一种舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的制作方法

本发明属于航空器技术领域，具体来说是一种舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器。

背景技术：

传统构型舰载直升机运载效率较高、经济性较好、适应性强，但在执行海面突击运输、快速救援、大范围搜索任务时，速度慢、航程短、战场生存力低、保障复杂，战术效率不高，非常不利于两栖战术任务的展开，一直为海军诟病。研制高速型舰载垂直起降飞行器成为一种必然。

上世纪90年代起，在xv-15原理样机的基础上，在美国海军坚持不懈的资助下，波音公司发展了一种新型的倾转旋翼飞行器，即著名的mv-22鱼鹰倾转旋翼飞行器。该机型到2007年开始小批列装，目前发展至b阶段。鹰眼无人型也列装了69架。实际应用证明，该构型飞行器快速突击运输能力强，综合任务效能提升1倍，具备优秀的舰面垂直、滑跑起降能力。倾转旋翼飞行器极大地扩展了任务包线，基本上覆盖了海军突击运输任务的全部要求。

上述构型的倾转旋翼飞行器，均采用传统的机械驱动装置驱动旋翼前倾，需要主减速器、滑油、散热、传动轴机械传动机构、液压驱转驱动机构等大重量、高复杂度传动件，系统构造复杂，维护工作繁琐，故障率高，并且进行舰载飞行时与舰船存在严重的兼容性问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器设计方案。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，包括倾转旋翼系统、模块化机身结构、盒式双层机翼、双层盒式全动平尾、垂尾、动力总成和能量管理一体化系统、飞行控制系统，所述倾转旋翼系统包括设置在盒式双层机翼末端的旋翼和桨毂，所述盒式双层机翼对称设置在模块化机身结构的两侧，所述动力总成和能量管理一体化系统包括热动力直驱发电系统、发电机和电动机，所述热动力直驱发电系统与发电机连接，所述发电机发出的电能分为两路，一路进入双余度1100v能量管理系统，另一路进入双余度270v能量管理系统，进入双余度1100v能量管理系统的电能，分别驱动左旋翼驱转电机和右旋翼驱转电机，进入双余度270v能量管理系统的电能，一部分进入基础蓄电池储存，另一部分给机载传感器系统、旋翼操纵控制器、旋翼倾转控制器、旋翼转速控制器和机载任务单元供电。

进一步地，所述倾转旋翼系统为双余度永磁无刷电机驱转双侧反转旋翼，带有1级减速，旋翼倾转采用270v电动伺服机构，旋翼可实现舰面折叠。

进一步地，所述模块化机身结构包括模块化前机身和模块化后机身，所述模块化前机身能够容纳1-2名乘员或100千克任务装备，所述模块化后机身能够容纳150千克任务装备，所述模块化机身结构的上机身单元为发动机平台，所述发动机平台包括进气道及尾喷口模块、发动机模块，所述模块化机身结构与主起落架、盒式双层机翼相连，所述模块化机身结构内容纳燃油系统和应急供电系统，所述模块化机身结构的后机身配置增程油箱。

进一步地，所述盒式双层机翼包括上机翼和下机翼，所述上机翼带有襟翼，所述上机翼上表面装有涡流发生器，所述盒式双层机翼翼尖安装倾转旋翼。

进一步地，所述双层盒式全动平尾包括上下尾面，所述垂尾为可折叠的v型双垂尾。

进一步地，所述发电机为650kw发电机，电动机为320kw电动机，所述动力总成和能量管理一体化系统还包括660kw二次电源、能量管理系统，所述热动力直驱发电系统包括涡轴发动机，所述涡轴发动机的输出轴通过减速器连接转轴，所述转轴为发电机转子，直接驱动发电机，所述650kw发电机为正弦波永磁同步发电机，其中定子是永磁体，采用钕铁硼材料，转子线圈采用铜线圈，槽楔为导磁材料制成的元件，所述320kw电动机为正弦波永磁同步电动机，所述电动机电机控制器包含两个通道，分别控制左旋翼驱转电机和右旋翼驱转电机，所述660kw二次电源采用模块化并联结构，所述模块化并联结构内部设计采用三级功率变换：三相不控全桥整流、三电平buck变换器和高频llc谐振dc-dc变换器，所述能量管理系统包括1套1100v电源系统和1套270v直流电源系统，所述1100v电源系统向旋翼电机供电，所述270v直流电源系统向电池组充电，通过电池组向机载设备供电。

进一步地，所述飞行控制系统包括三余度飞行控制计算机和双余度控制舵机，所述双余度控制舵机包括襟/副翼电动舵机2台、升降舵机1台、短舱倾转控制电动舵机2台。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，解决了传统完全热动力倾转旋翼飞行器结构复杂、故障率高的问题，可以提高使用及维护效率；

(2)本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，解决了传统完全热动力倾转旋翼飞行器在舰上起降时对甲板热冲击效应严重、机舰相容性差的问题，传统倾转旋翼飞行器由发动机直接驱动旋翼，舰面停放时，发动机尾喷口直接指向甲板，且距甲板距离很近，高速高温的尾喷气流直接冲击甲板，导致甲板烧蚀损伤，而热动力电驱倾转旋翼飞行器的发动机固定在机身上，尾喷口固定向后，采用电机驱动旋翼前倾，不存在冲击甲板的高温高速尾喷气流，提高了舰上使用的适用性；

(3)本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，倾转旋翼系统的折叠设计解决了飞行器在舰上的存放问题，结合其新型构型，该飞行器尤其适于舰载使用；

(4)本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，采用的热动力实时发电技术，解决了传统蓄电电动飞行器续航时间及续航里程短、电池组重量过大的问题，扩展了飞行器的任务半径，可用于执行多样化任务；

(5)本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，采用了盒式双层机翼、双层平尾折叠的v型双垂尾及模块化机身设计，提高了飞行器的气动效率，并便于进行任务装载。

附图说明

图1是本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的主视图。

图2是本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的前视图。

图3是本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的俯视图。

图4是本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的立体图。

图5是本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器的折叠图。

图6是本发明能量管理系统示意图。

图7是涡轴-8系列发动机结构示意图。

图8是本发明涡轴-8系列发动机及发动机直驱发电改造示意图。

图9是本发明发电机工程样例示意图。

图10是本发明电动机原理框图。

图11是本发明电动机工程样例图。

图12是本发明的二次电源模块图。

图13是本发明的倾转旋翼飞行器导航及控制律架构设计示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

图1-4是本发明的舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器总体布局示意图。本发明提出的一种舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器，包括倾转旋翼系统、模块化机身结构3、盒式双层机翼4、双层盒式全动平尾6、垂尾8、动力总成和能量管理一体化系统、飞行控制系统。倾转旋翼系统用于产生悬停升力及前飞拉力，模块化机身结构用于安装飞行器各个部件及任务设备，盒式双层机翼产生前飞升力，并作为倾转式旋翼的支撑件，双层盒式全动平尾用于前飞时进行俯仰操纵，动力总成和能量管理一体化系统利用发动机驱动发电机产生电能，并对电能进行分配，利用电动机驱动旋翼旋转，并为其他机载设备提供电能，飞行控制系统控制飞行器飞行模式的转换，可实现自主飞行。

图5是本发明的折叠方案示意图，后机身、机翼和倾转旋翼组件具备手动快速折叠能力。同时，为提升航向稳定性、减少雷达目标特性，采用了可折叠的v型双垂尾气动布局。当前折叠方法均采用手工折叠。折叠包括如下步骤：

步骤1：旋翼及电动机短舱整体自动水平放置；

步骤2：旋翼桨叶下垂折叠并固定；

步骤3：采用吊索牵引机构，将机翼中部向上折叠并固定；

步骤4：垂直尾翼放平；

步骤5：起落架下蹲30cm。

图6是本发明的能量管理系统示意图。作为一种较佳的实施例，涡轴发动机工作，根据最佳工况控制器的指令，驱动650kw发电机发电；发电机产生的电能分为两路，一路进入双余度1100v能量管理系统(能量管理系统采用基于优化的控制策略，将电池组soc和该飞行器所需功率作为输入量，发动机所需功率作为输出量，制定能量管理准则。)，一路进入双余度270v能量管理系统(双余度)；进入双余度1100v能量管理系统的电能，分别驱动左旋翼驱转电机和右旋翼驱转电机；进入双余度270v能量管理系统的电能，一部分进入基础蓄电池储存，另一部分给机载传感器系统、旋翼操纵控制器、旋翼倾转控制器、旋翼转速控制器和机载任务单元供电。

图7-8是本发明的涡轴-8系列发动机及发动机直驱发电改造示意图。图中标记为：进气道9、压气机10、燃烧室11、燃气涡轮12、功率涡轮13、输出轴14、减速器15、发电机16，该型发动机额定状态下np转速为41850rpm。取消图中的转速为6000rpm主传动轴，保留第一级减速器高速轴承系统和转轴，将该转轴改制为发电机转子直接驱动发电机组，实现高效发电。发动机控制系统转速按照电机的总耗能需要，动态实现按需最优发电。

图9是本发明的新型发电机工程样例示意图，本发电机采用高度成熟的正弦波永磁同步发电机，其中定子是永磁体，采用钕铁硼材料，转子线圈采用铜线圈，槽楔为导磁材料制成的元件，其中转子部分直接利用发动机一级减速后的输出轴延长制成，发电机与发动机采用直驱传动连接方式，图中17是螺母，18是装机固定螺母，19是高强度、高导热陶瓷材料底座，20是高导磁铁芯。

图10是本发明的电动机原理框图，结构件采用新型高强度材料，进一步降低总体质量。图11是本发明的电动机工程样例图，采用高度成熟的正弦波永磁同步电动机，输出轴优化设计为8000rpm，电机控制器包含两个通道，每个通道控制一台驱转电机，转速控制信号来自飞行控制计算机，其中21是定子，22是连接部件，23是永磁材料，24是内部线圈。

图12是本发明的二次电源模块图。采用模块化并联结构。单个模块根据可以选用的功率拓扑和器件选定优化的模块额定功率。模块内部设计拟采用三级功率变换：1.三相不控全桥整流；2.三电平buck变换器；3.高频llc谐振dc-dc变换器。电源模块拟采用全数字控制，对外提供数字通讯接口。

图13是本发明的倾转旋翼飞行器导航及控制律架构设计示意图，根据导航点、预编程、返航、图像引导、防撞等条件进行模式选择。飞行器以此实现导航功能及飞行控制模式，在5级海况时自如地执行自主舰面垂直起降任务，利用高级巡航模式进行目标搜索和跟踪等。

本发明舰载热动力电驱倾转旋翼飞行器工作包括如下步骤：

步骤1：涡轴发动机工作，根据最佳工况控制器的指令，驱动650kw发电机发电；

步骤2：发电机产生的电能分为两路，一路进入双余度1100v能量管理系统，一路进入双余度270v能量管理系统；

步骤3：进入双余度1100v能量管理系统的电能，分别驱动左旋翼驱转电机和右旋翼驱转电机；

步骤4：进入双余度270v能量管理系统的电能，一部分进入基础蓄电池储存，另一部分给机载传感器系统、旋翼操纵控制器、旋翼倾转控制器、旋翼转速控制器和机载任务单元供电。

本发明为机舰动态配合过程搭建了一套仿真试验环境，通过采用现代建模手段，模拟设计的全电倾转旋翼飞行器，建立包括倾转旋翼飞行器飞行动力学数学模型、热动力直驱发电系统仿真模型、飞行控制系统仿真模型、舰艇运动学及舰艉流场实时仿真模型，开发视景仿真系统，模拟舰面起降、巡航等任务包线科目，开展系统仿真试验。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。