一种基于涵道式动力矢量组件的模块化垂直起降固定翼无人飞行器.pdf

本发明提供了一种结合固定翼和涵道式无人机双重优点的模块化无人机飞行器，通过在涵道式无人机的顶部设置可拆卸安装盘使得涵道式无人机能够安装固定翼。通过这种快速的可拆卸涉及使得无人机具备了涵道式无人机的垂直起降和悬停又在长距离飞行时具备固定翼飞机的优点。

1.一种基于涵道式矢量动力组件的模块化垂直起降固定翼无人飞行器，包括固定翼组
件和涵道式矢量动力组件；所述固定翼组件由固定翼组件的圆柱形机体和两片梯形固定翼
组成；所述固定翼组件和涵道式矢量动力组件通过可拆卸装置进行连接，所述可拆卸装置
为设置在涵道式矢量动力组件顶部的安装盘；并且所述固定翼组件垂直安装在涵道式矢量
动力组件顶部的安装盘上；所述涵道式矢量动力组件包括，环形油箱涵道体、起落架、顶置
发动机、五叶螺旋桨、扭矩平衡片、导流板、方向姿态控制器、安装盘；所述涵道式无人飞行
器矢量动力组件的顶部设置安装盘，所述安装盘能够可拆卸安装任务设备；所述涵道式无
人飞行器矢量动力组件的安装盘下部设置顶置发动机，所述顶置发动机下部安装所述五叶
螺旋桨；所述扭矩平衡片和导流板共同设置在所述五叶螺旋桨下部的涵道体内，并且扭矩
平衡片和导流板在垂直方向上呈上下设置，扭矩平衡片的下边缘和导流板的上边缘在同一
水平面内；所述方向姿态控制器安装在所述导流板上；所述扭矩平衡片为逆向切线扭矩平
衡片，共有16片组成；所述方向姿态控制器共有8组，分别控制姿态和方向；所述顶置发动机
上还设置有冷却装置。

一种基于涵道式动力矢量组件的模块化垂直起降固定翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及一种固定翼无人飞行器，具体涉及一种具有垂直起降功能的涵道式动
力的固定翼无人飞行器。

背景技术

近年来，无人飞行器的生产和研发逐步兴起，无人飞行器由于其自身具备的鲜明
技术特点，在军事和民用领域得到了广泛的应用和飞速的发展，尤其在农业保护、通信中
继、防灾减灾、气象监测、电力传输、测绘、航拍、娱乐等领域具有着广泛的应用。无人机包括
多种类型，而涵道式无人机具有垂直起降和悬停的飞行特点，在体积、隐蔽性和飞行性能上
都具有鲜明的特点，已成为微小型无人机领域中生产和应用较多的机型。

目前，涵道式无人飞行器的生产公司陆续推出了多种型号的涵道式无人飞行器。
例如，Sikorsky公司推出的Cypher无人机飞行器采用共轴双桨涵道式布局的涵道式飞行
器；美国名的霍尼韦尔公司推出了kestrel无人飞行器；新加坡也推出了自己的涵道式风扇
无人机fantai。

涵道式无人飞行器通常主要包括载荷舱、涵道风扇系统、着陆架和动力系统所组
成。上述这些涵道式无人飞行器具备垂直起降和悬停的功能，但是在高速飞行方面，难以达
到固定翼无人机的飞行速度，并且在高速飞行时也通常消耗燃油较多，难以维持长时间的
高速飞行。

而固定翼无人机能够在飞行时借助固定翼的特点在飞行时能够达到较高的飞行
速度，并且还能够同时保持较低的油耗，通常不具备垂直起降和悬停的功能，因而，在一些
特殊的用途中，难以达到使用要求。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了一种模块化垂直起降固定翼无人飞行器具有两
种构型，兼顾高低速飞行性能和悬停功能。该无人飞行器以传统构型的涵道飞行器为基础
构型，采用模块化设计理念，通过基础涵道体动力矢量控制组件机身与高速构型的机翼组
件的组合变换来实现可变体涵道式无人飞行器的双构型转换。

本发明的具体技术方案为：一种基于涵道式矢量动力组件的模块化垂直起降固定
翼无人飞行器，包括固定翼组件和涵道式矢量动力组件；所述固定翼组件由固定翼组件的
圆柱形机体和两片梯形固定翼组成；所述固定翼组件和涵道式矢量动力组件通过可拆卸装
置进行连接，所述可拆卸装置为设置在涵道式矢量动力组件顶部的安装盘；并且所述固定
翼组件垂直安装在涵道式矢量动力组件顶部的安装盘上；所述涵道式矢量动力组件包括，
环形油箱涵道体、起落架、顶置发动机、五叶螺旋桨、扭矩平衡片、导流板、方向姿态控制器、
安装盘；所述涵道式无人飞行器矢量动力组件的顶部设置安装盘，所述安装盘能够可拆卸
安装任务设备；所述涵道式无人飞行器矢量动力组件的安装盘下部设置顶置发动机，所述
顶置发动机下部安装所述五叶螺旋桨；所述扭矩平衡片和导流板共同设置在所述五叶螺旋
桨下部的涵道体内，并且扭矩平衡片和导流板在垂直方向上呈上下设置，扭矩平衡片的下
边缘和导流板的上边缘在同一水平面内；所述方向姿态控制器安装在所述导流板上；所述
扭矩平衡片为逆向切线扭矩平衡片，共有16片组成；所述方向姿态控制器共有8组，分别控
制姿态和方向；所述顶置发动机上还设置有冷却装置。

发明的有益效果为：模块化可变体涵道式无人飞行器分为低速构型和高速构型两
种机型，高速构型带有机翼机身组件，若拆除机翼机身组件，可作为低速构型（传统构型涵
道式飞行器）使用。低速构型涵道式飞行器作为传统涵道式飞行器，可进行垂直起降、悬停
和小速度前飞/侧飞，可在复杂狭小环境下飞行；高速构型时装上机翼机身组件，动力矢量
控制组件作为推进装置，实现垂直起降、悬停和高速前飞，可在复杂远距离环境下飞行。传
统构型涵道式飞行器具有气动效率低、前/侧向飞行速度小、航程与航时有限等缺点，而可
变体涵道式无人飞行器的组合构型变换克服了以上缺点，其集固定翼飞机和直升机性能优
点为一身，既可以像直升机那样实现垂直起降、悬停、以及高机动性，同时又可像固定翼飞
机那样利用机翼的升力进行相对低能耗的高速长途飞行。在不同飞行任务下，模块化垂直
起降固定翼无人飞行器可以换装不同的机身模块，在涵道式垂直起降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任务需求。飞行速度范围宽、对场地使用要求低，具
有更好的安全性和任务性，使其在未来军用和民用领域具有更广阔的使用空间。另外，该动
力矢量控制组件结构紧凑、使用安全、可垂直起降、可稳定悬停、可安装模块化载荷设备、也
可作为垂直起降固定翼飞行器的推进装置来使用。通过在涵道式无人飞行器的顶部设置安
装盘能够可拆卸的安装载荷设备扩展了涵道式无人机的用途，并且采用逆向切线分布式扭
矩平衡片，能把螺旋浆产生的旋转气流汇聚在一起平滑无阻导出，不但整流效率高而且没
有任何升力损失，平衡扭矩的作用也非常强，并且通过优化导流板和扭矩平衡片的位置和
数量以及采用分别控制姿态和方向的姿态方向控制器达到了在整流效率提高的同时提高
了对姿态和方向的稳定控制，实现了对姿态和方向的解耦控制，以及显著降低了升力的损
耗和飞行的不稳定性。另外，顶置发动机上部设置冷却装置能够提高发动机的冷却效果，降
低发动机的油耗。

附图说明

图1为基于涵道式矢量动力组件的模块化垂直起降固定翼无人飞行器；图2为涵道
式矢量动力组件。