一种纵列式旋翼-倾转旋翼复合式飞行器

本发明属于飞行器气动布局设计技术领域，尤其涉及一种纵列式旋翼-倾转旋翼复合式飞行器。

背景技术：

直升机在不同状态下的飞行性能好坏与桨盘大小密切相关，在保证直升机总重、发动机和旋翼翼型等因素相同的条件下，当直升机悬停或垂直起降时，大桨盘直升机由于桨盘载荷更小，螺旋桨效率更高，相比于小桨盘直升机，具有更好的悬停性能和低速机动能力；而当直升机高速前飞时，小桨盘直升机由于旋翼迎风面积更小，所受空气阻力更小，再加上旋翼前进比也更大，因此更有利于提升直升机前飞速度。

典型小桨盘直升机如倾转旋翼机，在机身两侧翼尖处安装有两副桨盘较小的倾转旋翼，相对于普通直升机而言，具有航速更高、航程更远的优势，如v-22“鱼鹰”(主旋翼桨盘面积212m²)倾转旋翼机的航程可达到3000km，速度可达到500km/h以上，而普通直升机则很难突破370km/h。典型大桨盘直升机如纵列式双旋翼(ch-47d主旋翼桨盘面积525.3m²)，在机身前后安装有两副桨盘较大的旋翼，具有较高悬停效率，在悬停时抗侧风扰动能力较强,有较大的操纵余量，再加上纵向重心范围大，机身可设计得较为庞大，载重量大，被广泛应用于战术运输、医疗、搜救等任务中，典型例子如h-21、雅克-24、ch-47、布列斯特-192等。

小桨盘直升机(如倾转旋翼机)的不足之处在于悬停性能和低速机动性能较差。直升机的悬停和低速机动性能与过载系数密切相关，普通直升机的过载系数一般在3.5左右，而小桨盘直升机则相对较小，如v-22“鱼鹰”旋翼机的过载系数仅为1.4。由于桨盘面积较小，悬停时所需诱导功率也比普通直升机大许多，悬停效率低。

大桨盘直升机(如纵列式双旋翼直升机)的不足之处在于高速前飞时的前进比较小。在高速前飞时，由于旋翼转速较低，旋向气流运动受直升机前方相对来流的影响较大，导致前飞时旋翼产生的推力较小，螺旋桨效率衰减速度快，同时型阻损失较大，因此前飞速度难以提高。对于纵列式双旋翼直升机而言，在前飞时还具有较大的迎角不稳定性，当准备前飞加速时，通常采用低头前倾的方式来产生水平方向上的推力分量，一般会选择增大后旋翼功率来增大拉力，从而达到低头效果，但与此同时，低头的前旋翼桨盘迎角也会变大，前旋翼产生的拉力也随之增大，产生抬头力矩，阻碍了直升机进一步低头前倾，从而限制了直升机前飞速度的大幅提升。

另外，直升机作横航向运动时，一般通过旋翼周期变距操纵来实现，然而用于实现周期变距操纵的自动倾斜器装置结构复杂，经由球形套筒装在旋翼轴上并与旋翼桨毂联接，不可避免地带来较大废阻。直升机在高速前飞时的总需用功率有近50％被直升机的废阻消耗，而桨毂部分的废阻占直升机总废阻的20-30％，随着飞行速度的提高，甚至占40％以上，严重影响直升机的飞行性能。因此，若能实现不通过周期变距操纵也能够完成横航向操作，简化桨毂处的结构，降低废阻，则能够进一步提升直升机飞行性能。

技术实现要素：

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种能够兼具较好的悬停性能、机动性能以及较高前飞速度的复合式飞行器，本发明的具体技术方案如下：

一种纵列式旋翼-倾转旋翼复合式飞行器，其特征在于，包括机身、一对结构相同的固定机翼、一对结构相同的倾转旋翼、一对结构相同的固定旋翼、分别安装在所述机身的头部和尾部的前旋翼塔座和后旋翼塔座，其中，

所述固定机翼对称安装在所述机身的中下部，所述倾转旋翼包括分别安装在所述固定机翼的翼尖处的左倾转旋翼和右倾转旋翼，所述倾转旋翼在所述固定旋翼的桨盘区域以外；

所述固定旋翼包括安装在所述前旋翼塔座上方的前固定旋翼和安装在所述后旋翼塔座上方的后固定旋翼；所述左倾转旋翼和所述右倾转旋翼的转速相同且旋转方向相反，所述前固定旋翼和所述后固定旋翼的转速相同且旋转方向相反；所述倾转旋翼和所述固定旋翼的总距、转速能够调节；

所述飞行器的工作过程为：

所述飞行器在作滚转运动时，所述倾转旋翼不处于水平位置，能够对所述倾转旋翼进行差动总距操作，或对所述倾转旋翼的倾转角度进行差异化调节，使所述左倾转旋翼与所述右倾转旋翼在竖直方向产生的拉力不同来实现；

所述飞行器在作偏航运动时所述倾转旋翼不处于垂直位置，能够对所述倾转旋翼进行差动总距操作，或对所述倾转旋翼的倾转角度差异化调节，使所述左倾转旋翼与所述右倾转旋翼产生的水平方向力不同来实现；

所述飞行器作俯仰运动时，能够对所述固定旋翼进行差动总距操作来实现；

所述飞行器悬停和低速机动飞行时，所述倾转旋翼处于垂直位置；

所述飞行器高速前飞时，所述倾转旋翼倾转至水平位置。

进一步地，所述前固定旋翼和所述后固定旋翼的轴间距为1.5r-1.7r，r为所述固定旋翼的直径。

进一步地，所述左倾转旋翼和所述右倾转旋翼的直径均为0.4r-0.6r，r为所述固定旋翼的直径。

进一步地，所述后旋翼塔座高于所述前旋翼塔座0.3r-0.5r，r为所述固定旋翼的直径。

进一步地，所述机身为车厢式结构。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过将纵列式双旋翼与倾转旋翼结构相结合，充分利用了不同大小桨盘在飞行器不同飞行状态下的优势，使本发明飞行器兼具了较好的悬停性能、机动性能以及较高的前飞速度。

2.本发明与纵列式双旋翼直升机相比，本发明的飞行器在前飞时，机身两侧的倾转旋翼产生的水平推力可大幅提高前飞速度，不再像纵列式双旋翼直升机那样依靠大迎角低头前倾来实现加速前飞，避免了迎角不稳定性。本发明还有效改善了横向操纵性，提升了机动性能，例如，典型纵列式双旋翼直升机“支奴干”在一次执行横向着陆军舰任务时，由于直升机在靠近甲板的一侧有地面效应，靠近海面的一侧没有地面效应，因此直升机两侧的升力差产生突变，产生较大滚转力矩，导致直升机侧翻入海，而本发明的飞行器由于机身两侧有倾转旋翼结构，能够通过对倾转旋翼进行差动总距操作来平衡直升机横向着陆时产生的滚转力矩，从而安全着陆。

3.本发明与倾转旋翼机相比，增加了机身前后两对旋翼，旋翼过载系数增加，提升了飞行器的低速机动性能，此外，由于倾转旋翼机的旋翼在设计时要兼顾垂直起降、悬停以及前飞能力，因而在气动设计上比较折中，导致前飞时旋翼不能像常规螺旋桨飞机一样在最优气动条件下工作，而本发明的飞行器的垂直起降和悬停能力主要由沿机身纵向分布的一对固定旋翼承担，不仅大幅提高了飞行器悬停和垂直起降效率，还能保证倾转旋翼在最优条件下工作，进一步提升前飞速度。

4.与普通四旋翼飞行器相比，本发明在结构上最大的不同在于旋翼桨盘大小不同，且采用了可倾转旋翼结构，以适应不同飞行状态。在悬停或垂直起降过程中，桨盘较大的纵列式双旋翼起主要作用，使飞行器具有较高悬停效率，而在高速前飞过程中，桨盘较小的旋翼倾转至水平位置，产生较大水平推力，大幅提高飞行速度，从而保证了飞行器在不同状态下均能达到更优的飞行性能。

5.本发明飞行器横航向运动时，无需对旋翼进行周期变距操作，简化了自动倾斜器中用于周期变距操纵的内环、阻力臂等结构，以及与桨毂联接的部分结构，有利于实现旋翼转轴处的结构一体化，降低直升机废阻，进一步提升直升机的飞行性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明飞行器在悬停阶段的轴测图；

图2为本发明飞行器在悬停阶段的正视图；

图3为本发明飞行器在悬停阶段的侧视图；

图4为本发明飞行器在悬停阶段的俯视图；

图5为本发明飞行器在前飞阶段的轴测图；

图6为本发明飞行器在前飞阶段的正视图；

图7为本发明飞行器在前飞阶段的侧视图；

图8为本发明飞行器在前飞阶段的俯视图；

图9为本发明飞行器中固定旋翼的直径示意图。

附图标号说明：1-机身；2-固定机翼；3-倾转旋翼；31-左倾转旋翼；32-右倾转旋翼；4-固定旋翼；41-前固定旋翼；42-后固定旋翼；5-前旋翼塔座；6-后旋翼塔座。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

现有纵列式旋翼-倾转旋翼复合式飞行器技术通过将旋翼与部分平直机翼结构固联，分别安装在固定机翼两端，形成可倾转动力短机翼结构，因此飞行器的可倾转机翼结构包含了旋翼和平直机翼结构，且可倾转机翼结构中的旋翼周期距和总距不能够调节。为实现飞行器配平和姿态调节，现有技术还安装布置了副翼、水平尾翼和垂直尾翼等结构，在对飞行器的姿态进行调节时，不仅要对纵列双旋翼的变距和倾转机翼的转动角度进行控制，还需要对副翼、垂直尾翼、水平尾翼的偏转进行操控，操作系统复杂；此外，可倾转动力短机翼结构中的平直机翼部分在倾转过程中会产生大迎角不稳定性，影响飞行安全。与现有技术相比，本发明的飞行器无副翼、垂直尾翼、水平尾翼等结构，仅需要对纵列倾转旋翼和固定旋翼的总距、倾转旋翼的总距和倾转角进行控制，即可实现飞行器所有的姿态变化，操纵效率更高、飞行更安全，同时，由于本发明飞行器的纵列式双旋翼无需进行周期变距操作，因此能够简化纵列双旋翼转轴处的控制结构，降低废阻，进一步提升了飞行性能。

如图1-8所示，本发明提出一种将纵列式双旋翼和倾转旋翼相结合的复合式飞行器方案，即在飞行器头部和尾部各安装一个旋翼塔座，塔座上安装有一对完全相同但旋转方向相反的大桨盘固定旋翼，其中后旋翼塔座稍高于前旋翼塔座，避免前后旋翼相互干扰，固定旋翼的总距、转速能够调节；在机身两侧、类似固定机翼的翼尖处安装有一对完全相同但旋转方向相反的小桨盘倾转旋翼，其中倾转旋翼与固定机翼通过一套可在水平位置和垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件连接，转动方式与传统倾转旋翼机的旋翼转动方式相同，此外，倾转旋翼距离机身较远，以免受到纵列式双旋翼所产生的下洗流干扰，倾转旋翼的总距、转速可调节。本发明将纵列式双旋翼与横列式倾转旋翼有效结合了起来，既保留了纵列式双旋翼较好的悬停特性，又保留了倾转旋翼机较好的加速特性和较高的前飞速度特性，同时还增加了全机的旋翼过载系数，提高了飞行器的低速机动能力，使飞行器在不同飞行状态下均能保持较好的飞行性能。

具体地，一种纵列式旋翼-倾转旋翼复合式飞行器，包括机身1、一对结构相同的固定机翼2、一对结构相同的倾转旋翼3、一对结构相同的固定旋翼4、分别安装在机身1的头部和尾部的前旋翼塔座5和后旋翼塔座6，其中，

固定机翼2对称安装在机身1的中下部，倾转旋翼3包括分别安装在固定机翼2的翼尖处的左倾转旋翼31和右倾转旋翼32，倾转旋翼3在固定旋翼4的桨盘区域以外，如图4所示，能够使倾转旋翼3避免受到纵列式固定旋翼4产生的下洗流影响。

固定旋翼4包括安装在前旋翼塔座5上方的前固定旋翼41和安装在后旋翼塔座6上方的后固定旋翼42；左倾转旋翼31和右倾转旋翼32的转速相同且旋转方向相反，相互抵消反作用扭矩，同理，前固定旋翼41和后固定旋翼42的转速相同且旋转方向相反。

本发明的一对倾转旋翼3的倾转方式为：在一对固定机翼2的翼尖处，各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，且倾转旋翼3的倾转角度相互独立，即左倾转旋翼31和右倾转旋翼32的倾转角度可有一定差异，利于飞行器姿态调节。当飞行器悬停或垂直起降时，一对倾转旋翼3处于垂直位置，此时飞行器具有较好悬停效率，当飞行器前飞并达到一定速度后，通过操纵旋翼倾转系统组件，一对倾转旋翼3由垂直位置向水平位置转动，最多可向前倾转至90°角，呈水平状态，此时一对倾转旋翼3可当作拉力螺旋桨使用，为飞行器前飞提供水平推力，飞行器的前飞速度得到了极大提升。

在一些实施方式中，前固定旋翼41和后固定旋翼42的轴间距为1.5r-1.7r，r为固定旋翼4的直径，即前固定旋翼41和后固定旋翼42的桨盘有30％-50％部分重叠，既减小了前固定旋翼41和后固定旋翼42之间的气动干扰，又能保证飞行器结构的紧凑性。

在一些实施方式中，倾转旋翼3的直径均为0.4-0.6r，r为固定旋翼4的直径。

在一些实施方式中，后旋翼塔座6高于前旋翼塔座5为0.3r-0.5r，r为固定旋翼4的直径，以避免固定旋翼4击打到对方，同时减弱固定旋翼4之间的不利气动干扰，使后固定旋翼42在前固定旋翼41尾涡中工作所产生的气动干扰降到最低程度，如图3所示。

在一些实施方式中，机身1为车厢式结构。

下面对本发明的飞行器在作滚转、偏航、俯仰运动，以及在悬停状态和高速前飞状态下的操作过程作进一步说明。

当飞行器作滚转运动时，倾转旋翼3不处于水平位置，能够对倾转旋翼3进行差动总距操作，或对倾转旋翼3的倾转角度进行差异化调节，使左倾转旋翼31和右倾转旋翼32的倾转角度不同，从而使机身1左右两侧的左倾转旋翼31和右倾转旋翼32在竖直方向上产生的拉力大小不同，产生滚动力矩，从而实现滚转运动；

当飞行器作偏航运动时，倾转旋翼3不处于垂直位置，能够通过对倾转旋翼3进行差动总距操作，或对倾转旋翼3的倾转角度差异化调节，使左倾转旋翼31和右倾转旋翼32的倾转角度不同，从而使机身1左右两侧的左倾转旋翼31和右倾转旋翼32在水平方向上产生的推力不相等，产生偏航力矩，飞行器发生横向偏转；。

当飞行器作俯仰运动时，能够通过对固定旋翼4进行差动总距操作，使机身1前后的前固定旋翼41和后固定旋翼42在竖直方向上产生的拉力不相等，产生俯仰力矩，从而实现俯仰运动。

当飞行器悬停和低速机动飞行时，倾转旋翼3处于垂直位置，承担部分升力，同时与固定旋翼4相互协作，实现飞行器的姿态调节。由于在纵向和横向均分布有一对旋翼，相比于普通双旋翼直升机而言，本发明的飞行器具有更大的过载系数，抗侧风能力更强，悬停性能和低速机动性能更好。

当飞行器高速前飞时，一对固定机翼2承担部分升力，一对倾转旋翼3通过分别安装在一对固定机翼2翼尖处的旋翼倾转系统组件，开始由垂直位置不断向水平方向倾转，最终可倾转至水平位置，此时一对倾转旋翼3可当作拉力螺旋桨使用，为飞行器前飞提供所需水平推力，此时，本发明的飞行器无需像纵列式双旋翼直升机或普通四旋翼飞行器那样依靠大迎角低头前倾来提高飞行速度，避免了迎角不稳定性。此外，本发明的飞行器在高速前飞时，升力部分主要由一对固定旋翼4和一对固定机翼2提供，因此处于水平位置的一对倾转旋翼3能够在最优条件下工作，相比于传统倾转旋翼机，能够实现更高速度的前飞。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。