一种积木式空中组合/分离无人飞行器的制作方法

本发明设计一种飞行器，具体来说是一种以高气动效率组合体构型巡航飞行，以机动灵活单体构型执行核心任务的可空中组合/分离的积木式无人飞行器。

背景技术：

飞行器“蜂群”是指将多种任务载荷的低成本小型飞行器基于开放式体系架构进行综合集成，以通信网络信息为中心，以系统的群智涌现能力为核心，以平台间的协同交互能力为基础，以单平台的节点作战能力为支撑，构建具有抗毁性、低成本、功能分布化和智能特征的作战体系。“蜂群”一般具有行为主体的简单性、组织结构的分布式和集群系统的智能化等特征，每个飞行器遵循简单的行为规则，仅具备局部的感知、规划和通信能力，并针对外部环境做出简单的反馈行为，整个“蜂群”系统中不存在中心节点，通过个体间的信息交互而实时改变自身的行为模式，以适应复杂的动态环境，而且整个系统具有较强的鲁棒性，不会因为某个或部分个体的故障而对整体造成影响，系统通过调整个体状态来增强群体的生存能力，能够通过环境反馈的状态适应性地改变自身行为，实现策略、经验的学习，通过良好的自组织行为和智能自主行为解决较为复杂的问题，实现较复杂的任务。

飞行器“蜂群”的典型作战模式为利用大型陆海空平台搭载大量飞行器，在特定区域释放或发射，形成战斗集群，通过自主协同和数据共享，实现飞行控制、态势感知、目标分配和智能决策，遂行集群系统侦察、电子干扰、网络战、网电复合瘫痪、集群轰炸、联动侦察打击等作战任务。主要分为侦察探测模式及攻击模式。

目前采用大型载机作为载运工具，将小尺寸“蜂群”飞行器运送到作战区域，释放“蜂群”飞行器，飞行器单体完成核心作战任务。“蜂群”飞行器可能发动自杀式的攻击，或者完成任务后“自毁”，少有回收；正在探索研究的载机回收方式技术难度很高，技术成熟度很低。这种使用方式，一方面载机运送成本高昂，另一方面载机将长时间处于高风险区域。

不得不采用这种使用模式的原因，是现有“蜂群”飞行器自身尺寸限制了翼展、载油量等，导致其航程较短。

技术实现要素：

为了解决上文中提到的“蜂群”小型飞行器面临的气动效率低、航程短的天生技术缺陷，本发明提出一种积木式空中组合/分离无人飞行器，各小型飞行器能够自由进行组合及分散，从而达到提升气动效率、扩展使用场景的目的。

本发明积木式空中组合/分离无人飞行器，由多个飞行器单体构成，每个飞行器单体结构相同，可自主飞行；在多个飞行器单体飞行过程中，通过飞行器单体的自主对接，构成大展弦比飞行器。

飞行器单体为左右对称飞翼结构，具有左侧翼、右侧翼与对接机构；左侧翼与右侧翼的前缘设计为柱面凸起，后缘设计为柱面凹进，两者间形成配合接触面。

对接机构包括软索、锥套、对接头与捕获锁紧机构。软索安装于飞行器左侧翼与右侧翼后部的软索舱内；软索的对接端安装有锥套。对接头为可伸缩接头，安装于左侧翼与右侧翼前部。锥套内设计有捕获锁紧机构，对接头插入锥套后触发捕获锁紧机构，实现锥套与对接头间的锁紧固定。

连接锁紧装置，包括连接口，连接头与连接锁紧机构。其中，连接口开设于飞行器左侧翼与右侧翼后部，连接口内设计有连接锁紧机构。连接头为可伸缩接头，安装于飞行器左侧翼与右侧翼前部；连接口内设计有连接锁紧机构，连接头插入连接口后触发连接锁紧机构，实现连接头与连接口间的锁紧固定。

上述结构飞行器单体间根据对接方案实现分批对接，对接分为捕获、拉近、定位与连接四个过程：

捕获过程为：令两架飞行器分别为飞行器a与飞行器b，其中飞行器b为被捕获飞行器；当飞行器b飞行到达飞行器a的左后或右后方时，开始进行捕获作业；此时控制飞行器a靠近飞行器b一侧的软索舱内的软索伸出，同时控制飞行器b靠近飞行器a一侧对接头伸出；进一步控制软索伸长，使对接头插入锥套内，并触发捕获锁紧机构，由捕获锁紧机构实现锥套与对接头间的固定，完成飞行器b的捕获作业。

拉近过程为：捕获作业完毕后，控制飞行器a的软索收回软索舱，过程中飞行器b向飞行器a靠近，完成拉近作业。

定位过程为：当飞行器b靠近飞行器a一侧翼前缘凸起与飞行器a靠近飞行器b一侧翼后缘凹进紧密贴合，完成定位作业。

连接过程为：定位作业完毕后，控制飞行器b侧翼前缘的连接头伸出飞行器b，插入到飞行器a侧翼后缘的连接口内，当插入到一定深度触发连接锁紧机构，实现连接头与连接口间的锁紧，完成两飞行器的连接作业；至此完成了两架飞行器单体间的一次完整的对接过程。

对接完毕后的飞行器单体间的分离分为解锁、释放与脱离三个过程：

解锁过程为：控制飞行器a侧翼后部的连接口内连接锁紧机构解锁，进一步控制飞行器b侧翼前部的连接头收回飞行器b，完成两飞行器间的解锁作业。

释放过程为：解锁作业完毕后，控制飞行器a的软索从软索舱内伸出，过程中飞行器b自身阻力增加，与飞行器a间产生速度差，逐渐远离飞行器a，至此完成释放作业。

脱离过程为：释放作业完毕后，控制锥套内的捕获锁紧机构解锁，随后控制飞行器b的对接头收回飞行器b，此时飞行器b脱离飞行器a，随后进一步控制飞行器a的软索收回至软索舱内，至此脱离作业完毕。

本发明的优点在于：

1、本发明积木式空中组合/分离无人飞行器，使得多个小型飞行器能够在升空后自主对接成具有更高飞行效率的大展弦比飞行器，经过长时间巡航到达指定目的地后重新分散，提高了气动效率，解决了“蜂群”飞行器航程短的问题，使其兼备小型“蜂群”飞行器的灵活性以及大型飞行器的长航程，从而大幅度提升飞行器的任务多样性及场景适应性。

2、本发明积木式空中组合/分离无人飞行器，在保持集群飞行器单体小尺寸低成本机动灵活优势的基础上，不需载机运送即可实现长途奔袭，完成核心任务后可自行返航。

附图说明

图1为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器单体构型结构示意图。

图2为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合后构型图。

图3为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第一批无人飞行器单体对接方案示意图。

图4为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第二批无人飞行器单体对接方案示意图。

图5为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第三批无人飞行器单体对接方案示意图。

图6为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第四批无人飞行器单体对接方案示意图。

图7为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第五批无人飞行器单体对接方案示意图。

图8为本发明积木式空中组合/分离无人飞行器组合过程中第六批无人飞行器单体对接方案示意图。

图中：

1-左侧翼2-右侧翼3-涵道

4-电动风扇5-软索舱6-对接头

7-连接口8-连接头

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明积木式空中组合/分离无人飞行器，由多个飞行器单体构成，每个飞行器单体结构相同，可自主飞行；在多个飞行器单体飞行过程中，通过飞行器单体的自主对接，可构成大展弦比飞行器，提高巡航升阻比。

如图1所示，所述飞行器单体为左右对称飞翼结构，具有左侧翼1、右侧翼2、涵道3、对接机构与连接锁紧装置。其中，左侧翼1与右侧翼2横截面均为等边三角形，左侧翼1与右侧翼2的翼根间相对接，构成整体飞行器的菱形平面形状，前缘后掠角30°，由内部骨架支撑整体外形。

上述左侧翼1与右侧翼2内，沿飞行器纵向设计有涵道3，涵道3内安装有电动风扇4，电动风扇4在涵道3轴向上的具体安装位置，由飞行器性能和重心匹配等具体要求确定。左侧翼1与右侧翼2的前缘设计为r50的柱面凸起，后缘设计为r50的柱面凹进，两者间形成配合接触面。左侧翼1与右侧翼2前缘和后缘布置若干射流喷气孔，通过涵道3引气产生射流或在飞行器内部安装射流发生装置吸气压气产生射流，经射流喷气孔喷出，由此使单体飞行器采用基于射流/环量控制的操控方式，通过喷射气流的方式实现飞行器单体的俯仰、滚转、偏航姿态的稳定和操纵。

所述对接机构可采用类似软管式空中加油系统的对接机构，包括软索、锥套、对接头6与捕获锁紧机构。其中，软索安装于飞行器左侧翼1与右侧翼2靠近后缘的对称位置设计的软索舱5内；软索的对接端安装有锥套，锥套内设计有捕获锁紧机构，且在软索收回软索舱5内时，锥套为闭合状态；在软索伸出软索舱5时，锥套为张开状态。对接头6安装于左侧翼1与右侧翼2靠近前缘位置，对接头6可通过控制收缩入飞行器单体内部，或伸出飞行器单体。由此通过锥套与对接头6配合，并触发捕获锁紧机构实现对前来对接的飞行器单体的捕获。

所述连接锁紧装置包括连接口7、连接头8与连接锁紧机构。其中，连接口7开设于飞行器单体的左侧翼1与右侧翼2靠近后缘位置，连接口7内设计有连接锁紧机构。连接头8为圆柱状，滑动安装于飞行器左侧翼1与右侧翼2靠近前缘位置，可通过控制收缩入飞行器单体内部，或伸出飞行器单体。由此在前述飞行器a与飞行器b定位完毕后，通过控制连接头8伸出飞行器b，插入到飞行器a侧翼后缘处的连接口7内，触发连接锁紧机构，实现连接头8与连接口7间的锁紧，完成两飞行器对接后的连接锁定。

上述结构飞行器单体间的对接分为捕获、拉近、定位与连接四个过程：

捕获过程为：令两架飞行器分别为飞行器a与飞行器b，其中飞行器b为被捕获飞行器。当飞行器b飞行到达飞行器a的左后或右后方时，开始进行捕获作业。此时控制飞行器a靠近飞行器b一侧的软索舱5内的软索伸出，同时控制飞行器b靠近飞行器a一侧对接头6伸出；进一步控制软索伸长，使对接头6插入锥套内，并触发捕获锁紧机构，由捕获锁紧机构实现锥套与对接头6间的固定，完成飞行器b的捕获作业。

拉近过程为：捕获作业完毕后，控制飞行器a的软索收回软索舱5，过程中飞行器b向飞行器a靠近，完成拉近作业。

定位过程为：当飞行器b靠近飞行器a一侧翼前缘处凸起与飞行器a靠近飞行器b一侧翼后缘处凹进紧密贴合，此时固定在一起的捕获锥套与对接接头回收到预定位置，完成定位作业。

连接过程为：定位作业完毕后，控制飞行器b侧翼前缘处的连接头8伸出飞行器b，插入到飞行器a侧翼后缘处的连接口7内，当插入到一定深度触发连接锁紧机构，实现连接头与连接口间的锁紧，完成两飞行器的连接作业。至此完成了两架飞行器单体间的一次完整的对接过程。

对接完毕后的飞行器单体间的分离分为解锁、释放与脱离三个过程：

解锁过程为：控制飞行器a侧翼后缘处的连接口7内连接锁紧机构解锁，进一步控制飞行器b侧翼前缘处的连接头8收回飞行器b，完成两飞行器间的解锁作业。

释放过程为：解锁作业完毕后，控制飞行器a的软索从软索舱5内伸出，过程中飞行器b自身阻力增加，与飞行器a间产生速度差，逐渐远离飞行器a，至此完成释放作业。

脱离过程为：释放作业完毕后，控制锥套内的捕获锁紧机构解锁，随后控制飞行器b的对接头6收回飞行器b，此时飞行器b脱离飞行器a，随后进一步控制飞行器a的软索收回至软索舱5内，至此脱离作业完毕。

本发明积木式空中组合/分离无人飞行器，多个飞行器单体同时分散起飞或先后起飞，当各个飞行器单体飞行到合适高度时，中央控制计算机发出对接指令，根据预设的对接方案，进行分批对接。首次对接时，以对接方案中设定的目标飞行器作为基体飞行器a，设定的第一批对接飞行器从基体飞行器左后方和右后方向基体飞行器a靠近，当靠近到预设距离时，开始进行对接控制，至此完成首批对接飞行器与基体飞行器a间的对接，构成的整体作为下次对接的基体飞行器b。随后中央控制计算机再次发出对接指令，此时根据对接方案中设定的基体飞行器b中一架或两架飞行器单体作为二次对接的目标飞行器，随后设定的第二批对接飞行器由两架第二次对接的目标飞行器左后方或右后方靠近，当靠近到预设距离时，开始进行对接控制，至此完成第二批对接飞行器与第二次对接的目标飞行器间的对接，构成的整体作为下次对接的基体飞行器c。依此类推，直至全部对接飞行器按照对接方案进行对接完毕，构成大展弦比飞行器。

对接完成后形成的飞行器通过基于射流/环量的飞行操控系统飞往目标区域。当到达目标区域后，中央控制计算机发出分离指令，按照预设的分离方案，以对接过程的逆顺序实施分批分离。分离后的飞行器按照自身的控制指令飞离一定距离待机或执行任务。其它欲分离飞行器按照预定的顺序逐个脱离基体飞行器，直到全部分离完毕。在分离的过程中，同步进行单体飞行器的通信组网，多个单体飞行器以组网形式执行任务。当任务执行完毕后，重复对接过程，对接完毕后，飞回基地区域，到达预定区域后，重复分离过程，各小尺度飞行器以伞降方式着陆回收。

根据飞机的基本特性，决定飞行器航程的两大因素分别为发动机能量消耗率(或燃油装载量)及巡航升阻比l/d，本发明积木式空中组合/分离飞行器通过将多个小型单体飞行器拼接在一起的方式组成一个大型飞行器，在巡航过程中既可以通过关闭若干单体飞行器的发动机达到降低能量消耗的效果，又因为拼接后形成大型飞行器使得展弦比增大和平面形状改变提高巡航升阻比，进而从根本性的解决了小型“蜂群”飞行器气动效率低、航程短的重大缺陷，而在到达指定目的地之后重新分散为多个小型飞行器，同时保证了其拥有小型“蜂群”飞行器的特有优势。

上述飞行器内部具有航电-飞控综合控制计算机，用于根据中央控制计算机发出的指令，实现在对接与分离过程中的飞行器控制，以及对接前与分离后各飞行器的飞行控制。

实施例：

执行任务飞行器为21架，飞行器采用分散起飞方式，当飞行器到达设定飞行高度时，中央控制计算机发出对接指令，根据预设的对接方案，进行分批对接，形成如图2所示大展弦比飞行器，具体构型为：三架飞行器单体由前至后同轴，为大展弦比飞行器的中轴；由前至后各架飞行器两侧各串联6架飞行器单体、3架飞行器单体、0架飞行器单体。

对接方案如下：

对飞行器进行编号为1～21号飞行器单体，其中，1号飞行器单体为初始基体飞行器，2、3号飞行器单体为第一批对接飞行器。

如图3所示，中央控制计算机发出第一批飞行器对接指令后，2、3号飞行器单体飞行至1号飞行器单体左后方与右后方，随后完成与1号飞行器单体间的对接。

如图4所示，中央控制计算机发出第二批飞行器单体对接指令，4号飞行器单体飞行至由2号飞行器单体与3号飞行器单体相对侧翼之间位置，同时5号飞行器单体与6号飞行器单体分别飞行至2号飞行器单体左后方与3号飞行器单体右后方；随后完成4号飞行器单体与2号飞行器单体和3号飞行器单体间同时对接、5号飞行器单体与2号飞行器单体的对接，以及6号飞行器单体与3号飞行器单体间的对接。

如图5所示，中央控制计算机发出第三批飞行器单体对接指令，7号飞行器单体飞行至4号飞行器单体与5号飞行器单体相对侧翼之间位置，8号飞行器单体飞行至4号飞行器单体与6号飞行器单体相对侧翼之间位置，9号飞行器单体与10号飞行器单体分别飞行至5号飞行器单体左后方与6号飞行器单体右后方；随后完成7号飞行器单体与4号飞行器单体和5号飞行器单体间同时对接、8号飞行器单体与4号飞行器单体和6号飞行器单体间同时对接、9号飞行器单体与5号飞行器单体间的对接，以及10号飞行器单体与6号飞行器单体间的对接。

如图6所示，中央控制计算机发出第四批飞行器单体对接指令，11号飞行器单体飞行至7号飞行器单体与8号飞行器单体相对侧翼之间位置，12号飞行器单体飞行至8号飞行器单体与9号飞行器单体相对侧翼之间位置，13号飞行器单体飞行至9号飞行器单体与10号飞行器单体相对侧翼之间位置，14号飞行器单体与15号飞行器单体分别飞行至7号飞行器单体左后方与10号飞行器单体右后方；随后完成11号飞行器单体与7号飞行器单体和8号飞行器单体间同时对接、12号飞行器单体与8号飞行器单体13号飞行器单体与9号飞行器单体和10号飞行器单体间同时对接、14号飞行器单体与7号飞行器单体间的对接，以及15号飞行器单体与10号飞行器单体间的对接。

如图7所示，中央控制计算机发出第五批飞行器单体对接指令，16号飞行器单体飞行至11号飞行器单体与14号飞行器单体相对侧翼之间位置，17号飞行器单体飞行至13号飞行器单体与15号飞行器单体相对侧翼之间位置，18号飞行器单体与19号飞行器单体分别飞行至14号飞行器单体左后方与15号飞行器单体右后方；随后完成16号飞行器单体与11号飞行器单体和14号飞行器单体间同时对接、17号飞行器单体与13号飞行器单体和15号飞行器单体间同时对接、18号飞行器单体与14号飞行器单体间的对接，以及19号飞行器单体与15号飞行器单体间的对接。

如图8所示，中央控制计算机发出第六批飞行器单体对接指令，20号飞行器单体与21号飞行器单体分别飞行至18号飞行器单体左后方与19号飞行器单体右后方；随后完成20号飞行器单体与18号飞行器单体间对接，以及21号飞行器单体与19号飞行器单体间对接。

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