CN102548842A - 飞行器及用于组装具有受控旋转的飞行器的方法 - Google Patents

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Abstract

在其中螺旋桨(2)用于在弯曲的顶盖(1)上引导径向空气喷流的类型的飞行器中，顶盖被成形为将空气流动从径向方向转向到轴向方向以生成升力。从螺旋桨流动的空气趋向于根据其速度而在顶盖表面上遵循复杂的旋转轨迹而不是笔直的路径，且本发明由旋转运动可在升力上具有不利影响这一命题引起。本发明建议使用机翼控制表面(6)，其在升力生成表面(1)的上游并远离径向方向朝向从推进器流出的流体流动方向或与之一致或在其之外而倾斜。通过使用本发明，流体流动可以在到达升力生成表面之前从具有周向分量的方向朝径向方向重新定向。由此发现可能提高升力并还可能防止反向旋转。

Description

飞行器及用于组装具有受控旋转的飞行器的方法
发明领域
本发明涉及设计为运动通过流体表面或在流体表面上运动的飞行器。其被认为主要地关于空中飞行器和导弹来使用，但是支持本发明的理论可等同地用于例如潜艇。
发明背景
本发明出现在螺旋桨用于在弯曲的顶盖上引导空气径向喷流的类型的飞行器设计中。顶盖成形为使气流从径向方向转向为轴向方向以产生升力。本发明涉及增加升力的问题。
例如从US5203521中知道，在此类型的推进装置中，螺旋桨的转动也趋向于产生顶盖的不想要的转动。US5203521涉及具有上部导流器的航空器，导流器将空气从螺旋桨导流到环状主体上。导流器通过形成扰流板的间隔件或支柱支撑在环状主体上，扰流板设计为向来自螺旋桨的空气提供运动的周向分量以抵消由推进器引起的旋转。因为US5203521假定来自螺旋桨的空气遵循径向方向，所以扰流板或支柱具有倾斜的上游部分，如果远离径向，则在与流动方向相反的方向上。
在US5803199中，不需要的转动使用位于顶盖的升力生成表面上的调整叶片抵消。
更近地，如WO/2006/100526中所述，已经意识到，从螺旋桨流动的空气往往会根据其速度而在顶盖表面上遵循复杂的旋转轨迹，而不是在竖直轴向平面内的笔直路径。WO/2006/100526描述了一种技术，通过该技术，此现象与顶盖上的垂直尾翼结合可用于防止上述的反向旋转。
发明概述
本发明由上述旋转运动可能对升力具有不利影响这一命题引起。
根据本发明的第一方面，提供一种柯恩达飞行器(Coanda craft)，其包括用于产生流体喷流的推进器和用于引起喷流流过升力生成表面的机构，升力生成表面被成形和设置成引起喷流从径向方向朝轴向方向转向，飞行器包括机翼控制表面和用于调节后者以防止或控制推进装置(vehicle)的旋转的机构，其特征在于，机翼控制表面的至少一部分定位在升力生成表面的上游，且机翼控制表面的上游部分远离径向方向朝向从推进器流出的流体的流动方向或与从推进器流出的流体的流动方向一致或在从推进器流出的流体的流动方向之外而倾斜。
通过使用本发明，流体流动在到达升力生成表面之前从具有周向分量的方向朝径向方向重新定向。由此发现可能提高升力并还可能防止反向旋转。
还已经发现，使叶片定位在上游允许使用比当叶片定位在升力生成表面上的下游时所需的小的叶片运动来实现转动作用的控制。
需要在较大数目的机翼控制叶片(以最大化其在将气流朝着径向方向转向上的效率)和较小的数目(以最小化阻力)之间作出平衡。可能存在一些情形，在这些情形中最好使相对小数目的叶片成形为将流动转向至径向并超过径向，以补偿其减小的数目。
在本发明的优选实施方式中，飞行器包括关于推进器周向延伸以限定推进器位于其中的管道的护罩。叶片可执行双重功能，作为将护罩支撑在限定升力生成表面的顶盖上的支柱。
为了旋转叶片的铰接部分，飞行器可能设有致动系统，致动系统可以是带驱动的，其中每个铰接叶片具有带接合机构以与带接合。
致动系统可包括设置为驱动不同组叶片的多条带。带可用于控制围绕顶盖有选择地隔开的叶片，使得在一条带驱动失效的情形下，飞行器仍然可以具有充分的稳定性以安全着陆。在叶片用于控制俯仰(pitch)和滚动的地方，多组叶片可限制到顶盖的不同部分。
附图简述
本发明现将参照附图通过示例的方式描述，其中：
图1是垂直起飞航空器的透视图；
图2是图1垂直起飞航空器的透视切断视图；
图3A和3B是具有和不具有叶片6的垂直起飞航空器的平面图；
图4是图1航空器的侧正视部分剖面图；
图5是垂直起飞航空器的透视图，其中铰接叶片使用带驱动操作；
图6是图5所示飞行器的放大视图，其中去除了护罩；
图7是飞行器的平面图，阐示叶片的放置以实现飞行器的滚动或俯仰；
图8是叶片盒的透视图；以及
图9是阐示为接收图8叶片盒而成形护罩和顶盖的分解侧视剖面图。
发明详述
参照附图，显示具有顶盖1和轴向螺旋桨2的垂直起飞航空器，顶盖1限定双凸曲率的空气动力学表面，在此特定示例中，如图1所示，螺旋桨2逆时针驱动。螺旋桨2通过未阐示的、容纳在顶盖1内的发动机或马达驱动。
护罩3支撑在顶盖的上方并围绕螺旋桨2周向延伸，以限定螺旋桨2容纳其内的管道。空气沿着由线X-X指示的轴线从顶盖的上方吸入螺旋桨2，并如箭头4所示在顶盖的弯曲表面上方作为喷流排出。由于柯恩达效应，喷流遵循顶盖1的弯曲，从螺旋桨的垂直于轴线X-X的平面转向到轴线方向；而且喷流最终在顶盖的下边缘5处从顶盖表面分离。喷流朝着垂直轴线的此转向产生垂直的升力。
由于螺旋桨2的旋转运动，从其排出的空气具有在较大螺旋桨速度时较大的周向速度分量。如图3A所示，此周向分量或旋转角具有从径向方向为θ的大小。
螺旋桨2在逆时针方向的旋转由于反作用而引起倾向于以顺时针方向旋转顶盖1的相应力矩。如果不进行矫正作用，则这将导致顶盖1不受控制地旋转。
关于螺旋桨2周向间隔开的叶片6插入护罩3和顶盖1之间。如图2最清晰地可见的，每个叶片6包括定子叶片6A和铰接叶片6B。定子叶片6A用作支柱，护罩3在其上固定到顶盖1。铰接叶片6B径向远离螺旋桨2地铰接到定子叶片6A的自由端。
如图3B所示，定子叶片6A具有弯曲的轮廓，以限定远离如线Y-Y所示径向方向倾斜的上游部分6C和基本径向的下游部分6D。上游部分6C定向为以在螺旋桨2的退出点且当螺旋桨以其最大运行速度运行时，与旋转角q对齐。如由气流线F所示的效应，即来自螺旋桨的空气被定子6A改变方向，使得其基本径向地通过顶盖1的升力生成部分流动。
使用本领域技术人员已知的方法通过试验可确定的旋转角θ还被发现随着在顶盖表面1上方的距离而变化。这通过选定定向角来说明，该定向角位于顶盖表面处的旋转角和在相应于叶片高度，典型地还是护罩3和顶盖1之间间距的距离处的旋转角之间。试验显示，与径向方向的最佳定向角将依赖于推进器几何形状、旋转速度和定子叶片的径向位置。明显地在零度以上的任意角度将提供优点，但在10°和25°之间且优选地在15°和21°之间在多数情况下有可能是最好的，理解到，目的是使该角度与螺旋桨的旋转角相匹配。
在较低螺旋桨速度时，叶片6的改进性能通过提供具有较宽“泪滴”轮廓的定子6A的前部部分来实现。
此周向升力的强度可通过使用现将描述的调节机构改变叶片的铰接部分6B的位置来调节。
参照图4，光学陀螺仪或压电陀螺仪7产生输出信号，该输出信号指示飞行器关于其轴线X-X相对于其在启动上设定的一些基准方向的旋转速度。这在8处与如操纵机构9所示飞行器想要面对的方向相比较。比较器8的输出是错误信号，该错误信号用于控制容纳在通过控制杆11附接到铰接叶片6B的护罩内的机械致动器10(只显示一个)。每个致动器10在顺时针方向或逆时针方向上驱动与其相关的铰接叶片6B，结果是顶盖被允许以顺时针方向旋转或者适当地在箭头8的相反的逆时针方向上驱动。每个叶片6B以完全相同的方式控制。
图5和6阐示具有带驱动的致动机构的飞行器。飞行器具有顶盖1、螺旋桨2和形成围绕螺旋桨2的管道的护罩3。护罩3通过定子6支撑在顶盖上。如图5中可见，护罩3的壁是弯曲的以形成容纳致动系统的周向通道。护罩3的下边缘设有向上指向的周向唇缘3A。护罩3的上边缘设有向外延伸的周向唇缘3B。板(未示出)可固定到唇缘3A、3B以形成封装致动系统的护罩的外壁。
致动系统包括两个有齿带12A、12B。第一有齿带12A围绕管道并在与间隔的叶片6B相关的轮齿13A上周向运行。第二有齿带12B也围绕管道2、在第一带12A上方并在与间隔的叶片6BB相关的轮齿13B上周向运行。轮齿13A、13B关于杆11A、11B连接到铰接叶片6B、6BB。与轮齿13B相关的杆11B与其紧靠的相邻杆11A相比相对较长，以允许与最上部带12a的接合。
四个马达14，每条带12A、12B两个，围绕管道2定位并大体相同地间隔分开。每个马达14通过马蹄形支撑件15保持在两个叶片6之间，并通过紧固件14C保持到唇缘3A的下侧。
每个马达14包括用于驱动一条带12A、12B的驱动齿轮14A和在驱动齿轮14B的任一侧上隔开的张拉齿轮14B。根据来自比较器8的信号，每个马达14驱动其相关的带，该带引起每个轮齿13A、13B使此通过杆11A、11B正在传送的运动转向，以同时旋转每个铰接叶片6B、6BB。
选择的马达14足够有力，使得单个马达14可独自驱动带12A、12B和一组叶片6B、6BB。第二马达14在一个马达失效的情形下提供备份，使得叶片仍然可以运行。使用多条带意味着飞行器仍然可以充分地控制，以在一个带驱动失效的情形下安全着陆。在不太优选的实施方式中，飞行器可设有单个的马达或每条带单个马达。
如上所述，为了控制偏航，每个铰接部分6B可同时变化相同的量。然而，还设想通过在飞行器不同部分内的叶片6B的选定操作，也可能控制俯仰和滚动，从而不需要定位在顶盖基座上的单独副翼(flap)，而这是用于实现这些运动的现行方法。
如图6所示，当希望飞行器执行俯仰或滚动运动时，飞行器的1/4部分Q1内的叶片6B可朝彼此移动，以在此1/4部分内对顶盖1上方的流体流动产生阻力。同时，在对角相对的1/4部分Q3中的叶片可远离彼此运动，以减小对流动的阻力。这被认为是在飞行器的一侧上比起另一侧导致优先的流体流动，在一侧上产生较大的升力，从而根据所考虑的轴线引起飞行器俯仰或滚动。因为螺旋桨的旋转作用，所以运动被预期在从受控叶片的角度大约90°的方向上发生。通过反转叶片6B的运动，即将Q1中的叶片6B吸引在一起并使Q3中的叶片展开，可以实现相反的运动。根据需要，如上所述Q2和Q4中叶片的运动可用于进行偏航运动。
图7和8涉及其中叶片可以制造并装配到飞行器上的形式。图6示出包括两个共轴圆形板21、22的盒20，在两个共轴圆形板21、22之间插入有可采取如上所述方式的叶片23，但是在图6中没有示出铰接部分。盒20可由任何一种方法形成，例如叶片23和一个或两个板21、22可使用铸造或模制工艺形成为单独的整体件。可选择地，板21、22和叶片23可单独地形成并使用对本领域技术人员来说已知的很多技术中的任何一种机械地连接。
参照图8，顶盖1的上表面和护罩3的下表面形成有板21和22容纳其中的周向凹进部分1A、3A。凹进部分1A、3A的尺寸形成为使得板21A、22A的内表面，即接近叶片的表面分别与顶盖1和护罩3齐平地放置。在飞行器组装期间，板21定位在周向凹进部分1A内。为了将盒固定到飞行器并对其提供精确的对准，形成在板21、22外表面上的暗榫24定位在顶盖1和护罩3中的各个凹进部分1B、3B内。
要理解，以上实施方式只是示例性的。例如，可预期使用径向螺旋桨或其他形式的推进器以产生气流。
定子叶片可能不用于使护罩3支撑到顶盖1，而是使用其他的支柱用于此功能。
可以使用可在马达和叶片之间用作传送件的链、腹板或其他合适的伸长媒介物，而不使用带。权利要求中术语“带”的使用用于包括这些替代物。

Claims (21)

1.一种柯恩达飞行器，包括用于产生流体喷流的推进器和用于引起喷流流过升力生成表面的机构，所述升力生成表面被成形和设置成引起喷流从径向方向朝轴向方向转向，所述飞行器包括机翼控制表面和用于调节所述机翼控制表面以防止或控制所述推进装置的旋转的机构，其中所述机翼控制表面的至少一部分定位在所述升力生成表面的上游，且所述机翼控制表面的上游部分远离径向方向朝向从所述推进器流出的流体的流动方向或与从所述推进器流出的流体的流动方向一致或在从所述推进器流出的流体的流动方向之外而倾斜。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述机翼控制表面的几何形状能够改变。
3.根据权利要求2所述的飞行器，其中所述机翼控制表面包括具有铰接部分的叶片，所述铰接部分铰接到所述叶片的定子部分的下游边缘。
4.根据权利要求3所述的飞行器，包括关于所述推进器周向地延伸以限定管道的护罩，所述推进器位于所述管道内。
5.根据权利要求4所述的飞行器，其中所述护罩支撑在限定弯曲表面的顶盖上，且所述机翼控制表面位于所述护罩和所述顶盖之间。
6.根据权利要求5所述的飞行器，其中所述机翼控制表面执行支柱的功能，以使所述护罩支撑到所述顶盖。
7.根据权利要求4所述的飞行器，其中所述推进器设置为从弯曲表面的上方吸引流体。
8.根据权利要求1所述的飞行器，包括关于所述推进器周向地设置的多个机翼控制表面。
9.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述机翼控制表面的所述上游部分在所述转子的正常运行条件下倾斜为与空气接近其的方向基本对齐。
10.根据权利要求9所述的飞行器，其中所述机翼控制表面的所述上游部分从所述径向方向倾斜成在10°和25°之间的角度。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述机翼控制表面的所述上游部分从所述径向方向倾斜成在15°和21°之间的角度。
12.根据权利要求3所述的飞行器，其中所述飞行器包括致动系统和多个叶片，每个叶片具有铰接到所述叶片的定子部分的下游边缘的铰接部分，所述致动系统用于使多个铰接部分关于其各自的铰链旋转，所述致动系统包括致动器、与每个铰接部分关联的带接合机构以及在所述致动器和所述带接合机构之间运行的带。
13.根据权利要求12所述的飞行器，其中所述叶片被分成至少两组，且所述致动系统包括在第一组叶片的铰接部分的带接合机构之间运行的第一带和在第二组叶片的铰接部分的带接合机构之间运行的第二带。
14.根据权利要求13所述的飞行器，其中所述第一组叶片和所述第二组叶片中的叶片围绕所述顶盖交替地设置。
15.根据权利要求4所述的飞行器，其中所述飞行器包括致动系统和多个叶片，每个叶片具有铰接到所述叶片的定子部分的下游边缘的铰接部分，所述致动系统用于使多个铰接部分关于其各自的铰链旋转，所述致动系统基本容纳在所述护罩内。
16.一种实现柯恩达飞行器的俯仰或滚动的方法，所述飞行器具有用于产生流体喷流的推进器和用于引起流体喷流流过弯曲表面的机构，所述弯曲表面被成形和设置成引起喷流从径向方向朝轴向方向转向从而产生升力，所述飞行器包括围绕所述推进器周向地隔开的多个机翼控制表面和用于调节所述机翼控制表面以防止或控制所述推进装置的旋转的机构，其中还提供有用于控制所述机翼控制表面的机构，该机构用于控制所述机翼控制表面，以在所述弯曲表面的一部分上比在相对的部分上优先地引导流动，从而引起所述飞行器俯仰或滚动。
17.一种组装柯恩达飞行器的方法，所述方法包括：提供限定升力生成表面的顶盖，所述升力生成表面被成形和设置成引起流体喷流从径向方向朝轴向方向转向；并提供包括支撑到支撑部件上的两个或更多个机翼控制表面的盒；以及使所述盒固定到所述顶盖。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述盒包括插在两个同轴支撑部件之间的两个或更多个机翼控制表面。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述顶盖限定周向的凹进部分，且所述支撑部件位于所述凹进部分内。
20.根据权利要求17所述的方法，其中设置有护罩，所述护罩限定用于容纳支撑部件的凹进部分，且其中所述盒插在所述护罩和所述顶盖之间。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述机翼控制表面和所述支撑部件形成为单独的整体件。
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