[发明专利]一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机

说明书

本发明公开一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机，包括变距直驱混合动力系统以及搭载变距直驱混合动力的垂直起降固定翼无人机整机的设计。其中变距直驱混合动力系统以活塞发动机直驱发电机作为主动力源，动力锂电池作为辅助动力源与电能中枢；整机设计包括整机机械结构设计、重量核算与迭代、飞行工作模式设计。本发明采用固定翼结合四旋翼的垂直起降固定翼无人机布局；机身使用的大展弦比机翼与大尺寸旋翼能够提供垂直升力，同时显著的提升整机垂直机动时间；活塞发动机前输出轴直驱的变距螺旋桨推进装置能够提供水平拉力，同时显著提升整机的平飞巡航性能；加强的翼梁与机翼能够为飞行器提供较好的抗弯抗扭性能。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种变距直驱混合动力复合翼垂起无人机。

背景技术

根据无人机布局架构将无人机进行分类，可以将无人机分为旋翼无人机、固定翼无人机、以及垂起固定翼无人机三类，旋翼无人机依靠其单个或多个置于机身上方的旋翼产生垂直向上的拉力从而使无人机运动。不同的旋翼个数将旋翼无人机区分为单旋翼无人机(直升机)及多旋翼无人机两种。旋翼无人机通过改变旋翼转速或倾角进而改变飞行器的飞行轨迹。旋翼无人机具有结构简单、响应速度快、能够垂直起降的优点，被广泛应用于各种民用领域，但受限于其布局架构以及体积，使其无法满足需要高速远距离飞行的应用场景。

固定翼无人机依靠机身两侧固定机翼以及单个或多个推进系统产生升力和向前的飞行速度。固定翼无人机具有飞行速度快、载重大、航程航时长等特点，被广泛应用于需要大载重或长航时飞行的物流运输及电力巡检方面，但由于固定翼无人机必须具有一定的飞行速度机翼才能产生升力，因此无法实现垂直机动，固定翼无人机在起降时需要跑道或弹射器，这极大的限制了其应用场景。

垂起固定翼无人机是近年来解决以上两种类型无人机缺陷而推出的一种无人驾驶飞机，此类型无人机既能够像旋翼无人机一样垂直起降，又具有固定翼无人机的高飞行速度、大载重、长航时的特点。根据布局形式可以将垂起固定翼无人机分为升推复合式和倾转动力式两种。升推复合式垂起固定翼无人机(又称复合翼垂起无人机)是将多旋翼与固定翼进行组合，此类无人机在不同的飞行阶段由不同的动力系统提供动力：在起降时由旋翼提供升力；在平飞巡航时，由机翼提供升力。倾转动力式是通过倾转动力机构实现不同方向的飞行：起降时，动力机构产生向上的拉力，在过渡阶段动力机构倾转使其产生前拉的拉力。

无人机传统的动力系统能量来源可以分为电池和燃油两类。其中电池主要作为以多旋翼无人机为代表的中小型无人机的能量来源，虽然电动机具备响应快、易控制、重量轻的优点，但受限于当前电池的能量密度问题，在无人机需要完成长航时、大载重任务时，采用电池作为单一能量源会出现续航能力差，飞行时间短的劣势。燃油主要作为以固定翼无人机为代表的中大型无人机的能量来源，由于燃油的高能量密度，内燃机作为无人机的动力系统使得无人机具备较强的飞行续航能力，但其响应速度慢的劣势使得无人机无法满足需要快速响应的应用场景。

复合翼垂起无人机由于其布局特点，多采用双源动力系统形式，即在垂起无人机不同的飞行工作模式下采用两种独立的动力来源分别用作推进和悬停起降。目前市面上常用内燃机-动力锂电池作为复合翼垂起无人机的双源动力系统，此类垂起无人机在垂直起降和悬停时采用动力锂电池作为动力来源驱动多旋翼进行垂直机动，此时内燃机处于关闭状态；在巡航时采用内燃机作为动力来源驱动推进螺旋桨进行平飞机动，此时多旋翼处于不工作状态。此类型无人机虽然有效提高了无人机的载荷与航程，但该型无人机存在固有缺陷：一为能量利用率低，双动力源间无能量流动关系，锂电池无法进行充电，因此整机垂直机动时间依然受限于电池容量，致使无人机垂直机动时间较短。二为动力冗余度低，即单个动力源失效后，双源动力间无法形成有效冗余，这极大的降低了无人机的飞行安全性。