项目名称： 可变形垂直起降无人机 项目作者：张鑫 项目大类：科技发明制作A类 项目小类： 机械与控制
本项目提出一种既可以像直升机那样实现竖直方向的悬停、垂直起降以及高机动性，同时又可像固定翼那样利用机翼的升力进行相对低能耗的长途奔袭的无人机。 在不同飞行任务下，无人机可以变形，在四叶桨飞行器和固定翼飞行器之间进行切换，从而满足不同环境的需求。无人机垂直起降或者需要减小无人机尺寸时，其翼端折叠，为四叶桨飞行器；当巡航飞行时，翼端展开、涵道翻转90°时为固定翼飞行器。 垂直起降时，翼端折叠，4个叶桨作为动力，构成四叶桨飞行器，可以轻松实现垂直起降功能，同时折叠的机翼可以作为起落架使用；在巡航飞行时，两个叶桨翻转90°，推动无人机飞行，其它两个叶桨关闭，可以节省能耗；同时，翼端展开，构成三角翼气动布局，便于巡航飞行，具有较高的飞行速度和较大的飞行半径。另外，如有必要，如飞行空间较小时，翼端折叠，可以有效减小无人机尺寸。 现代战争对无人机提出了更高的要求：既要高机动灵活，又要具备较大的飞行半径。现有的无人机方案难以满足上述要求。直升机和四叶桨飞行器均可垂直起降，但直升机飞控系统开发复杂、不易维护，而四叶桨飞行器能耗大、飞行速度低、飞行半径很小；固定翼飞机飞行能耗小、飞行半径大，但垂直起降与悬停实现复杂，且不适用于狭小地段的侦查。 本项目提出的无人机采用4台垂直安装的发动机为动力，可以垂直起降与悬停；而在巡航飞行时，其中2台发动机可以翻转90°，另两台发动机关机，同时，翼端可以展开，无人机变形为三角翼布局的固定翼飞机，具有较高的飞行速度，可以进行长途奔袭，同时能耗较小，具有较大的飞行半径，从而较好地解决了上述难题。 设计目标： 获得一种既可以像直升机那样垂直起降和竖直悬停，又可像固定翼飞机那样利用机翼升力进行相对低能耗长途奔袭的无人机。设计思路： 将四叶桨飞行器和固定翼飞行器有机结合在一起，根据需要进行转换。在垂直起降时，采用4个叶桨驱动，同时翼端向下折叠，起到起落架的作用，并有效减小体积；在巡航飞行时，位于两翼的两个叶桨可以翻转90°而其它两个叶桨关闭，同时机翼翼端展开，构成三角翼气动布局，便于巡航飞行，具有较高的飞行速度和较大的飞行半径。创新点： 1）无人机类型可变：既可为能够垂直起降、垂直悬停、灵活飞行的四叶桨飞行器，又能变形为可长途奔袭的固定翼无人机，可以根据需要在这二者之间进行转换； 2）无人机形状可变：在起降时或空间狭窄情况下翼端向下折叠，可以起到起落架的作用或者达到减小无人机尺寸的目的；在巡航飞行时翼端展开，构成三角翼布局，2个叶桨可以旋转90°，为巡航飞行提供动力，具有较高飞行速度和较大的飞行半径； 3）节省能源：以固定翼形式飞行时，仅使用2个叶桨驱动，节省能源，且具有较大的飞行半径。技术关键： 1）如何保证翼端变形运动到位后锁定：采用二态四杆机构，在转动过程中，为滑块摇杆机构；在摇杆运动到极限位置时，利用推杆端部和转动杆顶部之间的摩擦，起到定位锁定的功能； 2）如何保证各个电机更好地协调：利用陀螺仪来辅助控制各个电机的转速； 3）在四叶桨飞行器状态下，如何控制飞机在航向上转弯：在涵道下方安装导流叶栅，通过调整叶栅角度来实现转弯。 垂直起降飞行器是一类集固定翼飞机和直升机性能优点为一身的飞行器。目前，垂直起降无人机可以分为两大类：推力定向式和推力换向式。推力定向式垂直起降无人机包含常规无人直升机和共轴式无人直升机两类；而推力换向式则包含侧倾旋翼式、倾转机身式和倾转涵道式、尾坐式和旋翼/机翼转换式等6类。推力定向式无人机存在机构复杂,不易维护,飞控系统复杂，在长途奔袭时能源耗费较大等缺点；推力换向式无人机则要么结构复杂，实现困难，要么机动灵活性能不足。 本项目提出的无人机结合了倾转涵道式垂直起降无人机和固定翼飞机的优势，技术先进，很多优点是目前已知垂直起降无人机所不具备的. 该无人机采用4个叶桨为动力，可以像直升机和四叶桨飞行器那样竖直悬停，垂直起降，具有超高机动性；而在巡航飞行时，2个叶桨可以翻转90°，同时，翼端可以展开，此时，无人机变形为三角翼布局的固定翼飞机，具有较高的飞行速度，可以进行长途奔袭，而此时仅有2个叶桨工作，其能耗较小，具有较大的飞行半径。 在2009年由共青团河南省委，河南省科协，河南省教育厅，河南省学联共同举办的第七届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖
变形垂直起降无人机兼具直升机和固定翼飞机的优点，解决了在缺乏跑道等条件下无人机起飞和降落以及长航时飞行的问题，具有较高的实际意义。在军事方面，该无人机可用于军事侦察，如对大面积空旷的地带进行侦查、协助士兵了解房间、街巷角落等不便于观测区域的情况等。该无人机可以变形，从而减小自身体积，对于空间狭小、地形复杂的区域，如：森林、城市的街道等，具有很强的适应性。另外，由于可以垂直起降、竖直悬停并能长途奔袭，特别适合在军舰上起降，完成对海域、内陆城市的侦查等任务。同时，在反恐、安保等方面也能够充分发挥作用。在民用方面，由于该无人机可以在复杂环境、地形条件下起降、飞行，既可以大范围观测，又可以针对特定物体实现凝视，因此，可获得广泛的应用，如灾害救援与评估、地质勘测、航拍、电力线路巡查等。加上可以针对特定应用背景进行专门设计与改进，该无人机可以在更为广泛的领域中获得应用，具有良好的市场前景。
垂直起降飞行器(VTOL)是：能够以零速度起飞/着陆，具备悬停能力，并能以固定翼飞机的方式水平飞行。与传统飞机相比，垂直起降飞行器对跑道无依赖，且具有可悬停的优势；与传统直升机相比，垂直起降飞行器具有高得多的前飞速度，并具有更大的航程。正因为具备这些优点，垂直起降飞行器尤其适用于需要悬停或对起降场地有特殊要求的场合。 目前的垂直起降无人机可以分为两大类：推力定向式和推力换向式。推力定向式垂直起降无人机包含常规无人直升机和共轴式无人直升机两类，前者如美国Fire Scout无人机，后者的典型代表是国内的“海鸥”和国外的“哨兵”、“鬼怪”等。这两类无人直升机不具备固定翼的水平飞行能力，飞行速度低、航程短；而推力换向式则包含侧倾旋翼式、倾转机身式和倾转涵道式、尾坐式和旋翼/机翼转换式等6类。推力定向式无人机存在机构复杂不易维护飞控系统开发复杂，在长途奔袭时对能源耗费较大等缺点；推力换向式无人机则要么结构复杂，实现困难，要么机动灵活性能不足。 综上所述，目前的垂直起降无人机难以兼具直升机和固定翼飞机的特性和优点，往往是根据需要突出一些优点，但同时又会引入新的问题。本项目提出的可变形垂直起降无人机结合了倾转涵道式垂直起降无人机和固定翼无人机的优点，既可以垂直起降、悬停，又可以实现长途奔袭，优势非常明显。
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发表于 2009-11-25 18:24
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