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基本信息
- 項目名稱：
- 新型多功能傾轉(zhuǎn)涵道無人機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該作品是在對現(xiàn)有無人機進行深入研究的基礎(chǔ)上，針對其自身存在的一些不足，并且面向我國艦載無人機的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款新型無人機，兼具無人直升機和固定翼無人機的優(yōu)點，既有效解決了現(xiàn)有涵道無人機飛行速度慢，控制復(fù)雜等不足，又克服了傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，具有廣闊應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 該作品是在對現(xiàn)有無人機進行深入研究的基礎(chǔ)上，針對其自身存在的一些不足，并且面向我國艦載無人機的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款新型無人機。 該無人機既有以下特點： 1、采用無尾、翼身融合布局，使得該無人機具有優(yōu)良的氣動性能； 2、采用可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計，使該無人機既具備垂直\短距起降和懸停性能，又能實現(xiàn)高、低速前飛和向后倒退飛行，兼具無人直升機和固定翼無人機的優(yōu)點，該無人機還具有優(yōu)良的空中減速性能； 3、采用三涵道姿態(tài)控制設(shè)計，每個涵道的動力面和控制面完全獨立，克服了傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重的問題，有效保障了飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 4、可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計，保證了涵道傾轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精確性； 5、采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將整機分為七大模塊，安裝和拆解方便快捷，大大減少了飛機所占的空間，便于運輸； 6、采用涵道旋翼設(shè)計，全部槳葉內(nèi)置在涵道中，提高了復(fù)雜環(huán)境下飛行的安全性。 該無人機的控制原理如下： 1、通過調(diào)節(jié)三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速來改變?nèi)齻€姿態(tài)操控涵道產(chǎn)生的拉力大小，形成縱向控制力矩來控制該無人機的縱向姿態(tài)。 2、當(dāng)該無人機處于垂直起降和懸停狀態(tài)時，通過調(diào)節(jié)上、下主旋翼的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩來控制該無人機的航向姿態(tài)；當(dāng)該無人機處于前飛狀態(tài)時，通過方向舵來控制該無人機的航向姿態(tài)。 3、通過反向調(diào)節(jié)機翼翼尖部位兩個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使兩個姿態(tài)操控涵道產(chǎn)生的反向的拉力，從而控制該無人機的橫向滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。 該無人機的五種典型工作狀態(tài)的描述如下： 1、垂直起降。中央涵道內(nèi)兩個主旋翼等速反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生豎直向上的拉力平衡飛機的重量，同時通過控制三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩。此時飛機為直升機飛行模式。 2、空中懸停。通過控制中央涵道內(nèi)兩個主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其產(chǎn)生的升力剛好能平衡飛機的重量，從而使飛機處于懸停狀態(tài)，同時通過控制三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛機懸停狀態(tài)的穩(wěn)定性；通過調(diào)節(jié)上、下主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使飛機原地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)航向控制。此時飛機為直升機飛行模式。 3、低速前飛。通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)使中央涵道向前逐漸傾轉(zhuǎn)到一定角度，同時控制兩個主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其既能平衡飛機的部分重量，又能產(chǎn)生一定的推力并以最佳的推進效率來推動飛機低速飛行，通過控制三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性，此時飛機處于由直升機模式向固定翼飛機模式過渡的飛行模式。 4、高速前飛。此時飛機已達到一定速度，機翼產(chǎn)生的升力已能夠平衡飛機的重量，通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)使中央涵道向前逐漸傾轉(zhuǎn)到90°，同時控制兩個主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其以最佳的推進效率來推動飛機高速飛行，通過控制三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性。此時飛機完成由直升機模式向固定翼飛機模式的過渡，為固定翼飛機飛行模式。 5、空中減速或向后倒退飛行。通過操控涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)使中央涵道向后逐漸傾轉(zhuǎn)到一定角度，同時控制兩個主旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速使其既能平衡飛機的部分重量，又能產(chǎn)生一定的反推力并以最佳的推進效率來降低飛機的飛行速度或推動飛機向后倒退飛行，通過控制三個姿態(tài)操控涵道內(nèi)副旋翼的槳距和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生飛機所需要的縱向配平力矩和滾轉(zhuǎn)配平力矩，保證飛行的穩(wěn)定性，此時飛機處于由固定翼飛機模式向直升機模式過渡的飛行模式。 該無人機既有效解決了現(xiàn)有涵道無人機飛行速度慢，控制復(fù)雜等不足，又克服了傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，可作為艦載無人機，用于軍情偵察、反恐和反潛掃雷等；也可在城市、山區(qū)、森林等復(fù)雜環(huán)境下進行火災(zāi)汛情監(jiān)測、森林巡查、輸油管道監(jiān)察、核泄漏探測、指揮交通、追捕逃犯、空中攝影和廣告宣傳等，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的無人飛行器。
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)
- 1、設(shè)計目的 本作品是針對我國艦載無人機的發(fā)展現(xiàn)狀和要求，以及無人機在城市、山地、森林等復(fù)雜環(huán)境下使用的要求，基于全新理念研發(fā)的一款傾轉(zhuǎn)涵道無人機，旨在研究傾轉(zhuǎn)涵道無人機總體設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)、涵道在傾轉(zhuǎn)過程中的空氣動力學(xué)特性以及傾轉(zhuǎn)涵道無人機的飛行控制特性，為我國傾轉(zhuǎn)涵道無人機的總體設(shè)計技術(shù)和自主飛行控制技術(shù)提供技術(shù)儲備和積累設(shè)計經(jīng)驗，推動我國涵道式無人機技術(shù)的快速發(fā)展。 2、基本思路 在涵道無人機技術(shù)的基礎(chǔ)上融入傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)和涵道姿態(tài)控制技術(shù)，以解決現(xiàn)有涵道無人機飛行速度較慢、控制較為復(fù)雜等問題，采用涵道旋翼設(shè)計且各涵道動力面和控制面相互獨立以克服傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重、旋翼槳葉外露導(dǎo)致安全性差以及噪音大等一系列問題，以促進我國艦載無人機的發(fā)展和無人機在城市、森林和山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。 3、創(chuàng)新點 1）無尾、翼身融合氣動布局； 2）可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計； 3）三涵道姿態(tài)控制設(shè)計； 4）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。 4、技術(shù)關(guān)鍵 1）分析論證傾轉(zhuǎn)涵道無人機的總體設(shè)計方案，確定其氣動布局并進行總體參數(shù)選擇； 2）設(shè)計可傾轉(zhuǎn)中央涵道和姿態(tài)控制涵道； 3）設(shè)計可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)； 4）建立傾轉(zhuǎn)涵道無人機的氣動計算模型； 5）研究傾轉(zhuǎn)涵道無人機的飛行控制特性。 5、主要技術(shù)指標(biāo) 機長：2192.5mm，翼展：2886mm，中央涵道直徑：800mm，姿態(tài)控制涵道直徑：250mm，最大起飛重量：20kg，有效載荷：5kg。
科學(xué)性、先進性
- 現(xiàn)有涵道無人機的不足之處： 1.采用固定式涵道設(shè)計，并在涵道下方設(shè)置一些舵面來控制其飛行姿態(tài)，控制較復(fù)雜且控制效果不理想； 2.通過傾斜機身實現(xiàn)前飛，飛行速度較低； 本作品的突出技術(shù)特點和優(yōu)勢： 為克服現(xiàn)有涵道無人機飛行速度較慢、控制較為復(fù)雜等問題，本作品是將傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)和三涵道姿態(tài)控制技術(shù)融入現(xiàn)有涵道無人機技術(shù)后得到的一種創(chuàng)新型的解決方案，其突出技術(shù)特點和優(yōu)勢如下： 1、采用無尾、翼身融合布局，使得該無人機具有優(yōu)良的氣動性能； 2、采用可傾轉(zhuǎn)中央涵道設(shè)計，使該無人機既具備垂直\短距起降和懸停性能，又能實現(xiàn)高、低速前飛和向后倒退飛行，兼具無人直升機和固定翼無人機的優(yōu)點，該無人機還具有優(yōu)良的空中減速性能； 3、采用三涵道姿態(tài)控制設(shè)計，每個涵道的動力面和控制面完全獨立，克服了傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重的問題，有效保障了飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 4、可靠的涵道傾轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計，保證了涵道傾轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和精確性； 5、采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于運輸。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該作品于2011年5月參加第十二屆挑戰(zhàn)杯全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽賽區(qū)決賽中獲得研究生組科技發(fā)明制作類一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利實施許可
作品可展示的形式
- 實物，圖片，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)濟效益預(yù)測
- 本作品的技術(shù)特點優(yōu)勢如下： 1、具有優(yōu)良的氣動性能； 2、具有垂直\短距起降和懸停性能，能夠?qū)崿F(xiàn)空中高、低速前飛和向后倒退飛行，還具有優(yōu)良的空中減速性能； 3、克服了傳統(tǒng)無人直升機飛行控制耦合嚴(yán)重的問題，有效保障了飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性； 4、復(fù)雜環(huán)境下飛行安全可靠； 5、安裝和拆解方便快捷，便于運輸。 適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明： 本作品既可作為艦載無人機，用于軍情偵察、反恐和反潛掃雷等；也可在城市、山區(qū)、森林等復(fù)雜環(huán)境下進行火災(zāi)汛情監(jiān)測、森林巡查、輸油管道監(jiān)察、核泄漏探測、指揮交通、追捕逃犯、空中攝影和廣告宣傳等，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的無人飛行器。 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測： 在軍用領(lǐng)域，我國對能自由起降且飛行速度快的無人機的需求相當(dāng)迫切；在民用領(lǐng)域，我國還沒有專門應(yīng)用于城市、山區(qū)、森林等復(fù)雜環(huán)境下的無人機，因此，該無人機的市場前景非常廣闊，經(jīng)濟效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 眾所周知，近年來無人機因其鮮明的技術(shù)特點在軍事和民用領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，尤其在軍事偵察、反恐、公安、消防、森林巡查、核泄漏探測以及救災(zāi)等領(lǐng)域具有廣泛的需求，它代表著未來航空器的一個重要發(fā)展方向。 從二十世紀(jì)五十年代到現(xiàn)在先后涌現(xiàn)出了許多獨特的小型無人飛行器。如美國西科斯基公司為多用途安全與監(jiān)視任務(wù)平臺項目而成功研制了“Cypher”無人驗證機，有Cypher-Ⅰ及其改進型Cypher-Ⅱ兩個型號，“Cypher”系列屬于混合布局的涵道旋翼飛行器，結(jié)合了涵道技術(shù)和共軸推進旋翼的概念，將共軸槳葉，遙控操作，先進的電子設(shè)備綜合在了一起。與暴露式槳葉的設(shè)計相比更為安全。2001年，美國國防部高級研究計劃局啟動了建制無人機(計劃，在該計劃下，美國霍尼韋爾公司研制了OAV－II無人機，該無人機有效載荷9kg，使用一個30 kW的重油發(fā)動機來驅(qū)動，可以續(xù)航2h、飛行16km。美國極光公司為此研制的金眼涵道無人機采用了尾部穩(wěn)定翼以及涵道外部可拆卸的活動機翼，其目的是提高其在平飛狀態(tài)時的飛行穩(wěn)定性和飛行速度。 歐洲各國也在緊鑼密鼓的開展新型無人機的研究，如英國于2006年推出了其最新研制的碟形無人飛行器——GFS項目，該飛行器靠電池提供能量，能夠垂直起飛和降落，美國國防部十分關(guān)注此項設(shè)計，經(jīng)過“GFS”飛碟盤旋飛行和操控示范，美國國防部已簽訂了定制合約；新加坡也推出了自己的涵道式無人機Fantail，該機采用直流無刷電動機作為螺旋槳驅(qū)動機構(gòu)，具有垂直起降以及水平高速飛行的能力。 我國無人機研制也走過了四十年的發(fā)展歷程，近年來也在無人機領(lǐng)域明顯加快了研究進程。要特別一提的是中國航天科工集團研發(fā)的“跳棋”涵道無人機，該涵道無人機采用油動發(fā)動機，三葉螺旋槳和氣動舵面設(shè)計，具有垂直起降能力，可在目標(biāo)上空進行長時間懸停監(jiān)視；最近哈爾濱盛世特種飛行器有限公司也聯(lián)合中國航天科工集團第四研究院與哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院共同研發(fā)了一種單槳涵道式無人機試飛成功。 但目前所有涵道無人機均是通過傾轉(zhuǎn)涵道，也就是要翻轉(zhuǎn)機身來實現(xiàn)前飛，雖然起降、懸停能很好實現(xiàn)，但飛機姿態(tài)變化較大，飛行速度和變姿穩(wěn)定性還不太理想，這也是今后需重點解決發(fā)展的問題。如能把涵道與傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)合起來，這些問題或有改善。
