一种可折叠的小型无人机 【技术领域】
本发明涉及一种航空飞行器，具体涉及一种可折叠的小型无人机。
背景技术
无人驾驶飞机简称无人机，是一种有动力驱动，机上无人驾驶，可重复使用的航空器。近年来由于材料科学、微电子技术、计算机技术的飞速发展极大地推动了无人机技术的更新换代。无人机领域也就成为了各国争相发展的领域。无人机一般以重量来分类，其中20kg以下的称为微型或小型无人机，如美国的“指针式”无人机和“银狐”无人机等，一般用于执行战场侦查、毁伤评估、目标指引等军事任务，以及作为载机平台用于飞行试验、航空测绘、搜索救援等非军事任务。
由于无人机自身起飞重量较小，燃油搭载能力有限(对于电动无人机则为动力电池的容量限制)，那么无人机的航程和航时指标将受到不同程度的影响。在一些情况下，如执行战时对敌纵深的侦查、攻击目标指引、重大地质灾害的搜索救援等任务，大型航空器由于目标大易遭攻击或者没有足够的出勤率的情况下，就需要小型无人机执行这些带有高空或远程要求的任务，现有常规的小型无人机一般不能满足这类任务的要求。
以地震搜索救援任务为例，假设在发生地震等地质灾难初始时刻，外部人员无法快速进入震区内部了解损失情况，但为了给相关部门及时提供科学决策的依据，必须通过空中、地面等立体多方位对震区进行勘察，此时应用小型无人机进行作业不失为一种经济有效的手段。但现有小型无人机由于自身起飞重量的限制，使得航程、航时指标无法满足从震区外部起飞对震区进行勘察的要求，若从地面将小型无人机运输至震区或震区附近，又会受到地面交通阻隔等不可抗拒因素的影响而耽误时间，也就失去了快速反应的效果。如果此时能将多架小型无人机通过大型飞机一次性搭载运输至震区上空，在不同区域进行投放，投放后小型无人机能自发进入正常飞行模式，完成相应的搜索救援和震区勘察任务，那么将对抗震救灾的工作提供强有力的帮助。
此外，现今小型无人机一般设计成可拆卸的形式，整机可分解成机翼、机身、尾翼、起落架等多个部件进行装箱，以方便运输。但是这样的分解方式使得无人机在到达目的地以后需要进行控制线路和管路的连接、部件的安装紧固等工作，才能达到待飞状态，此过程较为烦琐、耗时；在飞行任务完成以后又需要同样的时间和步骤去完成拆解装箱工作。在军事作业中，一般要求装备能满足快速反应的要求，以便把握稍瞬即逝的战机；在搜索救援任务中，也要求分秒必争，以期将灾难的损失降到最低；同样在民用与科研领域，效率更是一个衡量产品与成果的重要指标。这就对无人机的设计提出了要求，应使之能同时满足快速装卸和方便运输的要求。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有小型无人机执行带有高空和远程要求的任务能力薄弱的问题，并克服在“拆卸-安装”模式上所需时间较长、过程烦琐等不足，提供一种可折叠的小型无人机，其机体结构能够折叠收纳于一外形规则的包装箱内。折叠后的小型无人机通过空中投放、自动展开等步骤即可转入正常飞行状态去执行任务，而且该折叠机体的思路应用于小型无人机后使其装卸时间缩短，运输更加方便。
根据本发明的一个方面，提供了一种可折叠的小型无人机，其包括：一个翼身融合体；一对机翼，分别设置在所述翼身融合体的左右两侧，每个所述机翼与所述翼身融合体连接处设置有一第一折叠机构，所述第一折叠机构被设置为可使所述机翼相对于所述翼身融合体向下折叠并可将展开的所述机翼锁定在展开状态；一个尾翼；一个尾撑，其一端连接所述尾翼，另一端通过一第二折叠机构与所述翼身融合体连接，所述第二折叠机构被设置为可使所述尾撑相对于所述翼身融合体向下折叠并可将展开的所述尾撑锁定在展开状态。
根据本发明的一个实施方式，所述第一折叠机构被设置为可使所述机翼相对于所述翼身融合体向下折叠90°，所述第二折叠机构被设置为可使所述尾撑相对于所述翼身融合体向下折叠100°。
根据本发明的一个实施例，所述第一折叠机构与所述第二折叠机构原理相同，其结构包括：一个第一合页，其与所述机翼或所述尾撑固定连接，以及一个第二合页，其与所述翼身融合体固定连接；所述第一合页与所述第二合页在下部通过一个销轴铰接，所述第一合页的上部设有一耳片，所述耳片上带有一倒钩，所述第二合页上部设有一个凸台，所述凸台上部设有一缺口，其中设置有一个锁舌和抵擎该锁舌的一根弹簧，所述锁舌与所述倒钩对应设置，由此，在所述机翼或所述尾撑展开状态下，所述第一合页的上表面贴合于所述凸台的上表面，所述锁舌受弹簧作用弹出，勾住所述倒钩。
根据本发明的一个优选实施方式，所述机翼与所述翼身融合体之间还设置有第一展开作动机构，所述尾撑与所述翼身融合体之间还设置有第二展开作动机构。
根据本发明的一个实施例，所述第一展开作动机构与所述第二展开作动机构原理相同，其结构包括：一个气动作动筒，固定于所述翼身融合体上，所述气动作动筒上的作动杆前端设置有一第二销轴；一个支臂，其一端固定于所述机翼或所述尾撑上，另一端开有一个滑槽，所述滑槽可容纳所述第二销轴在其中滑动。
优选的，所述翼身融合体为一个具有一定翼型的扁平升力体，其两侧通过合理的曲线与所述机翼融合。
根据本发明地一个实施例，所述翼身融合体后端两侧安装有两台带有螺旋桨的电动机。
根据本发明的一个实施例，所述机翼平面形状为梯形，其前缘后掠、后缘前掠，每侧机翼安定面的外侧后缘设置有副翼，所述机翼为常规单梁式结构，在所述机翼的30％弦长处设有一根主梁，在75％弦长处设有一根后墙，其中所述主梁与所述翼身融合体轴线垂直，所述机翼通过主梁和后墙处两处接头与所述翼身融合体连接，其中主梁处的接头带有所述第一折叠机构；后墙处的接头为一铰链。
根据本发明的一个实施例，所述尾翼为V型尾翼，其左右尾翼互成110°，尾翼安定面后缘设有控制面。
本发明的有益效果主要体现在：
1)本发明的小型无人机能够在折叠状态下空中投放，在下降过程中通过折叠-展开作动与锁定机构的作用使机体自动展开，恢复至正常的气动外形，转入常规飞行状态，可用于完成如高空远程的特殊飞行任务；
2)本发明的小型无人机采用翼身融合体、单尾撑、V型尾翼的布局形式，能很好的适应机体折叠的要求，同时具有优异的空气动力学特性，特别是翼身融合体设计增大了全机的升力面积，有助于提高飞机的升力，同时能有效减小机翼与机身之间的干扰阻力，从而增加飞机的升阻比；
3)本发明用于折叠机翼和尾撑的折叠机构的设计缩短了该型无人机从存放装箱状态到待飞状态所需的准备时间，在需要飞行时将折叠状态的无人机取出，把两侧机翼和尾撑向上扳起至折叠机构自动锁定的位置即可；在完成飞行后，只需按下折叠机构处的锁定保险(例如使折叠机构的锁舌脱离倒钩)，即可将机翼和尾撑向下折叠，使无人机恢复到存放状态；
4)本发明的小型无人机在折叠状态下可以收纳于一个长方形的箱体内，大大的节省了空间，方便运输与存放。
【附图说明】
图1为飞行状态下小型无人机整体外形图；
图2为折叠状态下小型无人机整体外形图；
图3为小型无人机折叠-展开所需的作动与锁定机构的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图详细说明本发明的可折叠小型无人机的总体布局、折叠方式、折叠-展开所需作动与锁定机构。
1)小型无人机的总体布局
该小型无人机为常规式气动布局，如图1所示，采用翼身融合设计，单尾撑带V型尾翼。该小型无人机的机体组成包括翼身融合体8、机翼6、7、尾翼4、5、尾撑3、动力系统1、2、折叠-展开所需的作动与锁定机构，可在必要时安装前三点式起落架。
其中翼身融合体8为一个具有一定翼型的扁平升力体，上表面设有一个机舱盖，内部为一个大容量的机舱，用于机载设备的安装。翼身融合体8两侧通过合理的曲线与机翼6、7融合，以保证具有较好的气动特性。翼身融合体8后端两侧安装有例如两台带有螺旋桨2的电动机1，为该小型无人机提供飞行所需的动力。
机翼6、7平面形状为梯形，其前缘后掠、后缘前掠。每侧机翼安定面7的外侧后缘设置有副翼6。机翼为常规单梁式结构，在机翼的30％弦长处设有一根主梁106，在75％弦长处设有一根后墙11，其中机翼主梁106与翼身融合体8轴线垂直。整个机翼通过主梁106和后墙11处两处接头与翼身融合体8连接，用于传递载荷。根据下文的具体实施例，其中主梁处的接头10可以为一折叠机构或者是一折叠机构和展开驱动机构的组合体，能够传递剪力、弯矩和部分扭矩；后墙处的接头12可以为一简单铰链，用于传递剪力，并与主梁接头一起传递扭矩。
V型尾翼4、5的左右尾翼互成110°，尾翼安定面4后缘设有控制面5，通过V尾混控模式可实现升降舵和方向舵的功能，也就是说左右尾翼的舵面同时向上或向下偏转即起升降舵的作用，左右尾翼的舵面一个上偏另一个下偏即起方向舵的作用。
尾翼4、5与翼身融合体8的连接通过尾撑3来实现，尾撑3采用带锥度的碳纤维复合材料圆管构成，其中直径较小的一端用于安装V型尾翼4、5，直径较大的一端通过尾部折叠机构9与翼身融合体8连接。
2)折叠形式
当该小型无人机折叠时，机翼6、7沿与翼身融合体8连接的机翼折叠机构10的转轴向下折约90°，尾撑3沿尾部折叠机构9处的转轴向下折约100°，此时尾撑3和V型尾翼4、5位于折叠状态的左右机翼6、7中间，如图2所示。折叠状态下的该无人机可以收纳于一个长方形的箱体内。在实际应用中，折叠飞机要装入包装箱时通过相应的支撑结构将折叠飞机予以固定，防止飞机的震动和磕碰造成结构的损坏，因此折叠的角度比较自由，主要受包装箱及其内部支撑结构的限制。
3)折叠-展开所需的作动与锁定机构
优选的，本发明的可折叠小型无人机，在机翼6、7与翼身融合体8的连接部位所设置的连接结构10为一折叠机构和展开驱动机构的组合体，下文称之为折叠-展开作动与锁定机构10，在尾撑3与翼身融合体8的连接部位设置有另一折叠机构和展开驱动机构的组合体，下文称之为折叠-展开作动与锁定机构9。所述的折叠-展开作动与锁定机构9、10包括折叠机构和展开作动机构，其具体结构可以采用多种形式，图3仅显示了其中一种结构的示例。
由于两处所设置的折叠-展开作动与锁定机构9、10原理完全相同，因此此处仅以机翼6、7与翼身融合体8之间使用的折叠-展开所需的作动与锁定机构10为例进行说明。
如图3所示，折叠机构的主体为两片合页，即第一合页104与第二合页102，第一合页104与机翼的主梁106连接，第二合页102与翼身融合体8的主梁101连接。第一合页104与第二合页102在下部通过销轴103铰接。第一合页104的上部有一耳片107，耳片107上带有锁定用的倒钩105。第二合页102上部为一个凸台113，机构闭合(即机翼展开状态)的情况下，第一合页104的上表面正好贴合于所述凸台113的上表面，以保证机翼的上反角。凸台113上部有一缺口，其中布置有一根弹簧和一个锁舌110，锁舌110受弹簧的弹力作用。折叠机构由开启状态到闭合状态时，第一合页104绕销轴103旋转，耳片107将锁舌110压入，直至第一合页104与第二合页102完全闭合，锁舌110受弹簧作用弹出，勾住耳片上的倒钩105，至此折叠机构被锁定，确保了飞行期间无人机有稳定的气动外形。
展开作动机构主要包括有安装于翼身融合体8的主梁101侧面的气动作动筒112、安装于机翼主梁106侧面的支臂108，用于自动将折叠状态的无人机展开至飞行状态。支臂108上开有一个滑槽109，作动筒接头处的销轴114能够在滑槽109内滑动。当气动作动筒受压缩气体作用时，作动杆111收回，作动杆接头通过销轴114带动支臂108，使机翼主梁106绕折叠机构销轴103向上转动，直至折叠机构达到完全闭合的状态。
在实际应用中，本发明的可折叠的小型无人机，其中的折叠机构和展开作动机构可根据具体情况进行相应配置，例如：
实例一，开展空中投放展开的飞行任务
此状态下的小型无人机同时安装折叠机构与展开作动机构。在开展空中投放展开的飞行任务时，装备有相应有效载荷的该小型无人机首先处于如图2所示的折叠状态，并被收纳于一个长方形的包装箱中，可由热气球、飞艇、直升机或大型运输机等方式搭载运送至预定的高度与空域进行空中投放。用于收纳小型无人机的长方形包装箱中安装有降落伞和开启舱门的自动装置，在空中被投放后自动开伞稳定下降，然后自动开启舱门将内部折叠状态的无人机释放。
折叠状态的无人机滑出包装箱体后，其左右机翼6、7和尾撑3在气动展开作动机构的作用下自动展开并锁定在如图1所示的正常飞行形态，然后在该无人机机载设备的控制下开展任务飞行。
实例二，常规任务中存放状态-待飞状态的快速转换
此形态下的小型无人机可只安装折叠机构而省略展开作动机构。左右机翼6、7、尾撑3分别通过一套折叠机构与翼身融合体8连接。收纳运输状态下机翼和尾撑均被折叠，当到达目的地后，将折叠状态的无人机从包装箱中取出，并将左右机翼和尾撑向上扳直至折叠机构自动锁定，无人机即可到达待飞状态。在完成飞行任务后，只需将折叠机构的锁舌110压回，使其脱离倒钩105，并将机翼和尾撑向下折叠然后装入包装箱，即可使无人机恢复到存放状态，整个实施过程简单便捷。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。