一种钝型机头的气动结构布局设计方法及结构与流程

本发明属于通用航空飞机气动总体布局和机载航电系统设计技术，特别是无人机的气动总体布局和智能技术应用。

背景技术：

目前的通用航空飞机，机身前端的机头结构气动外形通常采用圆锥形或锥型机头的气动布局。通航飞机和运输类飞机的情况比较普遍。正在发展的无人机大多采用锥型机头，比如美军的“捕食者”系列无人机，国产“翼龙”系列无人机等。

在中国专利文献中，成都纵横大鹏无人机科技有限公司的公开号为cn209192221u的实用新型专利公开了一种模块化多用途无人机，包括机身及作为机身前端的机头，所述机头与机身的连接关系为可拆卸连接关系，所述机头的数量为多个，且各机头上均搭载有任务设备，至少有两个机头上的任务设备互不相同；任意一个机头连接于所述机身上，且与机身连接的机头通过所述可拆卸连接关系可切换。

又有，彩虹无人机科技有限公司申请的发明专利(公开号为cn112537444a)公开了一种复合翼无人机悬停自动对风的方法，无人机在旋翼模态下垂直起降时，分定点悬停阶段、航向调整阶段两个阶段控制无人机机头方向自动对准风的来流方向，使机头迎风以提高无人机的抗风能力。当无人机刚起飞或准备垂直降落时，无人机先进入定点悬停阶段，无人机定点悬停时间t后，即刻进入航向调整阶段，根据滚转角指令判断，结合旋翼拉力的水平分力、旋翼旋转反扭矩差及固定翼方向舵提高无人机偏航角速率的控制能力，调整机头航向，实现自动对风。

深圳纵横无人机科技有限公司的公开号为cn210793613u的实用新型专利公开了无人机机体及无人机，无人机机体包括机头和机身；机头设置有执行器以及与执行器电连接的第一连接器，机身设置有控制器以及与控制器电连接的第二连接器；机头和机身可拆卸地连接，以使机头装配到机身上时，第一连接器和第二连接器插接，且控制器和执行器电连接。机头和机身可拆卸地连接，不同的机头内设置不同的执行器，直接更换机头即可执行不同的任务，实现一机多用的目的。以上无人机设计，均是采用的锥形结构的机头设计。

锥型结构的机头气动布局，限制了机载系统或任务载荷的安装空间和使用方式。随着智能技术在航空器上的应用增加，机载系统的新设备新功能对机载安装位置提出新要求，机身前端的机头设备舱位置，有利于前向半球的观测，适合多种机载探测传感器设备的安装应用。传统的锥型结构气动布局，使得机头设备舱容积空间限制了更多设备的安装。

对于亚音速飞行的航空器，特别是低亚音速飞行的大多数通航飞机和无人机，继续沿用军用高速飞机或运输类飞机的锥型机头布局不会增加技术应用价值，而改为采用钝型机头，钝型机头的几何外形丰富多样，可以极大增加前端机头设备舱容纳机载系统的结构空间，为新功能设备的应用提供有利条件。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钝型机头的气动结构布局设计方法及结构，以克服现有技术存在的不足：

本发明的技术方案如下：

本发明的钝型机头的气动结构布局设计方法，是以钝型机头替代传统的锥型机头，丰富机头舱几何外形而总体气动布局可以继承，显著增加机头设备舱的结构容积空间，特别是增加平坦曲面的面积，便于为前视设备及前视天线提供更多的前视探测或应用窗口。新型航空器所需增加的智能技术设备，选择安装在钝型机头设备舱的前置和前视空间，可有效发挥智能探测功能，增强航空器的安全性和作业能力，提升航空器的智能化应用水平和使用价值。

基于以上设计方法，本发明提供了采用钝型机头的气动结构布局设计的航空器结构，该航空器气动结构由机体结构，机载系统和任务载荷组成；其中机体机构包括机身、机翼、尾翼、起落架；其中，机身的内部空间分隔布置多个用于安装机载系统设备或任务载荷设备的设备舱，其中，机头设备舱布置在机身前端，机头设备舱结构气动外形的几何构型采用钝型机头设计。

进一步的，机载系统包括安装在机体结构上的用于飞行及使用的所有设备；其中，一部分机载系统设备安装在机头设备舱内，包括前视设备，前向电磁天线及可装功能设备。

进一步的，任务载荷包括安装在机体结构上的用于飞行目的所装载的作业或运输的载荷；其中，一部分任务载荷安装在机头设备舱内，包括前向光学设备，武器，前端通道或取样进口通道设备。

该航空器结构布局适用于固定翼布局的亚音速无人机、通航飞机和运输类飞机的机头设备舱设计。

本发明提出钝型机头的气动布局设计方法及典型结构，以适应智能技术应用等新发展。钝型机头的气动结构是成熟技术，应用于亚音速飞机不会明显增加气动阻力。在无人机上普遍采用的机身腹部吊挂光电吊舱的方式，限制了视场范围，气动阻力较大，不利于隐身性能，改为钝型机头后，可改善光电吊舱视场使用范围并有利于对其减小气动阻力，有利于隐身设计。钝型机头的机头设备舱内，主要用于安装需要前半球进行观测和应用的前视或前向设备，以及任务载荷，包括前向发射的武器，物质收集器等；特殊设计可以将大多数机载系统设备安装在钝型机头设备舱内，而机头舱设计为几乎全开的额整流舱盖以便改进使用维护性。一些智能传感器特别需要对前半球的探测，一些保障飞行安全的智能技术传感器也需要前半球的观测视场。因此，提出钝型机头的设计理念，有助于优化航空器总体布局潜能设计，有助于促进智能技术应用，提高技术性能甚至引导技术转型，实现航空器智能水平和安全水平的提升。

附图说明

图1为机头设备舱及机身其它设备舱和典型设备布局图；

图2为钝型机头舱几种典型几何外形(其它视图可选适用的几何外形)。

图中标记分别为：1-机翼，2-尾翼，3-机头设备舱，4-前机身上设备舱，5-中机身上设备舱，6-后机身上设备舱，7-机身燃油箱，8-后置发动机，9-前机身下设备舱，10-前起落架，11-中机身下设备舱，12-后机身下设备舱，13-光电吊舱上位，14-光电吊舱下位，15-任务载荷，16-机载系统前置传感器，17-外置设备。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

如图1和图2所示，本发明的钝型机头的气动结构布局由机体结构，机载系统和任务载荷15组成。

其中，机体结构包括机身、机翼1、尾翼2、前起落架10等组成。其中与现有航空器一样，也必然包括机身燃油箱7、后置发动机8等。其中，机身的内部空间可分隔布置多个用于安装机载系统设备或任务载荷设备的设备舱，以及安装燃油，起落架的设备舱，设备舱及其所安装的设备重量能够满足全机总体布局所要求的重量重心设计要求。包括机头设备舱3，前机身上设备舱4，中机身上设备舱5和后机身上设备舱6，以及前机身下设备舱9，中机身下设备舱11，后机身下设备舱12等。其中，机头设备舱3布置在机身前端，机头设备舱3结构气动外形的几何构型采用钝型机头设计，以便在航向及其四周侧面可以布局面积更大的平坦曲面，满足前向探测设备的前视开窗或透波所需，并构建可以容纳更多机载系统设备或任务载荷设备的结构空间。

机载系统包括安装在机体结构上的用于飞行及使用的所有设备，如导航与飞行控制系统、数据链系统、电源电气系统。其中，一部分机载系统设备安装在机头设备舱3内，包括前视设备，前向天线、电磁天线设备，以及可容纳安装的功能设备。

任务载荷15包括安装在机体结构上的用于飞行目的所装载的作业或运输的载荷，如光电观测、数码相机、技术侦察与对抗、合成孔径雷达等设备。其中，一部分任务载荷15可以安装在机头设备舱3内，包括前向武器，电磁天线、前端进气(如取样进口)设备、探测设备，如光电吊舱。

另外，还包括机载系统前置传感器16(包含视频设备、电磁天线)，外置设备17(测控及通信天线)等。

钝型机头的气动结构布局适用于固定翼布局的亚音速无人机、通航飞机和运输类飞机的机头设备舱设计。

实施例1，光电吊舱的前置安装

光电吊舱是飞机上常用的探测设备，传统的常见安装位置在前机身机腹下方。如美军“捕食者”系列无人机，国产“翼龙”系列无人机。光电吊舱在机腹下方外挂的安装方式，随着飞行速度提高而增加气动阻力，并遮挡前视上方的视场，仅仅符合传统无人机主要执行对地观测任务的需要。因此，这种外挂安装的案例技术应用潜力局限较大。

机头设备舱3的位置居于机身前端，选择机头前向具有比较平坦曲面的气动结构设计，如附图1，附图2。前置的光电吊舱优选安装在机头设备舱3的前下端，一般设计两个工作位置：

一个是上位，用于经常飞行状态的工作，对前半球空间进行搜索观测，具备对地和对空的持续搜索。光电吊舱上位13的设计，光电球的下端与机身腹部基本平齐，在光电吊舱球体后部的结构可以阻止气流负压区形成，有利于气动减阻，适合高亚音速飞行使用光电吊舱。现代无人机除了执行对地观测，也需要前视对空观测，特别是前向的防撞探测、超越前机的探测，这些是适应发展需求的新功能，因此，无人机或通航飞机的前置机头设备舱3，所需安装的设备将会增加，新技术的应用将会提升。

一个是下位，光电吊舱上位14从机头设备舱3释放光电吊舱突出到机身腹部下方，视场可以对机身后半球的下方扇区进行对地观测，满足个别情况的向后视的观测需求。

除了安装前置光电吊舱，可以同时安装专用的前置激光探测器用于防撞，安装前视强闪光灯用于驱逐飞鸟，以及安装其它前视功能设备。

实施例2，激光防撞的探测器的前置安装。

如实施例1，在光电吊舱的上部机头设备舱3内，同时安装专用激光探测器，可以设计多种可选的激光束扫描方式，按照前方的同向或逆向的其它航空器飞行速度与本机防撞反应时间特性，选择激光束的有效探测距离。根据激光束探测到的飞行前方障碍物距离，由机载系统的飞行控制系统解算防撞策略并实施避让。另外，带有激光照射器的光电吊舱也可以间歇暂停对地观测，兼用于前视防撞探测。

类似的，可以雷达探测设备替代激光探测设备，如军用飞机常备的前视相控阵雷达设备，这里不再详细说明。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。