一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统及控制方法
阅读说明：本技术 一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统及控制方法 (Lifting/pushing integrated power system of fixed-wing vertical take-off and landing aircraft and control method ) 是由 邓文剑 王占学 周莉 张晓博 史经纬 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统及控制方法,通过简单的活门调节,可以同时提供升力和推力。避免了复杂的机构,实现了从垂直起降向平飞状态过渡态简单、可靠；避免了系统的冗余,减小了平飞状态下升力系统造成的废载和废阻,极大的提高了固定翼垂直起降飞行器的空间、重量与气动效率。(The invention relates to a lifting/pushing integrated power system of a fixed-wing vertical take-off and landing aircraft and a control method. A complex mechanism is avoided, and the transition state from the vertical take-off and landing state to the flat flying state is simple and reliable; the redundancy of the system is avoided, the waste load and the waste resistance caused by the lift force system in the flat flight state are reduced, and the space, the weight and the aerodynamic efficiency of the fixed-wing vertical take-off and landing aircraft are greatly improved.)
技术领域
本发明属于垂直起降飞行器领域，特别涉及一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统及控制方法。
背景技术
垂直起降飞行器对起降场地要求低，布置灵活，使用方便，且可实现空中悬停，因此具有独特的性能优势，特别在小型无人飞行器领域，更是得到了越来越广泛的应用，其在各个应用领域的需求也日益强烈。
动力系统是决定垂直起降飞行器成败和性能优劣的关键所在，在旋翼垂直起降飞行器领域，其技术逐步趋于成熟和完善，但旋翼式飞行器飞行速度低、航程航时短、隐身性能差等是其无法克服的性能短板。在固定翼垂直起降飞行器领域，其动力系统技术尚处于不断摸索和发展阶段。
现在的固定翼飞行器垂直起降技术主要有两大类型，一为推力矢量喷管，如英国“鹞式”战斗机的动力系统；二为推力矢量喷管和升力风扇组合动力系统，如美国F-35B战斗机的动力系统。这两种类型的垂直起降技术都有其不可避免的缺陷，推力矢量喷管的结构复杂、控制机构更是非常复杂，并且对发动机与喷管的匹配要求非常高；推力矢量喷管和升力风扇组合在一定程度上降低了发动机及与喷管的匹配难度，但是升力风扇除了在起降和空中悬停阶段发挥作用以外，在其它飞行阶段成为了飞行器的废阻，并且占据了安装空间、增加了飞行器的结构重量。
因此，从现有的固定翼飞行器垂直起降技术来看，急需克服结构与调节机构复杂，可靠性差，废载重量和空间大的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：基于目前固定翼垂直起降飞行器动力系统的技术弱点，因此，本发明提出了一种能一体化实现升力和推力输出的固定翼垂直起降飞行器动力系统技术，该技术通过简单的活门控制，就能在同一套系统部件上实现升力和推力间的任意比例控制，克服已有动力系统技术中结构复杂、可靠性差或者升力与推力分别需要不同部件来提供的技术缺陷。
本发明的技术方案是：一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统，包括叶轮、环形蜗壳集气室、若干升力喷管、升力喷管控制活门、推力喷管和推力喷管控制活门；
所述环形蜗壳集气室为“b”字型，内部为空腔；叶轮位于中心区；推力喷管位于“b”字型端口，且该处设有推力喷管控制活门，推力喷管喷口方向平行于叶轮旋转平面；环形蜗壳集气室环形面的一侧均布有若干升力喷管，且该处设有升力喷管控制活门，升力喷管喷口方向垂直于叶轮旋转平面；叶轮旋转产生的高能气体首先进入环形蜗壳集气室，之后分别进入升力喷管和推力喷管中；升力喷管控制活门与推力喷管控制活门分别控制升力喷管与推力喷管出口面积大小，控制其喷流流量大小，从而分别控制升力与推力的大小。
本发明进一步的技术方案是：通过控制升力喷管控制活门和推力喷管控制活门的开合度，来分别控制升力与推力的大小。
本发明进一步的技术方案是：所述叶轮为离心或斜流式。
本发明进一步的技术方案是：基于一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统的控制方法，包括固定翼垂直起降飞行器从垂直起飞到平飞阶段、空中悬停或垂直降落三个阶段的控制过程：
在垂直起飞到平飞阶段时，控制过程包括以下步骤：
步骤1：启动叶轮，叶轮工作在高转速状态，推力喷管控制活门完全关闭，升力喷管控制活门完全打开，此时前进推力为零，升力达最大值；飞行器垂直起飞；
步骤2：当飞行器达到所需高度后，进入从垂直起飞向平飞的过渡状态，此时将叶轮转速逐渐增加到最大转速，同时逐渐打开推力喷管控制活门，推力喷管产生前进的推力，飞行器逐渐加速，机翼上逐渐产生气动升力；通过逐渐关闭升力喷管控制活门来减小升力喷管的升力，直到机翼上的气动升力等于飞行器重量时，升力喷管控制活门完全关闭，此时升力喷管不再提供升力，飞行器完成过渡态的飞行，进入平飞状态；通过调节叶轮转速和推力喷管控制活门的开度来控制飞行器在平飞时的速度与加速度；
在空中悬停阶段时，包括以下步骤：
步骤1：逐渐关闭推力喷管控制活门，同时逐渐打开升力喷管控制活门；
步骤2：当飞行速度降为零时，推力喷管控制活门处于完全关闭状态，升力喷管控制活门的开合度与叶轮的转速相互匹配，使得升力喷管提供保持飞行器悬停所需的升力；
在垂直降落阶段时，包括以下步骤：
步骤1：控制飞行器在待降区域上空实现空中悬停；
步骤2：匹配调节叶轮的转速和升力喷管控制活门的开合度，使得升力喷管提供的升力小于飞行器的重量，保证飞行器按照指定的下降速率下降并且以一定的着陆速度着陆。
发明效果
本发明的技术效果在于：前面的分析中提到，现有固定翼飞行器垂直起降技术依靠于矢量推力喷管及升力风扇，它们存在着不可克服的结构与调节机构复杂度高，可靠性差，废载重量和空间大的问题。本发明的推力喷管3与升力喷管5的喷管主体部分不需要调节、没有调节机构，只需在推力喷管3与升力喷管5内分别设置简单的推力喷管控制活门4和升力喷管控制活门6，通过对推力喷管控制活门4、升力喷管控制活门6的开合度及叶轮1转速的匹配调节，就能实现升力和推力间任意比例的转换。避免了复杂的机构，实现了垂直起降、空中悬停和平飞状态间转换简单、可靠。可以极大的提高飞行状态转换间的可靠性和便捷性、减小平飞状态下升力系统冗余部件造成的废载和废阻，从而的提高固定翼垂直起降飞行器的空间布置、重量与气动效率，且整机的可靠性也得到提升。
附图说明
图1为固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统正视图
图2为固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统仰视图
图3为安装了升/推一体化动力系统的固定翼垂直起降飞行器典型示例图
附图标记说明：1-叶轮；2-环形蜗壳集气室；3-推力喷管；4-推力喷管控制活门；5-升力喷管；6-升力喷管控制活门。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图3，一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统，包括：离心或斜流式叶轮，通过它们对气流做功，提高气流机械能；环形蜗壳集气室，从叶轮流出的高能量气流进入蜗壳集气室；升力喷管，沿蜗壳集气室周向等间距布置，当高能气流从升力喷管喷出时，产生垂直向上的升力；升力喷管控制活门，控制升力喷管出口面积大小，以控制升力喷管的气流流量，从而控制升力大小；推力喷管，是气流从环形蜗壳集气室的径向或切向出口，当高能气体从推力喷管喷出时，产生前进的推力；推力喷管控制活门，控制推力喷管出口面积大小，以控制推力喷管的气流流量，从而控制推力大小。
进一步的，离心或斜流式叶轮对气流做功，提高气流流速或总压，为产生喷流升力和喷流推力提供能量。
进一步的，环形蜗壳集气室环绕在叶轮周围，从叶轮出来的高能气流首先进入环形蜗壳集气室。
进一步的，升力喷管周向布置在环形蜗壳集气室的一侧，喷口方向与叶轮旋转平面垂直，当升力喷管控制活门打开，气流从升力喷管喷出时，产生向上的升力。
进一步的，推力喷管向后喷射气流，产生前进的推力。
进一步的，通过控制升力喷管控制活门和推力喷管控制活门的开合度，来分别控制升力与推力的大小。
本发明提供一种固定翼垂直起降飞行器升/推一体化动力系统，如图1、2所示，包括：离心或斜流叶轮1、环形蜗壳集气室2、推力喷管3和推力喷管控制活门4、升力喷管5和升力喷管控制活门6。
图3提供了一个安装了本发明动力系统的固定翼垂直起降飞行器典型案例。本发明充分利用了离心或斜流叶轮1单级增压能力强、流量和压比调节范围宽、高效工作范围宽广、性能稳定可靠等优点，作为对气流的做功部件，用以提高气流的流速或总压，经过叶轮1的高能气流汇聚到环形蜗壳集气室2内，然后通过升力喷管5或推力喷管3向外喷射以产生升力或推力。通过升力喷管控制活门6和推力喷管控制活门4分别控制升力喷管5和推力喷管3的流量大小，从而实现对升力和推力大小的控制。
在垂直起飞阶段，叶轮1工作在高转速状态，推力喷管控制活门4完全关闭，升力喷管控制活门6完全打开，此时前进推力为零，升力达最大值。当飞行器达到一定高度后，开始进入从垂直起飞向平飞的过渡状态，此时将叶轮1转速逐渐增加到最大，同时逐渐打开推力喷管控制活门4，推力喷管3产生前进的推力，飞行器逐渐加速，机翼上逐渐产生气动升力，此时根据总升力与飞行器总重量平衡的原则，通过逐渐关闭升力喷管控制活门6来减小升力喷管5的升力，直到机翼上的气动升力等于飞行器重量时，升力喷管控制活门6完全关闭，此时升力喷管5不再提供升力，飞行器完成过渡态的飞行，进入平飞状态。通过调节叶轮1转速和推力喷管控制活门4的开度来控制飞行器在平飞时的速度与加速度。
当飞行器要空中悬停时，逐渐关小推力喷管控制活门4，同时逐渐打开升力喷管控制活门6，在这过程中，飞行速度逐渐降低，飞行器机体的阻力和气动升力也逐渐下降，因此推力喷管控制活门4和升力喷管控制活门6的开合度、叶轮1的转速大小根据飞行阻力和升力需求来匹配调节。当飞行速度降为零时，推力喷管控制活门4处于完全关闭状态，升力喷管控制活门6的开合度与叶轮1的转速相互匹配，使得升力喷管5提供保持飞行器悬停所需的升力.
当飞行器要实现垂直降落时，首先控制飞行器在待降区域上空实现空中悬停；然后同时匹配调节叶轮1的转速和升力喷管控制活门6的开合度，使得升力喷管5提供的升力小于飞行器的重量，保证飞行器按照指定的下降速率下降并且以一定的着陆速度着陆。
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