一种三旋翼复合式直升机及其控制方法

本发明涉及直升机，尤其涉及一种三旋翼复合式直升机及其控制方法。

背景技术：

1、高速直升机的设计一直是直升机领域的一大难题，传统的直升机在悬停和前飞的状态下，也就是直升机模态和固定翼模态，都依靠一副或多副大旋翼提供升力，在高速平飞的状态下，其前行桨叶上会产生激波，后行桨叶则会失速产生大反流区，这种严重不对称的升力会损害旋翼的效率，限制了直升机的进一步提速。为了在不降低效率的情况下提升传统直升机的飞行速度和续航里程，很多种复合式直升机的方案相继被提出，旨在扩大直升机的飞行速度包线，使它更加适用于各种用途。

2、如图1所示，根据对现有的多种类型垂起飞行器的桨盘载荷和悬停功率的统计，可以得出二者的经验函数关系近似一条双曲线，由此可以清晰的观察出具有较高翼载荷的涡喷固定翼鹞式战斗机虽然有着较高的巡航速度，但悬停效率却远低于拥有大直径旋翼、小桨盘载荷的直升机，这是由于悬停功率主要来自诱导功率，只有增大桨盘面积才能减小下洗流的诱导速度从而降低诱导功率，但涡喷发动机的结构特点注定了它无法降低诱导功率。

3、而直升机虽然悬停效率高，垂直起降载重大，但却在高速前飞的状态下面临着前行桨叶激波和后行桨叶失速的致命问题，为了解决上述传统直升机和涡喷固定翼飞行器的固有弊端，可以在直升机模态和固定翼模态之间相互转换的飞行器应运而生。针对此类飞行器，在悬停效率、大载荷能力、高速巡航效率、过渡控制复杂度之间难以兼顾的问题，本发明提出一种三旋翼复合式直升机及其控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中，垂直起降飞行器在悬停效率、大载荷能力、高速巡航效率、过渡控制复杂度之间难以兼顾的问题，而提出的一种三旋翼复合式直升机及其控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种三旋翼复合式直升机，包括机身，所述机身上安装有主旋翼，还包括：机翼，为两个对称设计，分布在机身的两侧，且每侧机翼的倾转角度均可调节，通过机翼的倾转角度调节，实现直升机模态、固定翼模态之间相互转换；每侧机翼的端部，均设置有一个侧旋翼；所述机身前端设置有前旋翼。

4、其中，在上述三旋翼复合式直升机中，进一步包括：两个侧旋翼与前旋翼，按全机质心对称分布。

5、其中，在上述三旋翼复合式直升机中，进一步包括：所述机翼为垂直状态时，处于直升机模态；所述机翼为水平状态时，处于固定翼模态。

6、其中，在上述三旋翼复合式直升机中，进一步包括：所述机身尾部设有水平尾翼；所述水平尾翼的两端设有垂直尾翼；所述水平尾翼和垂直尾翼构成h型布局，用于提供水平安定面以增加固定翼模态飞行时的纵向静稳定性。

7、其中，在上述三旋翼复合式直升机中，进一步包括：所述垂直尾翼远离机身的一侧设有方向舵，在过渡态和固定翼模态飞行时，给飞行器提供偏航操纵力矩。

8、其中，在上述三旋翼复合式直升机中，进一步包括：所述机身内安装有两个舵机，每个所述舵机的输出端固定连接有转轴，所述转轴延伸出机身；每侧机翼的根部均与对应的转轴固定连接。

9、同时，本发明又提出一种三旋翼复合式直升机控制方法，步骤如下：

10、s1：通过控制两侧机翼的倾转角度状态，能在直升机模态、固定翼模态之间相互转换；

11、s2：通过调整两个侧旋翼和前旋翼的拉力，能实现不同的飞行姿态。

12、其中，在上述三旋翼复合式直升机控制方法中，进一步包括：在直升机模态向固定翼模态转换的过程中；两侧机翼的平均倾转角按照一个预先给定的指令快速向下倾转；随着机翼平均倾转角的减小，主旋翼也开始降低转速直到时完全停转；飞行器转换到固定翼模态。

13、其中，在上述三旋翼复合式直升机控制方法中，进一步包括：在固定翼模态向直升机模态转换的过程中；两侧机翼同时向上倾转，增大迎角，以维持飞行器升力平衡重力，前旋翼增大推力以维持飞行器俯仰姿态水平；当飞行器减速到临界速度时，主旋翼开启，两侧机翼的平均倾转角按照一个预先给定的指令向上倾转，同时保持差动角度可调，直到；飞行器转换到直升机模态。

14、其中，在上述三旋翼复合式直升机控制方法中，进一步包括：根据平均倾转角切换或连续调整控制分配权重；根据差动倾转角产生偏航控制力矩；以虚拟控制量残差和执行器动作量为优化目标构建二次规划问题；在固定翼模态下约束主旋翼拉力；在直升机模态下降低方向舵权重或降低方向舵参与度。

15、与现有技术相比，本发明提供的一种三旋翼复合式直升机及其控制方法，具备以下有益效果：

16、1、该三旋翼复合式直升机，同时具备直升机的高悬停效率，最大起飞载重和固定翼飞行器的长航程和高速度；对起飞场地要求低，可载运大量任务载荷并以较高的速度抵达目的地，航程较普通直升机有所增加，操纵机构有所简化；同时仅以增加两个侧旋翼的代价就获得了常规固定翼飞行器所不具备的垂直起降能力和悬停能力，不受地点限制，无需特别的机场跑道就能执行任务，还拥有良好的低空低速性能，可以适应障碍物较多的城市低空环境，转入固定翼模态后也可以在空旷郊区实现高速平飞；

17、2、该三旋翼复合式直升机，比起传统的单旋翼直升机，无需尾桨消耗功率，不用设计细长的尾梁，传动系统的重量也有所降低，机身可以设计得更加紧凑，而偏航操纵力矩并没有降低很多，依然可以通过倾转机翼提供巨大偏航力矩，调整侧旋翼、前旋翼与主旋翼的转速差也可以提供一部分，用于低风速情况下维持平衡的操纵；

18、3、该三旋翼复合式直升机，主旋翼无需任何倾斜盘以及变距机构，悬停状态的姿态操纵全部由侧旋翼、前旋翼完成，简化了机构的复杂度，提高了可靠度，同时由于侧旋翼、前旋翼的位置距离重心更远，提供的俯仰和滚转力矩也比操纵主旋翼倾斜的方式要大，可控度更高，抗风性更好。另外，高速前飞时，共轴双旋翼由于桨毂很高，为了防止打桨必须设计高，产生的阻力甚至会超过全机阻力的50%，而本发明提出的飞行器则没有这样的问题，因为不需要倾斜主旋翼，主旋翼可以做得比较贴近机身，桨毂可以设计得很短，其前飞时阻力也就自然降低了很多。

1.一种三旋翼复合式直升机，包括机身（1），所述机身（1）上安装有主旋翼（101），其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的一种三旋翼复合式直升机，其特征在于，两个侧旋翼（3）与前旋翼（301），按全机质心对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种三旋翼复合式直升机，其特征在于，所述机翼（2）为垂直状态时，处于直升机模态；所述机翼（2）为水平状态时，处于固定翼模态。

4.根据权利要求1所述的一种三旋翼复合式直升机，其特征在于，所述机身（1）尾部设有水平尾翼（5）；所述水平尾翼（5）的两端设有垂直尾翼（501）；

5.根据权利要求3所述的一种三旋翼复合式直升机，其特征在于，所述垂直尾翼（501）远离机身（1）的一侧设有方向舵（502），在过渡态和固定翼模态飞行时，给飞行器提供偏航操纵力矩。

6.根据权利要求1所述的一种三旋翼复合式直升机，其特征在于，所述机身（1）内安装有两个舵机（601），每个所述舵机（601）的输出端固定连接有转轴（7），所述转轴（7）延伸出机身（1）；每侧机翼（2）的根部均与对应的转轴（7）固定连接。

7.一种三旋翼复合式直升机控制方法，基于权利要求1-6任一项所述的三旋翼复合式直升机，其特征在于，步骤如下：

8.根据权利要求7所述的一种三旋翼复合式直升机控制方法，其特征在于，在直升机模态向固定翼模态转换的过程中；

9.根据权利要求7所述的一种三旋翼复合式直升机控制方法，其特征在于，在固定翼模态向直升机模态转换的过程中；

10.根据权利要求7所述的一种三旋翼复合式直升机控制方法，其特征在于，根据平均倾转角切换或连续调整控制分配权重；根据差动倾转角产生偏航控制力矩；以虚拟控制量残差和执行器动作量为优化目标构建二次规划问题；在固定翼模态下约束主旋翼（101）拉力；在直升机模态下降低方向舵（502）权重或降低方向舵（502）参与度。