[发明专利]一种基于电动涡喷垂直起降飞翼布局的隐形无人机

说明书

技术领域

该研究着眼于使用多个电动涡喷发动机组成无人机的推进和控制系统，致力于解决那些大小受限但需要很大静态升力的现实用途，比如飞行器的垂直起飞降落。该类无人机在起飞和着陆阶段采用电动涡喷作为主要的升力系统，它能够像直升机一样垂直起飞，又能够像固定翼飞机一样的水平飞行，而且具有良好的悬停性能，因而兼具直升机和固定翼飞机的双重优点。

背景技术

电动涡喷无人机是无人机大家族中的一员，无人机在军事上和民用等多种领域发挥着越来越重要的作用，有些甚至是不可替代的。各种大小和类型的无人机随着计算机技术、通信技术、电子技术等的发展而蓬勃发展。无人机的开发和研制是一种潮流，更体现一个国家的军事和科技的实力，已经而且在未来也会占据举足轻重的地位。无人机一般分为固定翼和旋翼无人机，在小型和微型飞行器领域还有扑翼飞行器。各个级别的无人机应用领域也有所不同。一些大型的无人机多用于军事上，小型和微型的无人机可以军民两用。

电动涡喷无人机同其他种类的无人机一样，他的开发和研制涉及到许多其他关键的技术发展和进步，如飞行器的控制和导航系统、通信技术、有效载荷、地面控制平台以及飞行器空气动力学等方面，对于电动涡喷无人机本身来说，最大的特点就是飞行器的结构设计以及飞行控制系统，在这方面不同于传统的固定翼和旋翼飞行器。由于电动涡喷飞行器的垂直起降方式和类似于固定翼的前飞或者说水平飞行方式。其飞行控制系统的设计值得关注。电动涡喷无人机能够像无人机一样垂直起降，而且能够像固定翼飞机一样水平飞行。此外，由于采用了涡喷，飞机结构紧凑，安全性高，启动噪声小。电动涡喷无人机还能够根据需要设计成不同大小，以应用不同的场合。由此看来，电动涡喷无人机兼具直升机和固定翼飞机的优点，有着良好的适用性和应用前景。

发明内容

该发明主要设计思路，通过对目前国内外电动涡喷垂直起降无人机技术发展的研究确定电动涡喷垂直起降无人机的结构形式。设计一款有效载荷为10kg，续航时间大于1小时的无人机，飞行高度和巡航马赫数分别为：H＝10km，Ma＝0.4。本款无人机的特点如下：

1、采用电动涡喷动力代替矢量喷管作为无人机垂直起降的动力来源；

2、采用小型涡喷发动机(9kg推力)代替已有的涡喷发动机(23kg推力)作为无人机的巡航动力；

3、其余设计目标根据实际载重与飞行条件进行相应改变。

针对电动涡喷垂直起降无人机的总体设计要求，确立总体方案，对无人机的总体参数进行初步计算。

1、总体方案设计与质量分布

采取电动涡喷作为无人机垂直起降动力来源，根据设计需求，本项目选用8个型号为JP120的电动涡喷，单个电动涡喷可最大提供7.2kg推力，因此无人机最大满载起飞重量为：

8*7.2kg＝57.6kg

根据飞行控制经验，无人机垂直起降时间均为40s，因此可根据电动涡喷工作状态确定电池重量为9.6kg；其余结构系统的重量根据前期设计的无人机进行估算。因此，该无人机总的质量分布如表1所示，可知，该无人机满载起飞重量约50kg，而由上文知8个电动涡喷动力最大为57.6kg，满足动力要求，可据此进行气动外形设计。

表1.无人机总体质量分布表

2、无人机气动外形设计

2.1外形设计

气动外形设计在前期设计上进行改进，主要考虑8个电动涡喷的装载需求，因此，在确保电动涡喷动力作用点与重心在同一竖直方向上的同时，对机身进行修型后，可以得到新的气动外形，同时，由于更换更小的涡喷发动机，作为巡航推力，因此对进气道也进行重新设计。

2.2气动特性数值模拟

对最终气动外形的干净构型进行气动分析可得该无人机在H＝10km，Ma＝0.4的气动特性如表2所示，其中alpha是巡航迎角、L是升力、D是阻力、K是升阻比。可知，在该条件下巡航飞行时，无人机升阻比约为10。此时根据无人机阻力特性与涡喷发动机耗油特性，可以推算得到无人机续航时间为t＝50min，满足设计需求。

表2.气动数值模拟结果

3、结构设计要求

无人机总体气动设计与结构设计息息相关，考虑结构的装载、装配及舵面的设计，对结构设计提出以下要求：

3.1电动涡喷尺寸

电动涡喷尺寸，机身内部安装8个，位置已经预留，要求电动涡喷的进气口排气口应通畅；

3.2重心要求

要求飞行器重心在距离头部尖点723mm处；