一种复合翼eVTOL飞行器关键性能提升设计方法

在城市化进程加速与低空交通需求激增的当下，电动垂直起降飞行器(eVTOL)作为未来城市空中交通的关键载体，受到了广泛关注。多旋翼飞行器凭借其垂直起降能力和灵活的操控性，成为eVTOL研发的主流方向。

然而，随着飞行器向载人、重载方向发展，对其安全性、稳定性、操控效率及气动性能的要求愈发严苛。传统多旋翼设计在旋翼布局、动力分配、故障冗余等方面逐渐显现局限性，难以满足复杂飞行场景的需求。在此背景下，本文研发的“带悬臂安装旋翼的多旋翼飞行器”通过创新的结构设计与控制系统，为解决现有技术痛点提供了全新思路，推动多旋翼飞行器向更安全、高效、可靠的方向发展。

传统多旋翼飞行器在实际应用中面临诸多技术挑战，这些问题制约了其在载人运输、城市物流等场景的规模化应用。

首先，安全性隐患突出。传统多旋翼的旋翼多采用水平安装方式，其旋转平面往往靠近机身或乘员舱。当旋翼发生故障(如叶片断裂)时，离心力可能导致碎片直接撞击机身或乘员区，造成严重安全事故。此外，旋翼高速旋转产生的气流干扰(如桨尖涡)可能影响机身结构稳定性，尤其在低空复杂气流环境中，易引发振动或操控失稳。

其次，操控效率与动力分配不合理。多旋翼飞行器通常通过调节不同旋翼的转速实现姿态控制(滚转、俯仰、偏航)，但当旋翼数量超过6个自由度时，传统控制算法难以实现动力的最优分配。例如，在悬停或侧风条件下，部分旋翼可能长期处于高负荷状态，导致能源浪费和电机损耗，同时降低了飞行器的续航能力。此外，传统控制系统对传感器数据的实时处理能力有限，难以快速响应突发故障(如单个旋翼失效)，易引发姿态失控。

再次，气动性能欠佳。传统布局中，旋翼与机翼、机身的相对位置设计不合理，前飞时易产生气流分离现象。例如，旋翼下洗气流与机翼表面气流相互干扰，导致机翼升力损失；机身与旋翼之间的气流紊乱则增加了飞行阻力，降低了气动效率。尤其在高速前飞阶段，这种干扰会显著增加能耗，缩短续航里程。

最后，故障冗余能力不足。传统多旋翼虽采用多旋翼设计实现一定冗余，但缺乏系统性的故障应对机制。当单个旋翼或控制面失效时，剩余执行器难以快速补偿力矩损失，可能导致飞行器失稳。例如，若一侧旋翼失效，传统系统可能通过过度提升对侧旋翼转速来平衡力矩，这不仅增加了能源消耗，还可能因超出电机负荷引发二次故障。此外，控制算法对故障的自适应调整能力较弱，难以在复杂环境下维持稳定飞行。

该多旋翼飞行器(200)的核心创新在于采用“机翼-悬臂-旋翼”一体化布局，通过模块化设计实现安全性、操控性与气动性能的协同优化。如图2A所示，飞行器主体包括机身(202)、左侧机翼(204)、右侧机翼(204)，左右机翼对称分布于机身两侧，可采用一体化翼型结构以减少空气阻力。每个机翼下方安装3个悬臂(206)，共6个悬臂，每个悬臂的前端和后端分别安装升力旋翼(208)，形成“前6后6”共12个升力旋翼的布局。机身尾部设有推进螺旋桨(210)，用于提供前飞动力；尾翼结构由尾梁(212)连接，配备升降舵(216)和方向舵(218)，辅助姿态控制；机翼后缘安装4个副翼(214)，增强滚转控制冗余。

图2A 是说明具有倾斜旋翼的多旋翼飞行器一种实施例的框图

此结构设计的优势在于：

1. 旋翼分散布局减少了单点故障风险，12个升力旋翼通过独立驱动实现动力冗余；

2. 悬臂与机翼的刚性连接提升了整体结构强度，可承受复杂气流下的气动载荷；

3. 推进螺旋桨与升力旋翼的功能分离，前飞时升力主要由机翼提供，降低了旋翼能耗。

悬臂(206)的角度设计是解决安全性与操控性的关键。如图2B所示，悬臂相对于飞行器垂直轴(Z轴)呈非零角度倾斜，具体分为：

1. 最外侧悬臂：向远离机身方向倾斜(外倾)，倾斜角度为θ1，其旋翼旋转平面远离机身，避免碎片撞击；

2. 中间与内侧悬臂：向靠近机身方向倾斜(内倾)，倾斜角度为θ2和θ3，确保旋翼旋转平面不与乘员舱(机身前部)相交。

图2B 是展示图2A中多旋翼飞行器200正视图的框图

从图2C的侧视图可见，左侧悬臂的外倾与内倾设计形成“梯度布局”，旋翼旋转平面(虚线箭头所示)均避开机身(202)。这种角度设计的安全性逻辑是：即使旋翼发生灾难性故障，碎片的离心轨迹也不会触及乘员区或电池舱(机身中部)，大幅降低事故伤亡风险。

图2C 是说明在具有倾斜旋翼的多旋翼飞行器的

一种实施例中所采用的倾斜旋翼示例的框图

此外，角度设计还提升了操控灵活性。如图2E所示，每个升力旋翼(208)因倾斜产生侧向力分量(Fy1-Fy12)，这些力分量与旋翼安装位置(相对于重心220的X轴距离x1、x2)形成绕Z轴的力矩。例如，左侧后旋翼的侧向力Fy1产生逆时针力矩，右侧后旋翼的Fy4、Fy5产生顺时针力矩，通过调节不同旋翼的推力，可精确控制偏航姿态。这种设计突破了传统多旋翼依赖旋翼差速控制偏航的局限，尤其在悬停或低速飞行时，无需消耗额外升力即可实现偏航调整，降低了能耗。

图2E 是说明在具有倾斜旋翼的多旋翼飞行器的一种实施例中，

倾斜旋翼能够产生的力和力矩示例的框图

如图1所示，飞行控制系统(100)采用“感知-决策-执行”闭环设计，核心包括：

1. 控制输入源(102)：接收飞行员操作指令或自动驾驶系统的路径规划信号，输出期望的滚转、俯仰、偏航速率及 altitude 指令(104)；

2. 控制器(106)：融合传感器数据(118，如风速、姿态、旋翼状态)，将指令转换为所需的力和力矩(108，如Fx、Fy、Fz及Mx、My、Mz)；

3. 在线优化器/混合器(110)：基于力和力矩需求，动态计算各执行器(升力旋翼、副翼、尾翼等)的最优输出参数(112，如旋翼转速、舵面偏转角度)，优化目标包括最小能耗、平滑过渡及故障冗余；

4. 执行器(114)：根据参数指令动作，实现飞行器姿态调整。

图1 是说明飞行控制系统一种实施例的框图

该系统的核心优势在于动态适应性：

飞行器通过多层级冗余设计提升可靠性：

1. 执行器冗余：4个副翼(214)中任一失效后，剩余3个仍可实现滚转控制；升降舵(216)和方向舵(218)均采用双备份设计；12个升力旋翼支持“N-1”故障(单个失效)，通过对称位置旋翼关停(如左前外旋翼失效时，右后外旋翼同步关停)维持力矩平衡。

2. 控制系统冗余：传感器(116)采用多源融合方案，包括IMU、GPS、气压计及视觉传感器，避免单点感知失效；控制器(106)具备双核心热备份，确保指令处理连续性。

3. 动力冗余：电池系统采用多组并联设计，单组电池故障时，剩余电池可维持关键系统供电30分钟以上，为应急着陆争取时间。

故障应对流程以升力旋翼失效为例：传感器检测到某旋翼转速异常→在线优化器(110)将该旋翼标记为“不可用”→重新计算剩余旋翼的推力分配，通过调整对称位置旋翼的侧向力分量补偿力矩损失→控制器(106)发出姿态微调指令，维持飞行稳定→同时向飞行员或自动驾驶系统发送故障告警，建议就近着陆。

为降低前飞阻力，旋翼与机翼的气动布局经过流线型优化：

1. 旋翼前倾设计：如图2F所示，升力旋翼(208)向前倾斜一定角度，其旋转平面与前飞气流方向一致。结合图2G的气流分析，前飞时气流(242)可沿旋翼表面平滑流过，减少气流分离；部分气流(244)从机翼下方通过，经旋翼加速后形成“气流增益”，提升机翼升力。

2. 机翼上反角设计：机翼(204)从机身向外侧略微上翘，减少侧风对机身的扰动，同时降低旋翼下洗气流对机翼表面压力分布的影响。

3. 尾梁与尾翼整合：尾梁(212)采用流线型截面，尾翼(216、218)与机身气流过渡平滑，降低尾部湍流强度。

图2G 是展示图2A中多旋翼飞行器200侧视图的框图

图2F 是展示图2A中多旋翼飞行器200侧视图的框图

这些设计使飞行器在巡航速度(约120km/h)下的气动效率较传统多旋翼提升40%以上，续航里程延长至160km，满足城市间短途运输需求。

该飞行器支持三种核心操作模式，通过控制系统自适应切换：

1. 垂直起降/悬停模式：12个升力旋翼(208)全功率运行，提供垂直升力；推进螺旋桨(210)停转；通过调节旋翼侧向力分量(图2E)控制偏航，副翼(214)辅助滚转。此模式适用于起降阶段，依赖冗余旋翼实现高精度悬停。

2. 过渡飞行模式：随着前飞速度提升，推进螺旋桨(210)逐步启动，机翼(204)开始产生升力；升力旋翼(208)转速降低，前倾角度保持气流适配；控制系统动态分配升力来源(旋翼与机翼)，确保平稳过渡。

3. 巡航模式：机翼(204)承担主要升力，升力旋翼(208)维持低转速以抵消机身阻力；推进螺旋桨(210)提供持续前飞动力；副翼(214)和尾翼(216、218)主导姿态控制，能耗降至最低。

针对城市复杂环境，系统还具备以下功能：

该专利技术通过结构、控制与气动的多维度创新，系统性解决了传统多旋翼的痛点：

1. 安全性：悬臂角度设计从物理层面隔离旋翼故障风险，12旋翼冗余降低失效概率；

2. 操控性：侧向力分量参与偏航控制，提升低风速场景下的姿态精度；

3. 效率：气动优化与动力分配算法减少能耗，延长续航；

4. 可靠性：多层级冗余设计与动态故障应对，满足载人飞行的安全要求。

该技术为eVTOL的工程化应用提供了可落地的解决方案，尤其在城市空中交通、应急救援等领域具有广阔应用前景。未来可通过材料轻量化(如碳纤维悬臂)、电池能量密度提升(如固态电池)进一步优化性能，推动多旋翼飞行器向更高效、更安全的方向发展。

来源：公开信息，要点纵航整理

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