北京大学科技成果——垂直起降的固定翼飞行器

一种新型垂直起降固定翼货运无人机设计作者：郑轩宇来源：《中国科技博览》2018年第18期[摘要]随着在线消费市场的高度发展，城市货运需求越来越大。

而结合城市道路交通的复杂性，货运无人机作为货运工具的重要性越来越受到人们关注。

本文提出了一种新型垂直起降倾转动力固定翼货运无人机平台设计概念：该概念飞行器采用涵道风扇垂直起降结合固定翼模式完成飞行任务，满足城市起降低要求的特点和固定翼飞机高速、高效率的特点。

并对货运无人机的运行、站点布置进行了规划。

[关键词]垂直起降，货运无人机平台，涵道风扇，倾转动力固定翼飞机中图分类号：S655 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0160-011.绪论随着技术的逐渐进步成熟，各种新型垂直起降飞行器概念设计层出不穷，遍及各个方面。

大到城市飞行器，小到航拍器，都成为发展研究的热门话题。

但上述垂直起降飞行器多以多旋翼构型为主，与直升飞机原理类似，虽能完成垂直起降，但水平飞行速度较慢，效率较低。

相比之下，垂直起降结合固定翼构型作为一种用途广泛的技术，受到许多国家的重视。

随着对空中货运需求量的增加，快递企业纷纷开始研发快速便捷的空中货运平台。

对于货运无人机来说，垂直起降固定翼飞行器具有速度快、运载能力强的优势，可以缩短送货周期的前提下增加货物运输量，进而增加效率。

综上，本文设计了一款新型垂直起降货运无人机平台。

考虑到货运无人机主要是进行不同网点之间的配送，将货物送往人力配送较难、较慢的偏远地区，该平台采用涵道风扇垂直起降结合固定翼布局形式。

同时为了满货运无人机快速拆装的需求，设计了快速拆卸货仓模块。

相信该飞行器将会为未来无人机货运提供一种新的解决方案。

2.垂直起降固定翼货运无人机设计本文设计的垂直起降货运无人机平台，机长8m，主翼翼展8.1m，机翼面积4.56m2，鸭翼翼展1.8m，涵道风扇直径1.8m。

机体质量约400kg，货仓重量空载约200kg，最大起飞重量800kg，有效载荷150kg。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011555764.9(22)申请日 2020.12.24(71)申请人 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所地址 710089 陕西省西安市阎良区人民东路1号(72)发明人 王钟毓　马坤　付强　李高胜　樊振凯　(74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008代理人 杜永保(51)Int.Cl.B64C 29/00(2006.01)B64C 39/02(2006.01)B64D 27/02(2006.01)(54)发明名称一种垂直起降固定翼无人机及起降方法(57)摘要本发明公开了一种垂直起降固定翼无人机，包括旋翼、机身、机翼和尾翼；旋翼设在机身的前端；机翼有2个，安装在机身前段的两边；尾翼有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身的尾部；机身包括机身前段和机身后段，机身后段包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段轴连，三个可分离机身段各为机身后段的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段。

本发明的无人机具有旋翼机的垂直起降不受地形影响的功能，同时具有固定翼无人机长航时、高负载的能力。

权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 112607012 A 2021.04.06C N 112607012A1.一种垂直起降固定翼无人机，其特征在于，包括旋翼(1)、机身(2)、机翼(3)和尾翼(4)；旋翼设在机身的前端；机翼(3)有2个，安装在机身(2)前段的两边；尾翼(4)有3个，采用Y字形三翼面间隔120°布局形式设在机身(2)的尾部；机身(2)包括机身前段(2‑1)和机身后段(2‑2)，机身后段(2‑2)包括三个可分离机身段，三个可分离机身段分别与机身前段(2‑1)轴连，三个可分离机身段各为机身后段(2‑2)的120°部分，由控制系统控制三个可分离机身段张开或收拢，张开后的三个可分离机身段形成三角支架，收拢后的三个可分离机身段形成机身后段(2‑2)。

垂起固定翼的用途垂起固定翼是一种具有垂直起降能力的固定翼飞行器。

与传统的固定翼飞机相比，垂起固定翼具有更多的灵活性和多样化的用途。

下面将介绍垂起固定翼的几个主要用途：1. 军事应用：垂起固定翼在军事领域起到了不可替代的作用。

它们具有垂直起降能力，可以在复杂的环境中执行侦察、监视、打击、运输等任务。

比如，美国海军陆战队的F-35B战斗机就是一种垂直起降的固定翼飞机，它可以在船上起降，大大增强了海军陆战队的作战能力。

2. 民用运输：垂起固定翼不仅可以用于军事目的，也可以应用于民用领域。

由于其垂直起降的能力，垂起固定翼可以在城市中心区域进行垂直起降，解决交通拥堵问题。

一些厂商正在研发垂起固定翼的城市空中交通工具，这将彻底改变人们的出行方式。

3. 搜救任务：由于垂起固定翼可以在困难的地形和环境中垂直起降，它们在搜救任务中发挥着重要的作用。

无论是在海上、山区还是城市中，垂起固定翼都可以快速到达事故地点，并进行救援和紧急医疗救护。

4. 农业喷洒：垂起固定翼可以用于农作物的喷洒和施肥。

传统的喷洒飞机通常需要一定的起降距离和跑道，而垂起固定翼可以在农田中垂直起降，更加便捷高效。

并且，垂起固定翼可以通过悬停或低速飞行对目标区域进行详细喷洒，减少了化学物质的浪费和环境污染。

5. 海上巡逻与反潜：垂起固定翼在海上巡逻和反潜作战中也有广泛应用。

它们可以在海洋上方悬停或低空飞行，监视海面活动，及时发现和跟踪敌方水面舰艇或潜艇。

同时，垂起固定翼还可以携带声纳设备进行水下侦查和反潜作战。

6. 科学研究：垂起固定翼在科学研究中也扮演着重要的角色。

由于其垂直起降和悬停能力，垂起固定翼可以用于大气、气象、地质等领域的观测和探测。

它们可以携带各种传感器和仪器，收集各种数据，帮助科学家更好地理解自然界的规律和变化。

总之，垂起固定翼的用途非常广泛，不仅在军事领域发挥着重要作用，也可以应用于民用领域和科学研究。

随着技术的不断进步，垂起固定翼将会有更多的创新和应用领域。

Science &Technology Vision科技视界一种垂直起降固定翼飞行器的设计与制作王思奇吕鸿雁曾传杨于航程蒋中铨顾思衍(上海工程技术大学,中国上海201620)【摘要】本文将固定翼飞行器和旋翼机相结合，设计了一种垂直起降的固定翼飞行器，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。

机翼为平直翼的设计，翼稍有可倾转旋翼结构，能够实现90°的旋转。

巡航飞行时，两个旋翼可以旋转90°为平行于飞机纵轴状态，为巡航飞行提供动力，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。

【关键词】垂直起降；固定翼；飞行器设计0引言直升机和四旋翼飞行器均可垂直起降，但直升机的飞行控制系统开发复杂、不易维护，而四旋翼飞行器能耗大、飞行速度低、飞行半径很小；固定翼飞机飞行能耗小、飞行半径大，但垂直起降与悬停实现复杂，且不适用于狭小地段的侦查。

因此，设计一种既可以像直升机那样垂直起降和竖直悬停，又可像固定翼飞机那样利用机翼升力进行相对低能耗飞行时间较长的无人机具有重要的意义。

1设计目标本文设计的垂直起降固定翼飞行器，将固定翼飞行器和旋翼机相结合，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。

该飞行器的主要特点为：（1）飞行器兼具旋翼机和固定翼飞行器的优点。

既能够实现垂直起降和垂直悬停，又可变形为可较长时间飞行的固定翼飞行器，可以根据需要在这二者之间进行转换。

（2）巡航飞行时，两个旋翼可以旋转90°为平行于飞机纵轴状态，为巡航飞行提供动力，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。

2飞行器的设计方案2.1飞行器的总体设计方案要实现飞行器的设计目标，主要有三个设计的关键点：（1）如何设计旋翼的90°旋转机构；（2）如何保证各个电机更好地协调；（3）在四轴飞行器状态下，如何控制飞机在航向上转弯。

针对上述的关键点，确定了飞行器的总体设计方案。

飞行器主要由机翼、机身、动力装置、尾翼和起落架五个部分组成，气动布局采用双垂尾和平直翼的设计，翼尖安装可倾转旋翼机构，具体结构如图1所示：图1飞行器结构示意图机翼为平直翼的设计，翼稍有可倾转旋翼结构，能够实现90°的旋转，即在0°时为飞行器提供垂直力，实现飞行器的垂直起降和悬停，旋转到90°时，旋翼为飞行器提供向前的动力。

北京航空航天大学科技成果——高精度无人旋翼机
自主控制系统
成果简介
小型无人旋翼机具有垂直起降、悬停等特性，通过自身携带的各类传感器可以在危险区域或市区街道等狭窄空间执行观测、信息收集等任务，具有广泛的应用前景。

随着应用领域的拓展，小型无人旋翼机的工作环境也复杂多变，抗扰性强、稳定性高的小型无人旋翼机高精度控制成为研究的热点。

作为复杂的多输入多输出控制系统，小型无人旋翼机具有非线性、强耦合、控制难度高等特性。

并且小型无人旋翼机在飞行过程中存在多类干扰，如风扰、大气湍流、地面干扰、系统电磁干扰等，因此，小型无人旋翼机在扰动下的高精度控制是飞控系统的关键技术之一。

针对小型无人旋翼机在执行任务时控制性能容易受到外界干扰影响的问题，该项目开发出一种基于自适应神经网络和极点配置方法相结合的复合控制方法，对小型无人旋翼机在飞行中所受的多源干扰进行估计并抑制，实现大包络范围的高精度控制。

该技术针对小型无人旋翼机动力学模型，通过极点配置方法构建反馈控制系数矩阵来保证系统的初步稳定性；设计具有自主更新权值特性的自适应神经网络，基于误差信息构建自适应网络权值更新矩阵来在线更新神经网络的权值矩阵，实现对扰动的估计和抑制；并设计自适应阈值优化策略，基于时间窗口内的实际位置与期望位置的误差均方差，对自适应神经网络的控制残差上限阈值进行在线更新，降低控制残差上界不精确对神经网络扰动控制量的影响，进而优化自适应神经网络扰动控制量，实现复杂环境下的小型无人旋翼机高精度姿态控制。

该技术具有实时性好、动态参数响应快、对多源干扰适应性强等优点，可用于小型无人旋翼机复杂多源干扰环境下的高精度控制。

垂直起降固定翼无人机研究报告垂直起降固定翼无人机是一种能够在垂直方向起降的固定翼飞行器。

它结合了直升机的垂直起降能力和固定翼飞机的长航程和高速飞行性能，具备了独特的优势。

本篇报告将就垂直起降固定翼无人机的技术原理、应用领域以及前景进行研究。

首先，垂直起降固定翼无人机的技术原理。

该飞行器通常由固定翼和垂直起降系统两部分组成。

固定翼部分主要负责飞行和巡航，通常使用常规的翼形和控制方式。

垂直起降系统通常由垂直升降发动机、倾转推力器或者其他垂直起降设备组成。

垂直起降无人机可以像直升机一样，从静止状态垂直起飞，并且具备固定翼飞机的远程巡航和高速飞行能力。

其次，垂直起降固定翼无人机的应用领域。

由于其独特的起降方式和多功能性，该类型无人机在军事、民用和商业领域都有广泛的应用前景。

在军事领域，垂直起降固定翼无人机可以用于侦察、监视、打击和后勤支援任务。

它们可以在短时间内从任何位置起飞，执行各种任务，并且能够在困难的地形和气候条件下操作。

在民用领域，垂直起降固定翼无人机可以用于物流运输、搜救、灾害监测和环境监测等任务。

在商业领域，垂直起降固定翼无人机可以用于快速递送、航拍摄像、物流配送等领域，具有巨大的市场潜力。

最后，垂直起降固定翼无人机的前景。

垂直起降固定翼无人机在航空领域中具有独特的优势，能够克服传统飞机和直升机的限制，具有更高的安全性和经济性。

随着无人机技术的不断发展和成熟，垂直起降固定翼无人机的性能将进一步提升，应用领域也会不断扩大。

尽管目前垂直起降固定翼无人机技术仍存在一些挑战，如飞行稳定性、垂直起降系统的可靠性和能源消耗等问题，但随着技术的不断进步和创新，这些问题将逐渐得到解决。

因此，垂直起降固定翼无人机有着广泛的发展前景。

综上所述，垂直起降固定翼无人机是一种具备垂直起降能力和固定翼飞行性能的飞行器。

它在各个领域都有广泛的应用前景，并且随着技术的发展和创新，其性能将进一步提升。

尽管目前还存在技术挑战，但相信这些问题将逐渐解决。

垂直起降固定翼无人机组成结构
垂直起降固定翼无人机是一种具有高度灵活性和多用途性的飞
行器。

其独特的组成结构使其能够在狭小的空间中起降，并在空中以高速飞行。

该无人机通常由以下组成部分构成：
1. 机身：垂直起降固定翼无人机的机身通常由轻质材料如碳纤维、铝合金等制成。

机身内部装有电池、电机、传感器等关键部件，同时还具有良好的气动性能。

2. 翼面：翼面是垂直起降固定翼无人机的主要升力部件。

其结构一般为翼型、翼肋和翼桁的组合。

翼面采用高强度材料制成，例如玻璃纤维、碳纤维等。

在起降过程中，翼面能够实现垂直起降和悬停。

3. 垂直尾翼：垂直尾翼位于机身尾部，是控制飞机方向的关键部件。

垂直尾翼一般采用可调节桨叶或电动舵面进行控制。

4. 水平尾翼：水平尾翼位于翼面尾部，用于控制飞机俯仰运动。

水平尾翼一般采用可调节桨叶或电动舵面进行控制。

5. 起落架：垂直起降固定翼无人机的起落架通常包括两个可收放式轮子和一个降落伞。

在起飞和降落时，起落架能够提供良好的支撑和缓冲。

总之，垂直起降固定翼无人机的组成结构非常复杂，需要各个部件协同工作才能实现高度灵活性和多用途性。

未来随着技术的发展，无人机的组成结构将会变得更加复杂和多样化。

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垂直起降固定翼无人机研究
近年来，垂直起降固定翼无人机(V/STOL Fixed wing UAV，以下简称VFWUAV)作为一种全新的飞行器已经开始受到广泛的关注，发展前景非常
广阔。

VFWUAV具有强大的飞行性能，可以执行航程远、空间灵活多变的
任务，受到了广泛关注。

本文结合最新的VFWUAV研究进展，从飞行性能、控制系统、载荷以及应用等方面对VFWUAV进行系统阐述和分析，以期为
该领域的研究和实际应用提供更多的参考和借鉴。

1）飞行性能
VFWUAV具有较高的飞行性能，可以实现起降和飞行过程的连续转换，具有低速飞行、自动起飞、自动着陆、自动稳定等能力。

目前，在VFWUAV的研究中，研究人员们主要侧重于提高VFWUAV的稳定性和耗能效率，以使其在实际应用中获得更好的表现。

针对不同型号的VFWUAV，研
究人员有众多的方法可供选择，例如：设计变形机翼、改变发动机的性能
参数以实现较高的巡航效率、使用垂直起降系统实现自动起降等。

2）控制系统
VFWUAV是一种复杂的无人机，凭借其强大的飞行性能和可靠的控制
系统，可以完成各种各样的任务，具有广泛的实际应用。

因此，VFWUAV
的控制系统至关重要。

垂直起降固定翼无人机飞行原理垂直起降固定翼无人机，也被称为VTOL固定翼无人机，是一种具有跨越直升机和传统固定翼无人机两种飞行模式的航空器。

这种飞行器既能够在垂直方向起降，又可以在空中以高速飞行，具有灵活性和高效性的特点，因此在军事、工业、民用和科学研究领域都得到了广泛的应用。

下文将介绍垂直起降固定翼无人机的飞行原理、组成和应用场景。

一、飞行原理垂直起降固定翼无人机的飞行原理可以分为两个部分：一是起降阶段，二是巡航阶段。

1. 起降阶段在起降阶段，垂直起降固定翼无人机需要利用四个或者多个垂直起降发动机来实现飞行。

这些发动机分布在飞行器的四个角落，它们的喷气方向可以通过结构或者控制系统实现调节。

在起降过程中，这些垂直发动机向下喷气，产生向上的力，同时通过控制方向喷嘴的角度来控制飞行器的姿态，使它保持稳定的状态。

起飞过程中，垂直发动机功率最大，喷气方向最向下；降落时，垂直发动机功率减小，喷气方向向后倾斜，使飞行器缓慢下降并着陆。

2. 巡航阶段在巡航阶段，垂直起降固定翼无人机需要依靠一个或多个水平方向的主推进器来保持高速前进。

此时，垂直发动机被关闭，水平推进器控制飞行器的加速和减速，高空的空气动力学效应支持垂直起降固定翼无人机飞行。

由于垂直起降固定翼无人机的设计重心偏低，所以其在空气动力学效应下的滑翔比传统的固定翼无人机更高。

二、组成要素垂直起降固定翼无人机由以下几个部分组成：1. 机身：机身是垂直起降固定翼无人机最主要的组成部分，其形状和设计取决于不同的应用场景。

机身一般由复合材料或金属材料制成，具有轻便、坚固和可靠性的特点。

2. 翅膀：翅膀是固定翼无人机的重要组成部分，能够提供升力和稳定性。

垂直起降固定翼无人机的翅膀长度和形状大多数情况下是根据飞机巡航速度来决定的。

3. 发动机：垂直起降固定翼无人机需要使用多个垂直起降发动机和一个或多个水平方向的主推进器，以实现垂直起降和高速巡航。

4. 控制系统：垂直起降固定翼无人机所需的控制系统有很多种设计方案，但大多数采用了惯性导航、GPS、传感器和计算机技术，用于控制垂直发动机的功率、喷气方向和水平推进器的速度等。

专利名称：垂直起降的固定翼无人机
专利类型：发明专利
发明人：孟魁,夏振华,贾宏禹,李洪文,谭俊华,彭斌,魏俊,贾凯申请号：CN201610259173.4
申请日：20160425
公开号：CN105711831A
公开日：
20160629
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种垂直起降的固定翼无人机，包括机身，在机体上设有前行驱动，在机身的两侧设有机翼，在机身内设有可折叠的机身旋翼；在机身旋翼的两侧设有机身滑板；在机翼内设有多个可折叠的机翼旋翼，机翼旋翼的顶部设有可开合的机翼滑板装置。

通过采用以上的结构，具有以下的有益效果：采用前行驱动和机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于实现垂直起降与固定翼飞行之间的切换。

由此结构的无人机，便于执行任务时随时悬停，以便摄影头能定点观察，同时起飞降落时无需跑道和弹射设备。

采用机身旋翼与机翼旋翼的组合，便于控制整个机体的平衡。

采用隐藏式的机身旋翼与机翼旋翼，使垂直起降模式与固定翼飞行模式之间没有干涉，无需增大机翼的体积。

空气流体举升效率高。

申请人：长江大学
地址：434023 湖北省荆州市南环路1号长江大学创新创业中心
国籍：CN
代理机构：宜昌市慧宜专利商标代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：彭娅
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