣泛的應(yīng)用,如災(zāi)害救援與評(píng)估、地質(zhì)勘測、航拍、電力線路巡查等。加上可以針對特定應(yīng)用背景進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與改進(jìn),該無人機(jī)可以在更為廣泛的領(lǐng)域中獲得應(yīng)用,具有良好的市場前景。

同類課題研究水平概述

垂直起降飛行器(VTOL)是:能夠以零速度起飛/著陸,具備懸停能力,并能以固定翼飛機(jī)的方式水平飛行。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比,垂直起降飛行器對跑道無依賴,且具有可懸停的優(yōu)勢;與傳統(tǒng)直升機(jī)相比,垂直起降飛行器具有高得多的前飛速度,并具有更大的航程。正因?yàn)榫邆溥@些優(yōu)點(diǎn),垂直起降飛行器尤其適用于需要懸?;?qū)ζ鸾祱龅赜刑厥庖蟮膱龊稀? 目前的垂直起降無人機(jī)可以分為兩大類:推力定向式和推力換向式。推力定向式垂直起降無人機(jī)包含常規(guī)無人直升機(jī)和共軸式無人直升機(jī)兩類,前者如美國Fire Scout無人機(jī),后者的典型代表是國內(nèi)的“海鷗”和國外的“哨兵”、“鬼怪”等。這兩類無人直升機(jī)不具備固定翼的水平飛行能力,飛行速度低、航程短;而推力換向式則包含側(cè)傾旋翼式、傾轉(zhuǎn)機(jī)身式和傾轉(zhuǎn)涵道式、尾坐式和旋翼/機(jī)翼轉(zhuǎn)換式等6類。推力定向式無人機(jī)存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜不易維護(hù)飛控系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜,在長途奔襲時(shí)對能源耗費(fèi)較大等缺點(diǎn);推力換向式無人機(jī)則要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)困難,要么機(jī)動(dòng)靈活性能不足。 綜上所述,目前的垂直起降無人機(jī)難以兼具直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的特性和優(yōu)點(diǎn),往往是根據(jù)需要突出一些優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)又會(huì)引入新的問題。本項(xiàng)目提出的可變形垂直起降無人機(jī)結(jié)合了傾轉(zhuǎn)涵道式垂直起降無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn),既可以垂直起降、懸停,又可以實(shí)現(xiàn)長途奔襲,優(yōu)勢非常明顯。
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