基本信息

作品名称:
分布式多元矢量推进系统
大类:
科技发明制作A类
小类:
机械与控制
简介:
分布式多元矢量推进系统是一套多联动的动力系统。控制机构精确的改变每一个动力单元的推力矢量的大小和方向,通过分布在机身上的多个动力单元的联动可以将几个推力矢量合成为一个控制力和一个力偶,从而达到对飞机姿态和和航向的独立控制,并完成垂起、悬停、平飞巡航、急停、零半径转弯等动作,既能够垂直起降,又能够快速前飞,还可以进行任意姿态悬停,克服了旋翼飞机欠驱动和欠稳定的不足,以进出狭窄空间并完成复杂任务。
详细介绍:
从人类发明飞行器开始,我们就渴望更自由的飞行。从前置式螺旋桨推进系统到现在的二元矢量推进,从单旋翼的直升机到现有的多旋翼的小型飞行器。基于飞行器发展的趋势,我们希望能在更高的自由度层面去控制飞机,由此提出了一种全新推进理念——分布式多元矢量推进。在飞行器上分布多个独立的矢量动力单元,基于矢量合成原理,对飞行器产生控制力以及控制力偶,可以分别对飞行器的飞行轨迹以及飞行姿态实现全部的直接力控制。整套系统的核心是一套多联动动力系统,将飞行的姿态与飞行意图输入到所建立的力学控制模型中(此模型正在申请专利)进行解算,即可得出每个独立矢量动力单元的矢量角以及推力大小,再过中央控制系统实时控制整套输出信号,就能够合成并且操控这对合力及力偶,从而操控整架飞行器。通过主动力及力偶控制飞行器可赋予飞行器更快的响应速度和更高的灵活性,并可以对来流进行主动补偿,使之可在更复杂的气流环境下飞行。同时,力及力偶的再合成使我们能在更高的自由度层面上完成对飞行器的控制,实现航迹和姿态的分离控制,让飞机的飞行能够更加自由。 目前常规飞行器采用的动力推进形式一般分为螺旋桨和喷气式推进,而这两种单方向的推进形式都不具备能够直接控制飞行器姿态以及航迹的能力,都必须借助飞行器舵面等其他外形结构来完成机动动作。本项目主要研究的分布式多元矢量推进系统能够克服常规飞行器动力系统不能够单独控制飞行姿态的缺点,通过分布在机身上的动力单元的联动将多个推力矢量合成为一个控制力和一个力偶,从而达到对飞行器姿态和和航向的独立控制。本系统具备的多个双轴全方向矢量推进单元为实现飞行器超高的全矢量机动性能提供了保证,每一个动力单元都由两套独立的伺服系统进行控制,所以当需要平衡外界扰动或是想某一方向加速时只要启动伺服机构,让整个动力系统进行倾转而改变推力的角度就可以实现,相对于利用差速倾转整个机身的三轴飞行器来说多元矢量推进系统有诸多优势。其一,推力方向和机体相对独立,所以飞行方向和飞行姿态就互不影响。在载人飞行时会给驾乘者提供更加舒适人性化的驾乘体验,并能减小驾驶难度,减少训练时间。其二,由于机体的转动惯量远大于动力单元的转动惯量,就使三轴飞行器的响应时间远大于多元矢量推进系统,这种响应滞后有可能是致命的。而与之相反的,多元矢量推进系统不论是悬停还是机动都能对外界扰动迅速做出精确的反馈调节,在极大地提高了安全系数的同时也加强了机动性。其三,三轴飞行器由于差速控制本身的性质使其对飞机倾角的控制极难做到精确定量,再加之外界扰动、传感器精度等各类不确定因素的耦合影响,极大降低了稳定性。多元矢量推进系统的伺服机构通过PWM信号控制倾转角度可控制在-0.07到+0.07范围内,通过编程还可以使偏转方式函数化,进一步提高其稳定性。其四,与传统的多旋翼飞机相比,多元矢量推进系统的悬浮模式可以达到与其完全相同的飞行效果,但是多元矢量推进系统在其他模式下的许多能力特别是比肩固定翼飞机的巡航能力是普通旋翼机根本无法比拟的。多元矢量推进系统的悬浮模式吸收了旋翼机精准稳定的控制策略,运用差动进行微调以及平移,具备旋翼机的全部能力,以便于在目标周围长时间执行任务,弥补固定翼飞机难以形成持续支援的不足。但是与普通多旋翼通过差动来运动和平衡不同,多元矢量推进系统通过倾转函道来获得向前的推力并依赖气动外形来获得升力,从而保证了多元矢量推进系统具有和固定翼飞机同样的巡航效率和飞行速度。因此,与同等旋翼机相比多元矢量推进系统具有更大的任务半径和更快的反应速度。通过精确控制每一个矢量动力单元和动力信号实时交互,可以精确调整飞行器运动姿态和轨迹。分布式多元矢量系统中结合分布式的动力布局特点改进了飞行器的控制方式,克服了旋翼飞机欠驱动性和欠稳定性等问题,实现了飞行器空中多姿态悬停的高机动性动作。 搭载分布式多元矢量推进系统的飞行器可以适应复杂的飞行环境,操控灵活,可以在苛刻的条件下起飞,并且在狭小复杂的环境中飞行。在民用领域,可以在安保反恐、灾后搜救及城市物流等方面发挥作用;在军事领域,可以为敌营侦察、城市巷战等方面提供有力支持。分布式多元矢量推进系统起飞不依赖场地条件,可以实现任意姿态起飞、降落及悬停,特别适合城市复杂狭小地形与特殊战场环境起降,并可以以稳定姿态执行探索、监视及侦查任务。执行任务时分布式多元矢量推进系统可以实现任意飞行姿态平稳飞行,姿态调整快速灵活,并可以实现快速启动及停车,因此其可以在城市狭小街道甚至建筑物内部进行高效飞行,同时对于丛林、城镇及废墟等战场环境,也能高效完成任务。分布式多元矢量推进系统气动飞行效率效能比高,机动性和适应性更好,可以达到旋翼机不能达到的巡航半径和速度,因此可以拥有更大的任务执行覆盖面积。安装分布式多元矢量推进系统的飞行器,不管是民用还是军用领域,不管是执行运输任务还是在侦查任务,都将具有更加宽广应用前景。
获奖情况:
二等奖

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