基本信息
- 项目名称：
- 小型倾转旋翼飞行器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 小型倾转旋翼飞行器是一种可以垂直起降、空中悬停、低速前飞，通过旋翼倾转可以像飞机一样高速巡航飞行的独特构型飞行器。该作品由旋翼、机翼、机身、水平尾翼、垂直尾翼、旋翼短舱系统、动力装置、倾转机构、起落架和飞行控制系统等组成。我们完成飞行器的总体设计、结构布局；设计、加工相关设备；开发机载控制系统、航姿测量系统以及地面监控系统，并展开了一系列地面、空中飞行试验，取得小型倾转旋翼飞行器全模式飞行。
- 详细介绍：
- 小型倾转旋翼飞行器兼有直升机和飞机的特点，既能象直升机一样垂直起降、空中悬停，又能象固定翼飞机快速前飞。 总体设计上采用正常的上单翼飞机布局，在机翼上设置襟副翼，机翼外侧布置可倾转的旋翼短舱；飞行器尾部安装水平安定面、垂直安定面以及升降舵和方向舵；布置前三点式起落架；两台发动机分别驱动两副旋翼工作，并通过同步协调轴保证双旋翼转速同步；采用电动位置伺服系统及蜗轮蜗杆机构提供旋翼倾转所需要的力矩。 小型倾转旋翼飞行器飞行模式多，包括直升机飞行模式、倾转飞行模式以及飞机飞行模式。在直升机飞行模式时主要由左右旋翼提供力和力矩，旋翼总距同步操纵控制飞行器的升降运动，同步纵向变距控制纵向运动，纵向变距差动实现航向运动，总距差动实现滚转运动；在飞机飞行模式时，旋翼总距操纵改变拉力矢量的大小，副翼调节滚转运动，升降舵提供俯仰力矩，方向舵实现协调转弯；在倾转过渡飞行时主要通过控制旋翼短舱的倾角与飞行速度的对应关系，同时协调总距与纵向变距。完成倾转过渡模式飞行。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：1、研制一种可以垂直起降、空中悬停、低速前飞，通过旋翼倾转可以像飞机一样高速巡航飞行的独特构型飞行器。2、通过研究倾转控制实现直升机飞行模式向飞机飞行模式转换。 基本思路：1、根据飞行器的特性设计旋翼倾转机构。2、建立直升机、飞机以及倾转过渡段的非线性飞行动力学模型。3、开发机载飞控系统、地面监控系统以及航姿测量系统实现倾转过渡飞行。 创新点：1、设计桨叶，兼有直升机的旋翼飞行特性和飞机的螺旋桨飞行性能。2、设计旋翼倾转机构。3、设计倾转过渡模式的飞行控制律。4、机载飞控计算机软硬件设计。 关键技术：1、倾转机构设计与双旋翼转速同步协调技术2、旋翼特殊桨叶设计技术。3、飞行器全模式飞行非线性动力学建模技术。4、倾转过渡飞行控制技术。 技术指标：旋翼数量 2；桨叶数量3*2；旋翼直径1.1m；机翼旋长0.3m；机翼翼展1.6m；发动机功率2kw*2；最大起飞重量15kg；有效载荷4kg；最大前飞速度25-30m/s；试飞时间15分钟
科学性、先进性
- 科学性：实现了由直升机飞行模式向飞机飞行模式的倾转过渡飞行。先进性：设计并完成国内首架取得成功飞行试验的小型倾转旋翼飞行器。1、自主开发了系统的软硬件设备。软件方面主要包括地面站监控系统、机载飞行控制律、飞行控制计算机操作系统、航姿信号处理单元。硬件方面包括航姿测量模块（IMU）、GPS接收模块、舵机驱动模块、遥控解码模块以及基于ARM架构的飞控计算机。2、建立其非线性飞行力学仿真模型，该模型包括三个基本模块：操纵输入模块，包括总距、横向周期变距、纵向周期变距、总距差动、纵向周期变距差动、副翼操纵、升降舵、方向舵以及发动机短舱倾角。3、倾转机构提供由直升机模式向飞机模式过渡飞行所需倾转力矩，采用蜗轮蜗杆传动机构，通过高精度数字舵机驱动蜗杆带动蜗轮，联动倾转轴旋转，从而实现发动机短舱及旋翼系统倾转。4、同步协调轴协调双旋翼转速同步，从而使双旋翼产生的气动力平衡，增加系统的稳定性；其次从安全角度出发，当一台发动机空中故障停车或转速下降时，可以通过协调轴传递转速，实现一台发动机带动双旋翼工作。
获奖情况及鉴定结果
- 2008.11大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、录像、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：通过地面监控系统控制小型倾转旋翼飞行器以直升机模式垂直起飞，在直升机飞行模式获得一定的前飞速度，进入倾转转换走廊，机载控制系统与外控手操纵补偿下实现过渡模式飞行，最终以飞机模式高速前飞；在着陆时，通过旋翼短舱的倾转，由飞机模式飞行到过渡模式飞行最终以直升机模式降落。 技术特点和优势：1、飞行速度快、航程远，具有固定翼飞机的高速飞行特性。2、可以实现垂直起降、空中悬停、低速贴地飞行。3、耗油率低，在巡航飞行时，因机翼产生升力，旋翼转速低，相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。 应用前景：小型倾转旋翼飞行器融合了直升机与固定翼飞机的优点，是一种军民两用的高技术产品。1、军用方面，不需要机场和跑道，生存力强；速度快、航程远、有效载荷大，特别适合装备物资的突击运输；实现垂直起降，特别适合装备海军舰载飞机。2、民用方面，可以在没有机场的地区执行运输任务，在出现紧急事故、灾难时它可以及时迅速的出动执行救援任务，节省宝贵时间。同时可以完成海洋勘探、航空拍照等任务。
同类课题研究水平概述
- 国外研究情况：由于倾转旋翼飞行器具有独特的飞行优势，早在20世纪40年代末期贝尔直升机公司就开始对其相关技术进行研究。但倾转旋翼机存在很多自身复杂的技术难点，特别是倾转过渡飞行模式动不稳定性，导致其经历了漫长曲折的发展历程。直到90年代初美国的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机首次完成由直升机飞行模式向固定翼飞机飞行模式的过渡飞行转换。2000年美国海军陆战队对海军型倾转旋翼机MV-22进行了一系列测试，但事故频繁发生伤亡惨重，2002年美国国防部才批准恢复对MV-22倾转旋翼机的飞行测试。直到最近V-22倾转旋翼机才刚刚投入使用，而且还存在很多技术难点尚待改进。在民用方面，2006年11月由贝尔直升机公司和意大利的阿古斯塔公司联合研制的第二架BA609原型验证机展开飞行试验。据预测，BA609在未来20年将有600-700架的市场，该机投放市场后将会对中型和重型直升机市场造成较大的冲击。 国内研究情况：我国对于倾转旋翼机的研究还刚刚起步，没有相关的倾转旋翼飞行器的设计参数，目前多处于理论研究阶段。1、倾转旋翼/机翼耦合系统过渡飞行瞬态响应分析。基于多体动力学方法建立倾转旋翼机过渡飞行瞬态响应分析模型,研究过渡飞行状态下倾转旋翼机非线性非定常气弹耦合动力学特性。数值计算表明:建立的时域模型能够快速有效分析倾转旋翼机在过渡飞行时的瞬态特性，能够反映倾转旋翼机旋翼/机翼间复杂的气弹耦合动力学关系。2、倾转旋翼飞机建模与仿真。据航空学报载为了研究倾转旋翼飞机的控制问题，建立了倾转旋翼飞机的数学模型。其中旋翼模型采用改进了的叶元法，旋翼诱导速度计算采用改进了的动量法。在MATLAB仿真环境下进行了仿真，结果表明模型可反映倾转旋翼飞机的基本特性，对飞行控制系统设计提供帮助。3、我们在研究倾转旋翼机基础上，根据实际条件，自主制作完成了小型倾转旋翼飞行器的结构设计、开发了软硬件实现部件，设计了飞行控制律并成功实现了直升机飞行模式向飞机飞行模式的倾转飞行试验。
