微型无轴涵道旋翼飞行器及其飞行控制方法与流程

本发明涉及旋翼飞行器领域，具体是一种微型无轴涵道旋翼飞行器及其飞行控制方法。

背景技术：

微型飞行器由于具有特殊的用途而倍受关注。一个重要应用是军事侦察，可装备到士兵班，进行敌情侦察及监视。还可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。在非军事领域，配置有相应传感器的微型飞行器可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等。

正在研究的微型飞行器主要有三种，一种是像飞机一样的固定翼模型，第二种是跟昆虫和鸟类一样的扑翼模型，第三种是跟直升机一样的旋翼模型。但是目前微型旋翼飞行器普遍存在操纵机构复杂导致飞行器体积变大且操纵机构操纵效率较低的缺点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种微型无轴涵道旋翼飞行器及其飞行控制方法,用无轴涵道旋翼动力系统作为主动力，采用智能压电复合材料制成的伺服襟翼控制俯仰及偏航运动，采用自适应舵面以平衡旋翼反扭矩并控制滚转运动,比传统涵道旋翼产生更大的升力，且消耗更少的能量，电动机-涵道-旋翼一体化设计使得桨叶与电动机之间不存在间隙，减小了涵道体微小变形对整体气动效率和安全性的影响，同时操纵机构简单、重量轻且易于操纵，更适用于微型飞行器。

本发明包括涵道以及安装在涵道内的若干桨翼结构和自适应舵面结构，所述的桨翼结构包括固定在涵道内壁上的上固定轴承和下固定轴承，上固定轴承和下固定轴承之间安装有电动机、定子、转子、桨叶和旋转环，定子与转子之间形成气隙，桨叶与旋转环连接从而与定子连接为一体；所述的自适应舵面结构分布在桨翼结构下方，包括通过固定块与涵道连接的若干舵面，舵面尾缘为通过交叉的弹性薄片连接的若干薄板，薄板连接有形状记忆合金。

本发明使用的升力装置与其他涵道升力系统不同，其固定轴承位于旋转环两侧，用于确定旋转环的轴向位置，传递桨叶旋转产生的推力。而电动机部分位于2个固定轴承之间，旋翼桨叶与电动机转子通过旋转环相连，以径向联结取代轴向联结，使得旋翼和电动机成为不可分离的集成整体，多磁极定子固定在两端轴承之间，当电动机工作时，转子带动旋翼桨叶相对多磁极定子旋转。无轴涵道旋翼升力装置采用电动机-涵道-旋翼一体化设计，使升力体结构更加紧凑，无轴涵道旋翼升力装置去除了支撑旋翼轴系及其相关附件，从而增加涵道内部分流通面积，减小了流阻，无轴涵道旋翼升力装置桨叶弦长分布与传统涵道旋翼分布相反，无轴涵道旋翼升力装置桨叶转速快的部分弦长较长，转速低的部分转速较低，因此能够比传统涵道旋翼产生更大的升力，并且没有传统涵道旋翼中涵道与旋翼之间的间隙，提升了整机气动性能，相比传统涵道旋翼，其推进性能可提高20%~25%。同时电动机去掉了减速器和传动轴系，因此与传统涵道旋翼相比，无轴涵道旋翼升力装置产生的噪声和振动更低，并提高了电动机功率密度和效率，其相比传统涵道旋翼能够降低15%~20%的能量损耗。

所述智能压电材料旋翼主要由四片后缘由粗纤维压电复合材料（mfc）制作的变弯度桨叶组成。通过改变mfc的通电电流大小达到改变其扭转角度，从而实现桨叶弯度的变化，弯度的改变使桨叶的气动力大小发生变化，因此通过控制四片桨叶在不同方位角的气动力大小提供俯仰及滚转力矩实现俯仰及滚转操纵。与传统涵道旋翼操纵系统相比，其去除了自动倾斜器，体积减小且结构重量大大降低。

所述自适应舵面结构主要由舵面、形状记忆合金（sma）及弹性薄片组成。舵面外套有由柔性材料组成的蒙皮，舵面的后缘结构由5块依次相连的薄板组成，薄板间交叉安装有弹性薄片。该薄片与sma共同构成驱动系统，可改变几何形状并够承受一定载荷。sma受热相变产生收缩，带动薄板围绕旋转中心发生偏转，从而使整个舵面后缘发生相对运动，从而改变舵面的气动升力以改变整个自适应舵面的扭矩大小以实现反扭矩的抵消或滚转操纵。自适应舵面无传统的机械操纵机构，结构简单，重量轻，适用于微型飞行器的设计。

本发明还提供了一种微型无轴涵道旋翼飞行器的飞行控制方法，包括以下飞行控制过程：

1）当飞行器需要低头时，在上方处减弱桨叶中的压电复合材料桨叶后缘的通电电压大小，减小此处桨叶后缘弯度从而升力降低，下方增大桨叶中的压电复合材料桨叶后缘的通电电压大小，增大此处桨叶后缘弯度从而升力上升，产生一个低头力矩，飞行器抬头；

2）当飞行器需要抬头时，与步骤1）同理，增大上方升力减弱下方升力则飞行器抬头飞行；

3）当飞行器需要向左偏航时，与步骤1）同理，减弱左方升力，增大右方升力则向左偏航；

4）当飞行器需要右偏航时，与步骤1）同理，增大左方升力，减弱右方升力则向右偏航；

5）当飞行器进行滚转操纵时，旋翼的下洗流打在舵面上将使舵面产生气动力，通过调节形状记忆合金的电流大小改变多片舵面同一方向上力的大小，以实现调节自适应舵面所产生的扭矩大小，当这个扭矩等于旋翼扭矩，飞行器不滚转，当这个扭矩大于旋翼扭矩将顺时针滚转，当这个扭矩小于旋翼扭矩将逆时针滚转。

本发明有益效果在于：

（1）无轴涵道旋翼升力装置电动机-涵道-旋翼一体化设计，结构紧凑，涵道中间除桨叶外无其它结构，旋翼流场不受附加结构干扰，气动效率得到提高，其桨叶弦长分布与传统涵道旋翼分布相反，桨叶转速快的部分弦长较长，转速低的部分弦长较短，因此能够比传统涵道旋翼产生更大的升力，桨叶与电动机之间不存在间隙，减小了涵道体微小变形对整体气动效率和安全性的影响。

（2）桨叶与电动机结合为一体，不需要传统涵道旋翼升力体的减速器及传动轴系，减少了能量传递损耗，提高了能量利用率。

（3）承受气动载荷最大处位于涵道壁，结构本身就强，而且无轴涵道旋翼升力装置不需要减速器及传动轴系，因此其工作时产生的噪音及振动相比传统涵道旋翼将更小。

（4）使用压电材料制作桨叶，在产生升力的同时也实现了飞行器的操纵控制，从而减轻了飞行器的结构重量并提高了操纵效率。

（5）自适应舵面结构简单，操纵效率高，无冗余机械结构，减轻了飞行器的体积和重量。

军用方面：

（1）机动性能独特，同时涵道提高了微型飞行器的抗干扰能力，适合于复杂环境的侦查工作。

（2）噪声低，隐蔽性好。旋翼内置于涵道边缘，同时取消了传统涵道旋翼减速器和传动轴系等噪声、振动主要产生源，降低了噪声，并且涵道降低了整机的热辐射性，提高了隐蔽性。

（3）全电化、智能化旋翼及自适应舵面设计，减轻飞行器结构重量，提高飞行器飞可靠性、维护性和可操作性。

民用方面：

（1）借助于其微小体积，可执行警用侦查任务。

（2）在影视制作方面，可进行狭小环境的视频拍摄任务。

（3）可用于工厂厂房及烟囱内部裂缝检测、化工厂有害气体检测等。

附图说明

图1是微型无轴涵道旋翼飞行器总体图；

图2是无轴涵道旋翼动力装置剖视图；

图3是智能压电材料桨叶示意图；

图4是自适应舵面结构示意图；

图5是自适应舵面结构原理示意图；

图6是微型无轴涵道旋翼飞行器俯仰及偏航操纵示意图；

图7是微型无轴涵道旋翼飞行器滚转操纵示意图。

图中，涵道-1，上固定轴承-2，定子-3，气隙-4，转子-5，桨叶-6，旋转环-7，下固定轴承-8，桨叶后缘-9，自适应舵面结构-10，起落架-11，舵面-12，固定块-13，弹性薄片-14，薄板-15，形状记忆合金-16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明总体结构如图1所示，从图1中可以看出，旋翼由四片桨叶6组成，桨叶6与旋转环7连接，旋翼与涵道1之间无气隙。

图2为无轴涵道旋翼升力装置剖视图，其主要特征为定子3、转子5与桨叶6安装在上固定轴承2与下固定轴承8之间，上固定轴承2与下固定轴承8起到固定与限位的作用，同时能够传递桨叶6旋转产生的推力。定子3与转子5之间形成气隙6，桨叶6与旋转环7连接从而与定子3连接为一体，实现以径向联结取代传统涵道旋翼的轴向联结，使得旋翼和电动机成为不可分离的集成整体。

图3为智能压电材料桨叶示意图，图3中，智能压电材料旋翼主要包括四片相同的桨叶6以及压电复合材料桨叶后缘9。通过改变压电复合材料桨叶后缘9的通电电压大小可改变其扭转角，从而改变桨叶6的升力大小。

图4及图5展示了自适应舵面结构10，自适应舵面10主要由8片舵面12组成，舵面12固定在固定块13上，固定块13与涵道1连接。舵面12尾缘结构如图5所示，5块薄板15通过交叉的弹性薄片14连接，薄板15与形状记忆合金16连接，形状记忆合金16受热相变产生收缩，带动薄板15围绕旋转中心发生偏转，从而使整个舵面12后缘发生相对运动，从而改变舵面12的气动升力以改变整个自适应舵面10的扭矩大小以实现反扭矩的抵消或滚转操纵。

图6是微型无轴涵道旋翼飞行器俯仰及偏航操纵示意图，其主要特征在于，飞行器主要分为图中上下左右四个方向，当飞行器需要低头时，在上方处减弱桨叶6中的压电复合材料桨叶后缘9的通电电压大小，减小此处桨叶后缘弯度从而升力降低，下方增大桨叶6中的压电复合材料桨叶后缘9的通电电压大小，增大此处桨叶后缘弯度从而升力上升，如此产生一个低头力矩，飞行器抬头，同理，增大上方升力减弱下方升力则飞行器抬头飞行，减弱左方升力，增大右方升力则向左偏航，增大左方升力，减弱右方升力则向右偏航。

图7是微型无轴涵道旋翼飞行器滚转操纵示意图，旋翼的下洗流打在舵面12上将使舵面12产生气动力，可以通过调节形状记忆合金16的电流大小改变8片舵面12如图7所示方向的力的大小，以实现调节自适应舵面10所产生的扭矩大小，当这个扭矩等于旋翼扭矩，飞行器不滚转，当这个扭矩大于旋翼扭矩将顺时针滚转，当这个扭矩小于旋翼扭矩将逆时针滚转。

本发明采用的动力装置主要由固定轴承、定子、转子、涵道、旋翼等组成。定子3、转子5与桨叶6安装在上固定轴承2与下固定轴承8之间，上固定轴承2与下固定轴承8起到固定与限位的作用，同时能够传递桨叶6旋转产生的推力。定子3与转子5之间形成气隙6，桨叶6与旋转环7连接从而与定子3连接为一体，实现以径向联结取代传统涵道旋翼的轴向联结，使得旋翼和电动机成为不可分离的集成整体，实现电动机-涵道-旋翼一体化设计。无轴涵道旋翼升力装置工作时，由外部供电，转子5带动桨叶6相对于定子3旋转。本发明无轴涵道升力装置主要参数如下表所示。经试验和理论计算测得悬停状态下同尺寸无轴涵道旋翼升力装置比传统涵道旋翼升力装置升力高18.1%，而需用功率降低了4.2%，说明无轴涵道旋翼升力装置的气动性能优于传统涵道旋翼升力装置。

参数数值

旋翼半径（mm）8；

桨盘实度0.12；

旋翼翼型naca2412；

涵道翼型naca0019；

桨叶片数4；

涵道扩散角/(°)8；

桨叶负扭度/(°)-28；

桨盘高度（mm）5；

涵道高度（mm）7.5；

中心孔径（mm）1。

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。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。