一种双发布局自旋翼机的设计方法及系统与流程

本发明属于航空器设计与控制技术，特别是无人驾驶航空器的设计、以及通用航空应用领域。

背景技术：

自旋翼机是一种借助旋翼升力的航空器，其飞行原理的安全性获得了通用航空应用的关注。目前，自旋翼机在民用或军用领域推广应用，总量不多，但其低空飞行应用，低成本，安全性等优点仍然推动市场的关注。自旋翼机推广应用的主要限制在于其装载能力比较小。一架双座的单发双座的自旋翼机用于教学或观光飞行，教员占据一席，只能搭载1名乘员。换装大功率发动机而设计的单发三座的自旋翼机已经完成飞行验证，但是三座布局的教练席位与学员的席位布局，以及与乘客的座位布局，都不方便给学员或乘员提供良好的观察视野，或乘坐的舒适体验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双发布局自旋翼机的设计方法及系统，为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双发布局自旋翼机的设计方法，是将自旋翼机采用双发布局，2台发动机的安装中，双发分别安装在机身前端和后端的串列布局设计方案，并包括有人驾驶状态或无人驾驶状态的设计方案；驾驶系统安装在机身上，用于驾驶飞行以及用于对机载系统的动作控制与数据管理；发动机在空中停车可以通过启动器由驾驶系统实施空中重启，维持空中双发运行状态以提高安全性，当重启失败则借助单发通过驾驶系统就近着陆。

一种采用双发布局的自旋翼机，由机身，发动机，乘员舱，驾驶系统，地面系统组成。其机身由混合材料制作，包含金属或非金属复合材料制作的承力结构，以及安装发动机或设备的结构，气动外形整流罩结构，通道舱门结构和蒙皮结构；机身上部安装自旋翼臂及自旋翼，为自旋翼的旋转升力提供承力结构的连接，可为自旋翼的起飞阶段加快起旋安装辅助的传动轴或独立动力设备，其中，传动轴是自旋翼臂与发动机连接的传动机构，而独立动力设备是安装并连接在自旋翼臂下端的动力旋转设备，如带电池的电动机，根据设计方案，起飞后独立动力设备可以抛投脱离机身以减轻自旋翼机重量；在机身上安装尾翼结构，尾翼结构包含尾撑杆，方向舵和升降舵，其中方向舵用于偏航控制，升降舵用于辅助俯仰控制；机身上安装两台发动机，优化的设计方案是在机身轴线的前后端分别安装1台发动机，方便全机重心布置或调整，有利于自旋翼机构型的单发飞行控制，减轻自旋翼下洗气流与发动机的干扰；在机身上设计乘员舱，乘员舱包含乘员座位，乘员窗户和乘员舱门，乘员上下的通道布置在机身两侧比较优化；安装自旋翼机的驾驶系统。

发动机安装在机身结构上。两台发动机的安装可采用在机身轴线的前端和后端串列安装的布局，并设计气动整流罩，见附图1-3。另一种在机身侧翼设计短机翼上左右对称安装的布局，性能和使用的缺点比较明显。传统设计方法给发动机配置的参数自动检测器(ecu)，配置发动机启动器和发电机。发动机的布局可以选用多台燃油机或电动机替代双发布局，如采用4台替代2台的，安装的布局是在2台安装的位置左右布局；选用多台电动机，替代两台串列布局的燃油机，同样是替代2台燃油机串列安装的位置左右对称的安装布局，或者在机身两侧的短翼结构上左右对称分布安装多台电动机的布局。

在机身结构上设计乘员舱，乘员舱包含座位，乘员窗户和乘员舱门，以及用户选择的驾驶系统。乘员舱的通道设计在机身的左右侧，对称的结构便于设计和制造，便于乘员的快速上下，便于乘员的观光。乘员舱的顶部可以设计机身脊背结构，背脊结构可用于承力和对乘员的安全防护，可用于安装乘员窗户。乘员的乘坐位置处于机身上部两侧的拐角处，针对拐角紧凑的曲面结构，简便的乘员舱结构可以采用分段设计方案，即乘员窗户设计并安装在机身背脊结构上，可以采用全透明结构且上下开关及防水设计，而乘员舱门及其安全锁机构设计在机身侧壁上。当乘员在空中打开窗户通风时，乘员舱门仍然安全锁闭。

驾驶系统安装在机身上，用于驾驶飞行以及用于对机载系统的动作控制与数据管理。发动机在空中停车可以通过启动器由驾驶系统实施空中重启，维持空中双发运行状态可提高安全性，当重启失败则借助单发通过驾驶系统就近着陆。驾驶系统包括手动操纵或电传操纵或自动驾驶的控制器和伺服机构，飞行参数及航行信息的解算和显示功能，机载电源及用电管理，以及与其它机载系统的连接和运行所需的控制与管理，特别是控制系统通过连接机载数据链与地面系统链接。

地面系统安装在地面，用于链接机载控制系统，对自旋翼机的飞行进行遥测遥控与信息传输。地面系统包括地面站，地面检查或维护的设备，地面培训设备以及配套使用所需的其它地面系统设备，如差分站，通信终端如5g通信，ads-b地面设备，航空话音设备，光纤网络。地面站的构型可以采用车载移动式，或便携式，以及便携的肢体感应式，根据使用的要求选择详细设计方案。

该双发布局的自旋翼机可以如上述设计为有人驾驶状态，可以设计为无人驾驶状态。设计为无人驾驶状态时，驾驶系统设计成为无人机飞行控制与任务管理系统，其它的机载系统和地面站则根据用户要求按照无人驾驶状态的运行，进行常规的适应性详细设计，其中包括更换适配所需的电气接口和设备，以完善整套无人机系统的数据适配。自旋翼机设计成为无人驾驶状态，其结构的设计可以简化，主要满足发动机的安装和货物的装载。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明采用双发布局，解决提高自旋翼机提高装载能力的需求，同时为全机重量重心的设计提供更适合的总体布局方案。采用双发布局，2台发动机的安装可选择多种布局，比较优化的安装布局是，双发分别安装在机身前端和后端的串列布局设计方案，一是被自旋翼下洗气流的干扰比较小，二是转换为单发飞行的控制代价比较小，即有利于自旋翼机构型的单发飞行控制，三是乘员上下乘员舱通道及观察视野较宽敞，或货物的装卸结构设计都比较简便快捷。

本发明采用双发布局的自旋翼机保持低成本优势，支持选择有人驾驶状态或无人驾驶状态的设计方案，其提高的装载能力可以支持多种短距起降和低空低速飞行的通航作业应用，包括支持有人驾驶状态的多达6人的乘员座位及宽敞的观光体验，支持无人驾驶状态的货物末端快递，应急救援如森林灭火或运送担架，以及农林植保的农药喷洒作业等。

附图说明

图1是双发布局自旋翼机侧视图；

图2是双发布局自旋翼机俯视图；

图3是双发布局自旋翼机前视图；

图4是喷洒机的喷管安装示意图，俯视图；

图5是喷洒机的喷管安装示意图，前视图；

图6是喷洒机的翼型喷管内安装喷头的示意图。

附图中的标记为：1-乘员舱门，2-机身，3-起落架，4-光雕吊舱，5-发动机，6-自旋翼，7-乘员窗户，8-自旋翼臂，9-机身背脊，10-上尾撑杆，11-下尾撑杆，12-方向舵，13-发动机整流罩，14-升降舵，15-喷管拉臂，16-外喷管，17-前机轮，18-连管托板，19-连管，20-前拉绳，21-后拉绳，22-喷药容器，23-内喷管，24-前机身，25-后机轮，26-折叠外喷管，27-上拉绳，28-喷管，29-翼型结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1，乘坐观光有人驾驶飞机状态

设计一种双发布局的自旋翼机。发动机5选用135hp，配置发电机。主要技术指标为：最大起飞重量1500kg，空机重量525kg，燃油重量370kg，乘员6名，每人可携带20kg物品，巡航速度140km/h，最大航时9h，最大航程1200km。

乘员座位布置在机身2两侧，乘员窗户7和乘员舱门1可以整体设计或分体设计。分体设计方案是，乘员眼位水平视线略高于发动机整流罩13，每个座位的乘员窗户7设计弧形结构并向上打开，乘员舱门1设计平面结构并在机身2侧壁打开，在机身2侧面设计乘员上下通道的方案，也适用于跳伞训练，或空投人员的应用。参见附图1。驾驶员或教员座位的驾驶系统可按照通航飞机的设计传统布置在前端左侧，或设计在右侧，以及在每个座位特别设计驾驶系统以便更多乘员可分配驾驶体验。

为增加乘员体验，可以给乘员显示飞行过程的有关参数或图表，包括发动机参数，飞行参数，航行态势，航线地图。

单发飞行的状态属于风险状态，由机载驾驶系统自动转换，或由被授权的机上驾驶教员转换，也可以设计为由地面人员转换。单发飞行主要用于单发空中停车且重启失败后，由另一台发动机以单发状态飞抵机场着陆。

为缩短自旋翼机的起飞离地距离，可以为自旋翼机设计或配置在地面起飞阶段使用的起旋辅助机构或设备，可设计通过机载的驾驶系统自动控制来使用，或由地面人员辅助操作来使用。

实施例2，农林植保无人机状态

一种双发布局的自旋翼机，设计方案参考实施例1。本实施例的设计方案是，改装设计为农林植保专用的无人驾驶状态的自旋翼机，简称喷洒无人机，或喷洒机。

喷洒无人机由驾驶系统控制飞行，地面人员使用地面站监视操作飞行和喷洒作业，针对用于农林植保的自旋翼机需要超低空长时间作业，会遇到大风或乱风的干扰，为保证超低空飞行不会危险触地，可以在机载驾驶系统中增加如测高雷达，或测高激光雷达，或测高超声波雷达，以便飞行高度的控制偏差能够保持在航线安全偏差之内，或进行单边偏差控制，而避免触地危险。详细设计的控制率应该细化高度变化的淡化过程，避免硬性的高度起伏。

自旋翼机的机身结构设计方案可以简化，在机身2上设计装载农药的喷药容器22，喷药容器22可以简便换装及紧固，以便节省农药的装载准备时间。喷药容器22的内部设计防止农药重心快速晃动的隔板及受控流通的连通结构。设计方案配置压力喷洒动力，配置喷管28和喷头。设计方案将喷管28安装在翼型结构29的内部，可以减少飞行阻力且提高喷管28刚度。参见附图6。

喷管28的设计细节包括，增加喷管28刚性的前拉绳20和后拉绳21；为减少停放占地面积，便于外喷管16折叠的连管19。参见附图4和5。该连管19的经济简易设计方案可选用柔性管，包括内部带弹性件，而复杂完善的设计方案可选用带转动关节和控制阀门的连接管。

实施例3，货物快递无人机状态

一种双发布局的自旋翼机，设计方案参考实施例1。本实施例的设计方案是，改装设计为无人驾驶状态的货物快递专用自旋翼机，简称快递无人机，或货运机。根据实施例1，货物运输重量可达600kg。适合物流末端的生鲜、药品、厂际零部件等定点航班化快递运行。

自旋翼机改装设计为无人机，可用于货物快递，针对快递应用，结构设计方案适应货物的装卸便利进行设计，可选择在机身2两侧布置货物装卸通道，增加货物舱门开敞率。可以采用专用集装箱快捷装卸，军民融合场景均可适用，比如装载武器弹药，或发射投放武器。

驾驶系统的改装设计，主要针对货运，增加全程飞行信息的监控及通信设备，以及联系航管的话音设备，增加机载光电吊舱以监视航线和起降场情况。通过设备的接口设计和连接，新增的或裁剪的子系统可以在驾驶系统中正常运行。

当然，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。

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