[发明专利]斜积矢量两轴飞行器控制结构

说明书

本发明属于飞行技术领域，公开了一种斜积矢量两轴飞行器控制结构。主要发明内容是改变了传统两轴飞行器的对称式控制结构，通过独特的矢量轴前略角设计，引入了两桨反扭力叠加力矩这一新的俯仰控制力矩，通过对数学模型和实验数据的分析，得出了此种独特控制结构中前略角和重心位置之间的配合关系，有效地解决了两轴飞行器俯仰控制稳定性问题。消除了传统两轴飞行器上容易出现的俯仰震荡现象，其作为一种可靠、实用的新型两轴飞行器控制结构，是替代传统倾转旋翼飞行器两桨斜盘变距控制结构的理想方案。其前景在于，在满足垂直起降飞行器稳定性要求的前提下，大幅简化系统结构，提高飞行可靠性和效率。

技术领域

本发明涉及飞行技术领域，主要涉及一种飞行器，尤其涉及飞行模式转换的双旋翼垂直起降飞行器。

背景技术

现有的航空飞行器主要包括以下几类：多轴飞行器，直升机和固定翼飞机。多轴飞行器一般采用多个动力装置对称安装组成，并由动力装置直接驱动固定距螺旋桨产生升力飞行。多轴飞行器有结构简单，维护方便的特点，但是过多的桨叶和动力装置降低了飞行效率。而传统直升机的主、尾桨由动力装置经过传动机构驱动旋转，再通过变距机构控制主、尾桨叶的螺距集体及周期性变化，进而产生升力、反扭力及绕主轴一周的升力差来控制飞行姿态飞行。虽然直升机的桨叶和动力装置较少，但是传动及变距机构复杂，加上传动损耗，效率比多轴飞行器略高。多轴飞行器和直升机都能垂直起降，且能悬停在空中和低速飞行，对于起降场地的要求不高，但是留空时间短，航速低，航程小是这两种飞行器的主要问题。固定翼飞机具有大航程、长航时的特点，但是其不能悬停留空，且需要跑道滑跑起降，这都限制了固定翼飞机的使用范围。尽管现有的尾座式垂直起降固定翼飞机也能实现垂直起降，但在机翼垂直于地面的起降方式下，依靠机翼上的气动舵面保持悬停姿态控制的方法，在气流扰动较大时效果不甚理想，能耗也非常大。但是现实中经常会遇到需要一种既对起降场地要求不要高，又能实现大航程、长航时，且节能、飞行效率高的飞行器，以适应诸如灾害救援、地形线路查勘，甚至特殊情况下的长距离运输等。

目前能较好解决以上矛盾的是倾转旋翼飞行器，它是一种可以垂直起降、空中悬停、低速前飞，并通过旋翼倾转像固定翼飞机一样做高速巡航飞行的独特构型飞行器。倾转旋翼飞机采用的是两桨变距控制方式，可以看作是将两架传统直升机水平横列固定在一起，由于两桨对转反扭矩抵消，所以不需要尾桨加以平衡。通过倾转机构同步倾斜两桨从水平于机身到垂直于机身，进而利用机翼在固定翼模式产生足够升力，就完成了垂直起降模式到固定翼模式的转换。这种两桨变距控制方式本质上和传统直升机是一样的，其结构复杂、传动损耗大、效率低下，在飞行器，尤其是无人机上采用这种结构是得不偿失的，除非是特殊需求，一般情况下也不采用这种方式。采用定距螺旋桨并带有固定式机翼的的倾转多轴飞行器也是一种新型的垂直起降飞行器，可以看作是在多轴飞行器上安装了固定式机翼，这种飞行器同时具备多轴飞行器和固定翼飞行器优点，结构简单适合小型飞行器采用。但是，因为采用多套动力装置及螺旋桨也存在效率低下的问题。

通常来讲，螺旋桨叶越大，动力装置和桨叶越少效率越高，所以两轴飞行器在效率和机械复杂性上做到了较好的折中。这种飞行器主要由以下几个部分组成，动力装置和安装在其上的螺旋桨构成了动力总成，左右动力总成水平对称布置在机身两侧，并安装在左右矢量机构的矢量座上，矢量机构的底座与机架刚性链接。在伺服器驱动下，使安装在矢量座上的动力总成绕矢量机构输出轴旋转。飞行过程中通过动力输出方向同方向旋转控制俯仰姿态，反方向旋转控制偏航姿态，左右两动力装置差动加减速控制横滚姿态，同步加减速控制动力大小，两桨反扭力由桨叶相对旋转而抵消。由此可见，两轴飞行器的动力可矢量变化，所以其俯仰及偏航响应速度更快，而机械结构比采用斜盘变距机构的倾转旋翼飞行器要简单。但这种两轴飞行器一直未能得到广泛应用，最主要的原因是俯仰控制稳定性差。具体分析：