轻型可折叠察打一体无人机的制作方法

本发明涉及无人机领域，特别是涉及一种轻型可折叠察打一体无人机。

背景技术：

无人机多为固定翼飞机，手掷起飞或短距起飞，多为电动，体积小重量轻。一般采用金属材料及一些先进的复合材料用以降低结构重量，但是它们外形不够规则，大多体积较旋翼无人机相比更大，很难装箱携带。同时，多数无人机的即时可修复性较差，且价格并不低廉，一般在5000美元以上。现有技术中的无人机，例如专利申请号为cn201420040752.6的一种可变展弦比察打一体无人机，包括机身，机翼外段翼，机翼中段翼，尾翼，以及动力系统；还包括机翼外段翼与机翼中段翼的连接机构，机翼外段翼与机翼中段翼通过连接机构相连接，所述连接结构可分离。作为一架侦查打击一体化无人机，可进行战略、战役和战术侦察，监视战场，为部队的作战行动提供情报，根据作战任务的改变可作为攻击无人机，攻击、拦截地面和空中目标；在抛掉外段翼后可有两种作战方式。该无人机采用固定翼常规布局，为适应不同战场环境的需要，通过改变飞机的展弦比来调整飞机的气动特性。具体的实施方案是，采用两段翼，在内段翼主梁中插入5mm钢制圆柱，用钩子与钢丝连接固定外段翼与内段翼，使用时利用舵机拉动钢丝解锁，在升力作用下，外段翼被抛掉。但是，该无人机整个过程中，飞机的展弦比从14降低到5.6，翼载荷增大，横侧稳定性降低，相应的滚转速率增加。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种轻型可折叠察打一体无人机，可以有效解决现有技术中的无人机存在的价格昂贵且难于维护，在实际作战中出现损坏很难迅速修复继而无法再次投入使用的问题以及现有无人机重量较大，体积较大，不便于携带，机动性差的问题；本发明提供了一种可快速折叠展开，成本低廉，结构简单易修复，具有优异的机动性并可携带一定投放载荷的察打一体无人机，可用于实施军事侦察行动，执行快速精确打击任务，亦可应用于民用科研领域，如大气探测，地表测绘等。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

轻型可折叠察打一体无人机，包括机身、机翼、折叠机构、平垂尾、侦察云台和投放机构，所述机身包括前段机身、后段机身、中央翼盒、机翼主梁、机身连接盒和机尾连接盒；

所述机翼包括内段机翼和外段机翼；所述机翼设置有左右两副，两副机翼对称设置在机身的两侧；

所述折叠机构包括机翼折叠机构和机身折叠机构；所述机翼折叠机构设置有两副；

所述前段机身通过机身折叠机构连接机身连接盒的前端，所述机身连接盒的后端固定连接后段机身，所述后段机身的后端固定连接机尾连接盒，所述机尾连接盒的后端固定连接平垂尾；

所述前段机身的中端固定安装中央翼盒和机翼主梁；所述中央翼盒和机翼主梁的两端分别连接左右两副机翼内的内段机翼，两副内段机翼的外侧各通过一副机翼折叠机构连接一副外段机翼；

所述侦察云台设置在前段机身的尾部；所述投放机构设置在前段机身的中部，投放机构位于机翼主梁的正下方。

所述内段机翼和外段机翼分别采用naca4412翼型和naca6412翼型，外段机翼的翼梢相对内段机翼的翼根有3度负扭转，翼梢与翼根弦长比为1：1.778，内段机翼和外段机翼的翼展为1332mm，内段机翼和外段机翼的翼面积0.337㎡，展弦比5.273，内段机翼和外段机翼前缘平直，无上反，无翼梢小翼。

所述外段机翼采用单梁承力方式，使用外径为8mm、内径为6mm的圆碳管为翼梁，穿过翼肋并与其粘接。

所述前段机身为木质框架机身；所述后段机身为碳纤维管机身。

所述机翼折叠机构包括弹簧钢连接片、金属弹簧合页和折叠加强盒；所述折叠加强盒一端连接在内段机翼的翼肋上，折叠加强盒的另一端连接在外段机翼的翼肋上；所述内段机翼的上表面和外段机翼的上表面通过两个弹簧钢连接片连接；所述内段机翼的下表面和外段机翼的下表面通过金属弹簧合页连接；所述弹簧钢连接片为2mm弹簧钢材料制成的扣锁钢片，弹簧钢连接片的一端通过螺丝固定在内段机翼上，另一端通过螺丝固定在外段机翼上。

所述机身折叠机构包括弹簧合页和钢制搭扣；所述前段机身的上表面通过25mm宽的弹簧合页连接机身连接盒的上表面；所述前段机身的左右两端分别设置钢制搭扣，钢制搭扣的后端搭扣在机身连接盒的左右两端。

所述侦察云台包括两个云台共轴俯仰舵机、云台滚转舵机和相机吊舱；所述两个云台共轴俯仰舵机共轴，两个云台共轴俯仰舵机分别通过螺丝固定在前段机身内部两侧的加强侧板上；所述云台共轴俯仰舵机的共轴为俯仰轴；所述云台滚转舵机固定安装在俯仰轴上；所述云台滚转舵机的摇臂固定连接在相机吊舱的上壁。

所述投放机构包括前墙支撑平面、转轴、转轴支座、挡片、投放舵机、摇臂、连杆和投放仓；所述投放仓固定在前段机身的中部；所述投放仓的前墙连接有前墙支撑平面；所述转轴支座固定在投放仓的后墙的下部；所述转轴穿过转轴支座；所述转轴的下部套有挡片；所述投放舵机通过投放舵机支座安装在投放仓的后墙上，所述投放舵机的摇臂与挡片平行；所述摇臂通过连杆连接挡片。

所述机翼展开时，外段机翼在下表面固定的金属弹簧合页的扭力作用下弹开，外段机翼上表面的螺丝嵌入内段机翼内的弹簧钢连接片上的延长孔内，展开完成。

所述转轴支座和投放舵机支座皆采用3d打印而成；所述转轴的直径为3mm，转轴的长度为40mm；所述挡片采用1.5mm厚碳纤维板铣制而成。

本发明的有益效果：本发明可以有效解决现有技术中的无人机存在的价格昂贵且难于维护，在实际作战中出现损坏很难迅速修复继而无法再次投入使用的问题以及现有无人机重量较大，体积较大，不便于携带，机动性差的问题；本发明提供了一种可快速折叠展开，成本低廉，结构简单易修复，具有优异的机动性并可携带一定投放载荷的察打一体无人机，可用于实施军事侦察行动，执行快速精确打击任务，亦可应用于民用科研领域，如大气探测，地表测绘等。

本发明采用前掠翼双垂尾布局，全机重量1.85kg，双发无刷电机配置，推重比可达1.6。采用木质结构，分段机翼可折叠，5秒内即可展开，全机成本控制在1000元人民币以内。由于采用木质结构和模块化设计，飞机出现局部损坏可以快速修复或更换，能够更好的适应战场的恶劣环境。同时，变翼型前掠翼以及机翼扭转的设计使得飞机在具有优异的机动性的同时有着不俗的载重能力。另外，飞机采用开裂式襟翼，极大程度降低了最低平飞速度，更依靠较高的推重比，使得飞机的飞行速度区间较大，在保证能够平稳侦察目标并实施打击的同时依然拥有较高的突防能力，保证了任务的成功率。

本发明的优点在于：

1.高机动，高载重的气动设计：采用前掠翼气动布局，机翼变翼型辅以翼尖负扭转，在提高升力系数的同时减轻结构重量。

2.全机折叠机构：机翼与机身共三处折叠机构，使得全机折叠后可以放置于规则的长方体箱子中，空间占有率超过50％，内部剩余空间可分配给随机设备。处于折叠状态的飞机从箱体中拿出，无需借助任何工具，在两人的配合下可在5秒内完成恢复，单人可在8秒内完成。

3.投放机构：由单舵机控制的挡片投放机构，装载与投放方便省时，可靠度极高。

与现有技术中的无人机相比，本发明具有高机动，易携带等优点。现有方案中，飞机通过抛下外段机翼降低展弦比。大翼展状态下拥有不错的载重性能和飞行稳定性，但机动性较差，而且在抛下外段机翼后，展弦比变化和平尾容量的突变会对飞机气动特性和飞行稳定性造成不良影响。本发明旨在提高侦察无人机的机动性，故选择了小展弦比的气动布局，但是通过新颖的前掠翼设计弥补了在相当翼面积下，展弦比降低造成的升力系数损失。在xflr5的气动仿真计算中，飞机在10度的迎角下升力系数可达1.2。同时，本发明具有方便携带，快速展开的极大优势，5秒的准备时间使得飞机能够迅速完成部署，极大地提高战场侦察效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明内部的机翼折叠机构的结构示意图；

图4是本发明内部的侦察云台的结构示意图；

图5是本发明内部的侦察云台的主视图；

图6是本发明内部的投放机构的结构示意图；

图7是本发明内部的投放机构的仰视图；

图8是本发明内部的投放机构的右视图；

图9是本发明内部的投放机构的主视图；

图中：1-前机身；2-内段机翼；3-外段机翼；4-机翼折叠机构；5-机身折叠机构；6-平垂尾；7-碳纤维管后机身；8-侦察云台；9-投放机构；10-弹簧钢连接片；11-螺丝；12-延长孔；13-云台共轴俯仰舵机；14-云台滚转舵机；15-相机吊舱；16-前墙支撑平面；17-转轴支座；18-挡片；19-挡片驱动舵机；20-摇臂；21-连杆。

具体实施方式

下面结合附图1-9对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

如图1-9所示，轻型可折叠察打一体无人机，包括机身、机翼、折叠机构、平垂尾6、侦察云台8和投放机构9，所述机身包括前段机身1、后段机身7、中央翼盒、机翼主梁、机身连接盒和机尾连接盒；所述机翼包括内段机翼2和外段机翼3；所述机翼设置有左右两副，两副机翼对称设置在机身的两侧；所述折叠机构包括机翼折叠机构4和机身折叠机构5；所述机翼折叠机构4设置有两副；所述前段机身1通过机身折叠机构5连接机身连接盒的前端，所述机身连接盒的后端固定连接后段机身7，所述后段机身7的后端固定连接机尾连接盒，所述机尾连接盒的后端固定连接平垂尾6；所述前段机身1的中端固定安装中央翼盒和机翼主梁；所述中央翼盒和机翼主梁的两端分别连接左右两副机翼内的内段机翼2，两副内段机翼2的外侧各通过一副机翼折叠机构4连接一副外段机翼3；所述侦察云台8设置在前段机身1的尾部；所述投放机构9设置在前段机身1的中部，投放机构9位于机翼主梁的正下方。

所述内段机翼2和外段机翼3分别采用naca4412翼型和naca6412翼型，外段机翼3的翼梢相对内段机翼2的翼根有3度负扭转，翼根与翼梢比为1：1.778，内段机翼2和外段机翼3的翼展为1332mm，内段机翼2和外段机翼3的翼面积0.337㎡，展弦比5.273，内段机翼2和外段机翼3前缘平直，无上反，无翼梢小翼。

所述外段机翼3采用单梁承力方式，使用外径为8mm、内径为6mm的圆碳管为翼梁，穿过翼肋并与其粘接。

所述前段机身1为木质框架机身；所述后段机身7为碳纤维管机身。

所述机翼折叠机构4包括弹簧钢连接片10、金属弹簧合页和折叠加强盒；所述折叠加强盒一端连接在内段机翼2的翼肋上，折叠加强盒的另一端连接在外段机翼3的翼肋上；所述内段机翼2的上表面和外段机翼3的上表面通过两个弹簧钢连接片10连接；所述内段机翼2的下表面和外段机翼3的下表面通过金属弹簧合页连接；所述弹簧钢连接片10为2mm弹簧钢材料制成的扣锁钢片，弹簧钢连接片10的一端通过螺丝11固定在内段机翼2上，另一端通过螺丝11固定在外段机翼3上。

所述机身折叠机构5包括弹簧合页和钢制搭扣；所述前段机身1的上表面通过25mm宽的弹簧合页连接机身连接盒的上表面；所述前段机身1的左右两端分别设置钢制搭扣，钢制搭扣的后端搭扣在机身连接盒的左右两端。

所述侦察云台8包括两个云台共轴俯仰舵机13、云台滚转舵机14和相机吊舱15；所述两个云台共轴俯仰舵机13共轴，两个云台共轴俯仰舵机13分别通过螺丝固定在前段机身1内部两侧的加强侧板上；所述云台共轴俯仰舵机13的共轴为俯仰轴；所述云台滚转舵机14固定安装在俯仰轴上；所述云台滚转舵机14的摇臂固定连接在相机吊舱15的上壁。

所述投放机构9包括前墙支撑平面16、转轴、转轴支座17、挡片18、投放舵机19、摇臂20、连杆21和投放仓；所述投放仓固定在前段机身1的中部；所述投放仓的前墙连接有前墙支撑平面16；所述转轴支座17固定在投放仓的后墙的下部；所述转轴穿过转轴支座17；所述转轴的下部套有挡片18；所述投放舵机19通过投放舵机支座安装在投放仓的后墙上，所述投放舵机19的摇臂20与挡片18平行；所述摇臂20通过连杆21连接挡片18。

所述机翼展开时，外段机翼3在下表面固定的金属弹簧合页的扭力作用下弹开，外段机翼3上表面的螺丝11嵌入内段机翼2内的弹簧钢连接片10上的延长孔12内，展开完成。

所述转轴支座17和投放舵机支座皆采用3d打印而成；所述转轴的直径为3mm，转轴的长度为40mm；所述挡片采用1.5mm厚碳纤维板铣制而成。

具体实施方式二：

本发明的轻型可折叠察打一体无人机，载机的气动布局及参数：

为在飞机头部设置领航仓，同时保证足够高的推重比，飞机采用了双发动力设计。飞机机翼分内外两端，分别采用naca4412与naca6412两种翼型，翼梢相对翼根有3度负扭转，根梢比1.778，翼展1332mm，翼面积0.337㎡，展弦比5.273，机翼前缘平直，无上反，无翼梢小翼，平尾容量0.531。

现有小型无人侦察机多采用大展弦比单发上反设计，翼面积不大，由于载机与繁多的电子设备重量较大，直接导致飞机翼载荷较大。这样的设计虽然具有较好的飞行稳定性，最低平飞速度较小，但飞机机动性较差，最直观的反映就是稳盘半径较大，横滚速率低。这导致飞机在执行侦察任务的时候无法灵活变更侦察路径，由于小型无人机本身定位即在于执行抵进敌人的近距离侦察，若不能以最快的速度发现目标并抵进，不但可能增加自身被击落的可能，更可能贻误战机。

因此，本发明的侦察载机设计目标就在于通过降低翼载荷，采用较低的展弦比来使得飞机拥有出色的机动性，可以更灵活的随时重新规划侦察路线，并迅速抵进目标。但同时，为了搭载足够的设备与投放载荷，飞机的载重性能必须保证，故采用前掠机翼的设计，同时利用大弯度翼型naca6412提高升力系数。因此机翼需设计一定的翼梢负扭转来防止副翼失效，这样的设计也使得全翼展上各剖面当地升力分布更为均匀，为后续的结构设计减轻负担。

载机的结构设计：全机采用椴木层板，轻木结构，主要承力部件使用碳纤维复合材料，机翼使用热缩蒙皮支撑翼型。由于全机金属材料应用较少，故重量较轻，空载1.85kg，方便携带。同时制作工艺简单，更易于修复。

机翼结构：外段机翼采用单梁承力方式，使用外*内径为8*6mm圆碳管为翼梁，穿过翼肋并与其粘接。内段机翼采用单碳梁承力加辅助木梁抗扭结构，主梁采用外*内径12*10mm碳管。飞机左右内段机翼主梁穿过机身，翼盒位于机身中部偏上，属于中单翼布局。左右内段机翼最靠内部的两个翼肋使用4mm椴木层板，内侧2mm嵌入机身翼根槽中，其余翼肋厚度均为2mm，内外边侧及安装舵机处使用椴木层板，其余均为轻木。

机身结构：机身分为前机身与后机身两段，前者是容纳侦察吊舱与投放载荷的载体，放置飞机的电控装置，采用框架结构；

后者使用外*内径为14*12mm的碳管一体连接前机身与平垂尾尾盒。两段机身使用金属弹簧合页与搭扣相连接，可折叠并快速展开固定。

折叠机构的设计：现有小型固定翼无人机虽然体积可观，但是无法装入一个体积足够小，形状规则的容器内，因此实际上即便是方便装车携带，想通过单兵随身携带进入战场仍非易事。这时，若要将全机尺寸缩减至易于携带的量级，则飞机自身的作战性能必定遭到大幅削弱，比如续航时间，航程，有效载荷等。

因此，本发明通过设计巧妙的机翼，机身折叠机构，使得在不降低飞机自身作战性能的同时将飞机装入长宽高之和1.5米的规则箱体中，单人即可轻松携带。同时，折叠机构的展开非常方便，三处折叠机构在两人的配合下5秒之内即可全部展开并立即起飞，响应时间极短，更能适应战场瞬息万变的恶劣环境。若应用于民用领域，易于携带的固定翼侦察载机同样受到广大科研工作者的青睐。

折叠机构的设计是本发明最大的创新点之一，飞机的折叠机构共有三处，分别在左右机翼内外段连接处以及前后机身连接处，外段机翼向下折叠，后机身向上折叠。

机翼折叠采用弹簧合页加锰钢片扣锁机构，在内段机翼外侧7、8号翼肋间与外段机翼内侧9、10号翼肋间夹装折叠加强盒，下表面使用长为50mm的金属弹簧合页连接，上表面前后边沿使用两个2mm弹簧钢材料制成的扣锁钢片，由螺丝固定于内段机翼上，在外段机翼相应位置固定螺丝。展开时外段机翼在弹簧的扭力作用下弹开，上表面的螺丝将嵌入内段机翼弹簧钢片上的延长孔内，扣紧后松开折叠需用钢片或刀片等将弹簧钢片轻轻撬开，亦可拧松螺丝。

机身折叠采用弹簧钢片加双搭扣机构，机身上表面使用25mm宽弹簧合页连接前后两段机身。机身两侧分别放置钢制搭扣，展开时两人配合可在3秒左右扣紧。

侦察机构的设计：侦察机构位于前机身尾部，使用两台共轴舵机驱动云台整体的俯仰收放，另有一个舵机安装于俯仰轴上，摇臂贴合固定于相机仓上壁，控制相机的滚转。如此，整个云台装置可以做到在俯角85度，滚转正负60度范围内自由转动。具体地，两台俯仰舵机对称放置与侦察仓两侧舱壁上，摇臂向内。两个摇臂同可与他们的转轴共轴转动的滚转舵机座连接固定，滚转舵机即安装在此支座上，摇臂向后，与相机仓相连接固定。整个双轴云台在收回机身中时，相机靠后，相机放下后视角向前。

投放机构的设计：投放仓位于前段机身下侧，长方体舱室容积782.21cm³，几何中心位于飞机主翼梁正下方，保证飞机完成空投后整体重心不发生明显的偏移。投放仓的前墙装有水平固定支撑平面，后墙底部装有3d打印而成的投放转轴底座以及投放舵机支座，利用直径3mm长40mm的钢柱作为转轴，其底部套装1.5mm厚碳纤维板铣制的挡片，舵机摇臂与挡片共平面，利用舵机控制挡片的旋转。当挡片旋转角度大于一定角度时视装载物尺寸而定，装载物与挡片脱离接触，此时装载物的重心已不在前墙支撑平面内，装载物向后翻滚落下，空投完成，挡片复位。值得注意的是，因为装载物以向后翻转的方式脱离投放仓，脱离瞬间装载物前部会向上转动，因此为防止其剐蹭挤压投放仓上壁，需将投放仓前上部设置一个向上的凹陷空间，此处不能装载有效载荷。

具体实施方式三：

本发明中的机翼折叠机构，机翼下表面采用金属弹簧合页，用于连接两段机翼并提供弹回机翼使其合拢的扭矩。上表面利用定制的65锰钢片完成机翼弹回后的固定，具体地，钢片从内段机翼延伸出来，外部有一外径尺寸与外段机翼上的连接螺丝顶部外径相同的延长孔，当外单机翼向上弹回时，外段螺丝将自动卡入延长孔内，随着机翼完全弹回复位，螺丝与延长孔外缘锁紧。这样的机构也可由类似夹扣的结构代替，如在外段机翼放置横置的薄片，上下留有空间，内段机翼安装半锯齿形状可向上弹起的夹具，在外段机翼合拢的过程中，夹子前部的斜面通过与外段机翼薄片挤压向上弹起，机翼继续合拢，复位的同时夹子与薄片扣紧锁死。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。