[发明专利]一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机

说明书

本发明公开了一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，具有垂直起降和高效巡航两种飞行模态，在垂直起降模态为十字多旋翼布局，在高效巡航模态为大展弦比正常式固定翼布局。本发明采用分布式混合动力系统以及后机身变体机构，依托两者可完成垂直起降模态和高效巡航模态的相互转换。分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统和分布式螺旋桨分系统两部分，可有效满足两种模态的动力需求。后机身变体机构系统又分为两个组成机构，一是变体驱动机构，用于后机身主体的转动动作；二是螺旋桨朝向约束机构，保证变体过程中，垂尾梢部螺旋桨朝向同机身轴向始终一致。后机身变体机构可实现两种模态下无人机布局的相互转换。

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，涉及一种垂直起降无人机，具体来说，是一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机。

背景技术

现有垂直起降飞行器动力形式多为单独油动或电动，布局方案多采用倾转旋翼、倾转机翼、旋定变翼、尾坐式或旋翼/固定翼复合式等。单独油动动力系统存在内燃机重量过重、体积过大(内燃机的功率重量比低于电动机)的问题，而单独电动动力系统存在着储能电池重量过重(储能电池能量密度低于航空燃油)的问题；倾转旋翼方案面临模态转换复杂、控制难度大的问题；倾转机翼方案面临倾转机构承载高、重量大的问题；旋定变翼方案面临着旋翼机体气动力耦合复杂、控制难度大的问题；尾坐式方案面临垂直起降稳定性差的问题；复合式飞行器面临着巡航效率和悬停效率都较低的问题。因此，寻求一种既能稳定垂直起降又能高效巡航，且模态转换安全可靠，控制难度小，耗油率低的垂直起降飞行器成为当前航空领域的研究热点。

发明内容

为克服上述多种垂直起降飞行器以及传统动力系统的不足，本发明提出一种采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，是一种以分布式混合动力系统满足双模态(垂直起降和高效巡航模态)动力需求、降低耗油率、提升安全性，并以后机身变体方案满足双模态布局转换要求、降低转换控制难度的高效小型垂直起降无人机。

本发明采用分布式混合动力的变体高效小型垂直起降无人机，包括机身、左机翼、右机翼、后机身、水平尾翼与垂直尾翼；同时还具有分布式混合动力系统与后机身变体机构。其中，分布式混合动力系统包括油电混合动力分系统与分布式螺旋桨分系统；后机身变体机构包括后机身变体驱动机构与螺旋桨朝向约束机构。

所述机身包括前机身与后机身；且后机身由水平横截面分割为后机身上部与后机身下部；后机身上部和后机身下部的前端与前机身后端间铰接，通过后机身变体驱动机构实现后机身上部与后机身下部相对前机身0～90°的同步转动。

所述油电混合动力分系统，包括发动机、燃油箱、发电机、储能电池与能源管理模块。其中，发动机、燃油箱、发电机、储能电池、能源管理模块均安装于前机身内部。发动机与前机身间刚性固定，用于为巡航提供动力以及发电机的发电；燃油箱用于燃油的储备以及发动机的供油。发电机的输入轴与发动机的输出轴通过联轴器相连，将发动机输出的机械能转换为电能，由储能电池存储。储能电池用于无人机垂直起降过程中大功率输出的功能。能源管理模块为油电混合动力系统的控制模块，进行无人机不同工作状态能量流向的管理。

所述分布式螺旋桨分系统包括电机、电子调速器与螺旋桨。其中，电机共十个；十个电机中，八个电机刚性固定于左机翼与右机翼前缘内部，输出轴朝向整个无人机前方；左机翼与右机翼前缘沿展向等间隔设置4个，且左机翼与右机翼上的电机安装位置对称；另两个电机分别刚性固定安装于两个垂直尾翼梢部前缘设计的电机舱内，且设计电机舱末端与垂直尾翼间铰接，使电机舱可转动。同时两个水平尾翼同上方的电机舱固接为一体结构；每个电机的输出轴上安装有螺旋桨；每个电机还配有电子调速器，通过能源管理模块为各个电子调速器与电机分配供电，进而控制每个电机转动，由电子调速器调节电机转速，且控制左机翼与右机翼上的八个电机中相邻电机的转向相反以平衡反扭矩，同时控制垂直尾翼梢部的两个电机彼此反向转动。

所述后机身上部与后机身下部进行旋转运动的过程中，通过螺旋桨朝向约束机构约束住垂直尾翼上的螺旋桨的朝向，使螺旋桨始终同无人机轴线朝向一致。