[发明专利]微型无轴涵道旋翼飞行器及其飞行控制方法

说明书

本发明提供了一种微型无轴涵道旋翼飞行器及其飞行控制方法，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。本发明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。

技术领域

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。

发明内容

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。