CN104220332B - 用于垂直/短距起飞及着陆的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于垂直或短距起飞及着陆的方法及设备。在一个实施例中，所述设备包括附接有一或多个机翼的两个或两个以上逆向驱动环。在一个变体中，存在各自附接有多个机翼的上环及下环。在一个变体中，主要经由周围气流产生升力，从而允许所述装置的长期站台上操作。

Description

用于垂直/短距起飞及着陆的方法及设备

优先权

本申请案主张2011年11月16日申请的具有相同标题的第61/560,667号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体涉及航空及航天工程领域更明确地说，在一个示范性方面中，本发明是针对用于垂直短距起飞及着陆的方法及设备。

背景技术

先前技术广泛范围的与航空有关的应用在飞行器移动中需要灵活性共同要求是垂直或短距起飞、盘旋能力，及飞行航向的频繁改变，等此外，在防卫或其中在给定任务要求的情况下部署人员过于危险或不切实际的其它应用(例如毒品监视或禁止)中高度需要无人驾驶飞行器。

不可能设计出满足每一航空应用的需要的飞行器。因此，利用广泛多种飞行系统(例如推进、起飞、着陆等)的广泛多种飞行器设计对于匹配多种任务的要求是必要的。然而，给出资金约束，存在对可经制造且专用于任何特定目的或群组的飞行器的数目的实际限制。因此，所选设计尽可能提供最广的任务灵活性同时不与已经广泛使用的飞行器不当地重叠是重要的。

用于垂直短距起飞及着陆(VSTOL)的现有解决方案通常包括：(i)由经由尾部转子稳定化的主转子驱动的那些(例如，直升机)，(ii)由引擎或涡轮驱动的更传统飞机，其可以多个定向停机(例如，V-22鱼鹰式倾转旋翼机(Osprey)或鹞式(Harrier)喷气式飞机)，或(iii)依靠一或多个涡轮的小型航空器(多用途安全与监视任务平台或独行客(SoloTrek)Exo-Skeletor飞行器)。尽管更传统飞机设计提供高的最大速度，且经由滑翔能力而增加任务范围/持续时间，但这些系统在其可适应飞行航向的显著改变的速度方面受到限制因此，这些载具将不适合用于例如城市环境中的低高度应用。相反，直升机及基于较小涡轮的航空器缺乏保持在高处而不消耗大量电力或燃油资源来保持其涡轮运行的能力此外，所有这些载具具有优选定向，使得如果其翻转，则航空器将必须处于正常位置才可恢复提升能力。

不幸的是，现代应用常常需要飞行器飞过受限区域且长时间停留在站台上或长途部署。此外，此些应用中使用的载具可能常常在其紧邻的空域中经历猛烈的破坏或湍流。因此，由于环境条件或非预期翻转而失去提升能力是显著的操作限制。

因此，需要用于VSTOL的改进的解决方案。此些改进的解决方案应理想地对于城市或其它受限区域航行具有足够灵活性、能够在多个定向上产生升力，且具有适当的站台上停留及长途操作能力。

发明内容

本发明通过尤其提供用于垂直短距起飞及着陆的改进方法及设备而满足前述需要。

在本发明的第一方面中，揭示一种垂直短距起飞及着陆设备在一个实施例中，所述设备包括多个(例如，两个)具有所附接机翼的对旋环、机身、电源，以及自含式马达及驱动系统具有所附接机翼的对旋环绕所述设备的中心轴旋转且产生升力。

在一个变体中，引入主要从周围气流产生升力的能力此尤其允许载具停留在高处而具有最少的或甚至没有能量消耗。

在本发明的第二方面中，揭示操作所述设备的方法。

在本发明的第三方面中，揭示一种升力产生机构在一个实施例中，所述机构包括各自上安置有多个机翼的至少两个对旋环。在一个变体中，所述机翼可个别地(或一致地)改变俯仰或空间方位角在另一变体中，所述机翼还可从所述环径向延伸以便增大所述设备的有效直径。

在本发明的第四方面中，揭示一种机翼机构。在一个变体中，所述机构包括多个机翼，其安置在前述对旋环上且各自经配置以围绕旋转轴铰接，所述轴中的每一者相对于所述环径向定向在另一变体中，所述机翼机构各自可径向延伸，使得有效机翼表面积增大。

在本发明的第五方面中，揭示与所述设备有关的商业方法。

在本发明的第六方面中，揭示一种用于远程操作VSTOL设备的设备。

在本发明的第七方面中，揭示一种用于借助VSTOL设备产生升力的方法。

在本发明的第八方面中，揭示控制VSTOL设备的方法。

在本发明的第九方面中，揭示一种操作所述VSTOL设备以利用盛行气流产生升力的方法。

在第十方面中，揭示一种低可观测性VSTOL设备。

在本发明的第十一方面中，揭示一种减小VSTOL飞行器在飞行期间的雷达截面(RCS)的方法。

在本发明的第十二方面中，揭示一种可延伸机翼设备。

在本发明的第十三方面中，揭示一种升力产生系统在一个实施例中，所述系统包括：(i)一或多对环，(ii)安置在所述环上的多个机翼，及(iii)经配置以使所述对环对旋的驱动设备所述升力产生系统经配置以在所述对环的对旋期间经由在所述机翼周围的气流产生升力。

在本发明的第十四方面中，揭示一种经配置以在其上存储至少一个计算机程序的非暂时性计算机可读媒体在一个实施例中，所述计算机程序包括多个指令，所述指令经配置以在执行时例如通过使用机翼空间方位角控件而控制VSTOL设备的操作的各种方面。在一个变体中，所述计算机程序例如从高度计、加速度计、电子或电磁罗盘等接收物理输入信号且控制所述VSTOL设备的飞行。

在一个变体中，各种方面包含所述VSTOL设备的自动驾驶。

在另一变体中，各种方面包含辅助及翻译从远程源接收的远程驾驶指令。

在又一变体中，各种方面包含控制安置在所述VSTOL设备上的感测装备。

所属领域的技术人员参考如下文给出的附图及示范性实施例的详细描述将立即认识到本发明的其它特征及优点。

附图说明

图1是根据本文中提供的本发明中呈现的垂直短距起飞及着陆(VSTOL)设备的一个示范性实施例的提升机构的透视图。

图1a是VSTOL设备的第二示范性实施例的提升机构的透视图。

图2是图1的VSTOL设备的透视图，其中安装了盘形机身。

图2a是图1a的VSTOL设备的透视图，其中附接了用于机身的支撑框架。

图3是图2的示范性VSTOL设备的透视图，其说明其机翼的铰接。

图3a是图2a的示范性VSTOL设备的透视图，其说明其机翼的铰接。

图3b是图2a的VSTOL设备的一部分的侧视图，其说明机翼在其旋转经过控制点时的操作。

图3c是具有可延伸机翼的旋转环的一部分的透视图。

图4是用于铰接图3的VSTOL设备的机翼的铰接设备的一个实施例的透视图。

图4a是用于铰接图3a的VSTOL设备的机翼的铰接设备的一个实施例的详细透视图。

图5是处于完全下降位置的图4的铰接设备的透视图。

图5a是处于完全下降位置的图4a的铰接设备的透视图。

图6是处于完全抬高位置的图4的铰接设备的透视图。

图6a是处于完全抬高位置的图4a的铰接设备的透视图。

图7是VSTOL设备的替代实施例的透视图。

图8是根据本发明的原理的VSTOL设备的又一替代实施例的透视图。

图9是根据本发明的原理的VSTOL设备的又一替代实施例的透视图。

图10是说明用于VSTOL设备的控制架构的一个实施例的功能框图。

图11是VSTOL设备的一个示范性实施例的侧面正视图，其展示机翼的协调以产生高俯仰升力。

图12是VSTOL设备的示范性实施例的侧面正视图，其展示机翼的协调以产生负升力。

图13是VSTOL设备的替代实施例的俯视图，其展示长、细(直径)的机翼。

图14是VSTOL设备的一个实施例的透视图，其展示无线电力及经由卫星的双向数据通信。

图15是根据本发明的原理的VSTOL设备的又一替代实施例的透视图。

图15a是图15中展示的VSTOL设备的实施例的俯视透视图。

图15b是图15中展示的VSTOL设备的实施例的仰视透视图。

图16是VSTOL设备的又一实施例的透视图。

图16a是图16中展示的VSTOL设备的实施例的另一透视图。

图17是VSTOL设备的一个实施例的透视图，其展示直插式滑套的使用。

图18是图16中展示的VSTOL设备的实施例的透视图，其详述由成形轮及环产生的恢复力。

图19是根据本发明的原理的VSTOL设备的另一实施例的透视图。

图19a是图19中展示的VSTOL设备的实施例的另一透视图，其详述重新定向VSTOL设备的构件。

具体实施方式

现参考图式，其中相同数字贯穿各图指代相同部分。

概述

在一个方面中，本发明提供用于垂直短距起飞及着陆(VSTOL)的方法及设备。在一个实施例中，所述设备使用对旋环(例如，两个)来产生升力，所述环具有附接在各自的圆周处的多个铰接机翼。所述设备可通过由光伏(太阳能)单元、一或多个电池组单元供应的一或多个电动马达、通过燃烧引擎(例如，两冲程、四冲程，或甚至涡轮喷气发动机)或替代地经由供应电磁(例如，微波范围)辐射束的卫星下行链路来驱动，其各自将供应电力到完全含在所述设备内的驱动布置。

在另一方面中，飞行器经配置以降低其马达功能且使用盛行风流来维持高度及位置及/或产生升力。

示范性实施例的详细描述

现详细描述示范性实施例。尽管主要在无人驾驶军用飞行器的上下文中论述这些实施例，但所属领域的技术人员将认识到，本发明不限于此。事实上，各种方面可用于来自多种其它上下文的垂直短距起飞及着陆。举例来说，实施例可易于经调适用于用作远程检视及/或其它感测辅助(例如，音频、IR、离子化、辐射、例如无线通信等电磁辐射)以用于执法性禁毒或私人调查人员。类似地，实施例可用于机会性视频装备部署(对于例如经过高辐射区域的人员过于危险的体育事件、灾害区域或地段)。

此外，尽管本发明主要在于气态流体介质(例如地球的大气)中产生升力的上下文中加以论述，但所属领域的技术人员将认识到，本文中揭示的架构及原理可易于经调适而用于例如液体等其它操作环境中，使用气态介质的论述仅为示范性的。

还将认识到，尽管对于设备或其组件可给出特定尺寸，但设备可取决于既定应用而有利地缩放到多种不同大小。举例来说，本发明涵盖可用于例如低高度监视等的小桌面或甚至手持式变体。同样，涵盖大规模变体，其可携载更大传感器阵列及甚至武器(例如，地狱火精确制导导弹等等)，具有较大指定高度不定方向的巡航(loiter)及高度能力等。此设计可缩放性是所述设备的一个显著优点。

示范性设备及操作-

现参考图1，展示且详细描述用于VSTOL设备的提升机构100的示范性实施例。图1的提升机构包含并行安置的两个(2)逆向驱动环，包含上部环103及下部环104。上部机翼101及下部机翼102分别附接到上部环及下部环。所述机翼中的每一者通常具有弯曲形状，使得其能够在旋转时经由周围空气产生升力。因此，当机构100的上部环及下部环转动时，机翼产生升力(或替代地，倒风或负升力，取决于机翼的定向，如下文所论述)。所述机翼中的每一者包含通常为弯曲或圆形的前边缘及较窄的后边缘部分。在所说明的实施例中，上部机翼弯曲前边缘经定位而使得上旋转环将通过在逆时针方向(当从上方时观看)上旋转而产生升力。相反，下部机翼弯曲前边缘经定位而使得下旋转环通过在相反方向(即，顺时针)上旋转而产生升力。尽管展示特定配置，但应了解，上部机翼及下部机翼的前边缘可颠倒，使得相反旋转(即，上部机翼的顺时针旋转及下部机翼的逆时针旋转)将产生VSTOL设备的升力。

现参考图1a，展示每个环具有四个机翼的配置110。此配置允许升力系统相对于设备的形状及规模加以优化，但可取决于所需特性而使用其它机翼形状及大小及/或机翼数目。

当上部环与下部环在相反方向上旋转且构造基本相同(但定向颠倒)时，所述环的组合运动在上部环与下部环以相同速度旋转时不在设备上产生净转矩。此为有用的，因为额外转子或以垂直定向而定向的转子(例如在常规直升机中所见者)对于提供逆向旋转并无必要。此外，通过改变逆向旋转环的相对速度，可产生净转矩，由此允许VSTOL设备绕中心(垂直)轴旋转，同样无需额外转子。

此外，多个环允许增大提升能力，因为其允许更多点用于升力产生。此外，如本说明书中稍后将了解，上部机翼元件与下部机翼元件的协调导致提升能力的协同改进。关于上部机翼与下部机翼的此协调的考虑因素(包含环间距、机翼形状、旋转速度，等)可辅助例如最大化向上升力的有效机翼/环设计。

现参考图2，展示图1的VSTOL设备的示范性实施例的透视图，其中盘形机身201支撑在环内。机身相对于环的此放置时有效的，因为如先前所论述，无转矩将赋予机身，由此使其在飞行期间在定向上保持实质上固定。因此，中心对称设计允许高度灵巧的飞行器，因为例如转弯等动作可有效地以零半径且以最少电力耗用而执行。举例来说，制动(例如，摩擦机构)可施加到旋转环或电力环中的一或多者。此将导致轴旋转且使飞行器转弯。此外，为使飞行器倾斜，机翼可铰接在控制点处以增加或减小其产生的升力量。因此，从飞行器的一侧产生或多或少的升力，且VSTOL设备将倾斜。见下文图3b的论述。

现参考图2a，展示图1a的VSTOL设备的示范性实施例的透视图。在此配置中，用于支撑机身的框架展示为220。框架的上部部分及下部部分各自由一对旋转环(223及224)围绕。每一对环串联地旋转，且如下文所论述，在一些实施例中用以控制机翼的铰接。

此外，图2的实施例中的机身的放置还减少机翼所经历的张力。此外，缺乏中心轮彀或轴增大了用于传感器及货物(例如，弹药)的空间。

此设计的另一关键优点是其促进气动机身。圆盘形状允许大的体积，同时仍相对于横向飞行(例如，侧向)的方向维持相对较小的截面。此将导致减小归因于拖曳的电力损失且减小雷达截面(RCS)，如本文中后续所更详细地论述。

还可了解，可容易地使用本文中描述的对旋环设计利用来自齿轮减速(例如，例如马达或引擎等驱动源的输出轴杆与施加到环的驱动之间)的优点。事实上，假定VSTOL设备驱动系统完全位于环的圆周内，环本身可充当主要减速齿轮。

在一个实施例中，机身包括电源(例如，太阳能电池、电池组或引擎，等)及马达以驱动环的旋转且铰接机翼。在所说明的实施例中，机身是针对无人驾驶操作而设计，但可设想其可容纳用于乘客的座舱(如果飞行器的大小足以有效地提升此些重量)。在这些实施方案中的任一者中，大量武器或监视系统还可容纳在机身中，同样受合适大小及提升能力的限制。武器舱还可在需要的情况下处于机身内部(例如，类似于F-22猛禽(Raptor)上的那些武器舱)，由此减小气动拖曳及RCS。

在一个实施例中，机身是由轻质的复合材料(例如，基于石墨或基于氨基甲酸酯，使用环氧树脂作为粘合剂)制成以实现强度及减小的重量两者，但可使用其它材料。

机身还可经调适以容纳自主的导航装备(例如全球定位系统(GPS)接收器)及计算机化导航系统。将取决于所需自主性的水平而在不同程度上需要此特征。机身还可容纳经配置以控制及操作VSTOL设备(即，高度、空间方位角、机翼的俯仰，等)的计算机，不管是否具有人为或其它外部输入。此种系统可使用例如基于地面或基于卫星的无线链路等外部通信链路。机身还可容纳用于导航的机载仪器，例如激光测距系统、光电元件或IR机器视觉、高度计、雷达、陀螺仪及/或光学陀螺仪，等。

在其它配置中，所有机翼或其子集可相对于环调整其俯仰；例如，其可围绕其附接到环的轴旋转。使用控制环，可调整可变机翼俯仰，从而允许升力控制。现参考图3中的透视图，设备上的机翼301、302展示为已铰接(大体绕其附接轴(未显示，但下文描述)旋转)。具体来说，上部环机翼301已逆时针旋转(当从其末端观看时)，同时下部环机翼302已顺时针旋转。这两个旋转分别对于每一环提供额外升力。

类似地，图3a展示在图1a中描绘的实施例中的机翼的运动及铰接方向。

可了解，在一些版本中，仅上部环上的机翼301(或相反，下部环上的机翼302)可铰接。但在其它设计中，在上部环及下部环两者上的机翼301及302可铰接。

在VSTOL设备的一个实施方案(展示于图3b中)中，在控制环(下文更详细地论述)上使用三个控制点。所述控制环随电力环一起旋转；然而，其独立于电力环的水平约束(即，电力环维持实质上固定水平位置的要求)。当前述控制点时中的一者已铰接(图3b中的中心箭头)时，仅控制环移动，从而改变机翼的俯仰(在控制点的影响区域内)。其它两个控制点保持固定(除非其也被致动或控制)。

图3c说明示范性机翼的另一实施例。在此实施例中，使用可径向延伸的机翼350以便准许机翼的有效长度改变。在一个变体中，可延伸部分352从非可延伸部分354内向外滑动，由此增大每一机翼的有效长度(且因此增加由其提供的升力)。此种可延伸性对于例如改变高度、在不同高度处操作(即，具有不同空气密度)、改变设备的效率、操控、更改飞行器的雷达截面(RCS)等是需要的。在一个实施方案中，延伸是通过在一个末端上安装到可延伸部分352的内径且在另一末端上安装到缩回/延伸机构(例如，螺杆或螺纹驱动齿轮、液动致动器、电磁螺线管，等)的杆356提供。在另一变体中，使用一或多个弹簧，使得旋转环(及机翼)的离心力倾向于抵抗弹簧力向外拉动可延伸部分352，使得在较大环旋转速度下实现较大延伸(及升力)。给出本发明，所属领域的技术人员将认识到用于控制可延伸部分352的位置的各种其它方案。

现参考图4，展示且描述用于铰接机翼101、102的设备的示范性实施例的透视图。在此实施例中，经由两个杆控制机翼的俯仰(即，相对于环旋转平面的角度)。一个杆401径向刺入到机翼的尾部处，且另一杆402刺入到机翼的前部部分处。一个杆401附接到控制元件403且能够相对于其上安装机翼的主要旋转环(图1，103或104)上下移动。第二杆402附接到安置在环内部且相对于其上安装机翼的环固定的第二元件404。槽408允许第二杆402在其中移动(当控制元件上下移动时)。以此方式，当控制元件403相对于第二元件404向上或向下移动时，机翼的角度分别减小或增大。机翼406的尾部在图4中展示为处于中立位置。

将认识到，可替代地通过反转杆的连接而实现先前功能性；即，第二杆402可固定到第一控制元件403，且第一杆固定到第二元件404，使得上文描述的移动产生反转的响应(即，向上移动增大角度，等)。

同样，可改变控制元件的功能。举例来说，使用图4中展示的配置，替代维持内部(第二)控制元件固定且移动外部(第一)元件，外部元件403可固定，且内部(第二)控制元件404可上下移动。

此外，可通过实际环(103或104)(与控制元件403、404中的一或多者形成对比)服务于先前功能。或者，一致地旋转但不在垂直于旋转平面的方向上相对于彼此移动的一对环将能够充当平台(403及404)两者。稍后将在本说明书中提供此些实施例的更详细描述。

如图4中所示，还使用若干轮405来提供第一平台的两个环位置的低摩擦旋转。

现参考图4a，展示用于机翼的铰接系统的示范性配置的细节。此系统使用图4中展示的两控制杆机构。在图4a的实施例中，铰接系统由使螺纹410转动的步进马达409驱动。所述螺纹控制两个轮(411及412)的位置。这些轮接着使其与之接触的环下降或抬高。此更改两个环的相对位置，且铰接机翼。

可了解，或者，螺纹可用以驱动旋转环内部的机械机构(mechanics)。因此，机翼可经定位而不改变环的相对位置。此外，螺纹与轮的组合可用以定位旋转环的局部部分。因此，在一些实施例中，机翼可独立于彼此加以定位。

在其它版本中，第一控制元件沿着圆形或椭圆的圆弧或其它函数移动以促进机翼的旋转。还可允许机翼在需要的情况下在圆周方向上至少平移一定程度。此些特征允许更流畅的定位。

现在参见图5及图5a，图4的机翼的尾部展示处于其完全降低位置501。在图6及图6a中，机翼的尾部展示处于其完全升高位置601。

还可了解，机翼可包括襟翼、板条或其它可延伸控制表面，其可扩展或收缩以改变机翼的形状。形状改变可用以减少或增加通过机翼实现的提升。而且，通过更改机翼的形状，潜在地松开积累的冰，可实现防冻。

在又一变体中，经由内部机制，机翼大体上形状可变形。不同于上文参考的“襟翼”变体(通过向外延伸尾部部分基本上夸大了机翼的形状，使得前缘到后缘距离增加)，机翼的实际曲率可在飞行中更改，使得按需要更改伯努利效应(及/或其它空气动力学性质)。在一个实施方案中，机翼的外表面包括覆盖于框架上的大体上柔软的聚合物“皮肤”，所述框架借助于一或多个关节连接接头在机械上形状可变形。给出本发明，所属领域的技术人员将认识到再其它方法。

其它潜在实施方案可利用可延伸或缩回以改变机翼的形状的机翼襟翼。通过此机翼延伸及缩回，设备的空气动力学截面可更改以促进经由例如周围空气流的提升。

作为又一选择，可构造机翼以便具有随着径向位置而变的改变的间距/曲率。举例来说，在一种此变体中，机翼在其旋转所围绕的根部附近的间距或曲率可为一个值，而曲率在机翼的远(向外)端接近时改变，即，如同抓住机翼的末端且将其扭曲以便使其形状变形。此改变的曲率可在某些应用中提供所要的属性，例如随着旋转或角速率而变的较大升力。

现在参见图7，示范性VSTOL设备的俯视透视图包含支撑框架，其包括三个上部支撑梁701，通过大体上三角形平台702结合在设备的顶部。三个上部支撑梁经由三个多轮支架704连接到下部三角形支撑框架703。这些轮支架允许包括上部轮705及中心轮706以及下部轮711，其沿着上部环708及下部环709中的若干组轨道707运行以用于允许旋转环自旋，同时支撑机身的框架保持静止。

图7的示范性支撑框架由例如钛合金等轻型合金形成，但可使用其它材料，包含聚合物(例如，塑料)或甚至复合物，例如飞机技术中众所周知的类型的碳纤维复合物。

图7的配置提供增加的结构完整性，同时仍满足VSTOL设备的严格重量要求。具体来说，此框架型构造提供高稳定性，其增加整个材料片的成本及重量。然而应注意，完整材料片可在其它领域中提供优点(例如，装甲、空气动力学拖曳、光学或电磁屏蔽等等)。因此，虽然仅以轻量支撑框架说明图7的实施例，但还将认识到(i)框架可与覆盖层或“皮肤”一起使用，(ii)支撑框架可最小化(例如通过使用极刚性材料)，仅具有中心支撑“三角形”(未图示)，具有或不具有皮肤，或(iii)皮肤自身可用以为机身提供必要的刚性/支撑。举例来说，本文图2的示范性机身形状可经由具有足够刚性的外部皮肤形成，例如经由强的轻量合金或复合物，进而节省可观的重量。

如先前所述，在此设计中使用的上部及下部环(708及709)作为用于关节连接机翼的平台(403及404)而操作。此配置显著简化关节连接过程。在一个变体中，每一“环”包括统一旋转的一对环，即，一个静止的主环，以及垂直于旋转平面移动(即，向上及向下)的一个控制环。机翼的尾杆401附接到控制环，且机翼的向前杆402附接到静止环。机翼随后将在控制环在垂直于旋转方向的方向上上下移动时旋转。

可了解，也可将更多控制环添加到设备。因此，个别机翼可附接到个别控制环。这将允许对每一机翼的独立控制。然而，在许多配置中，可能较有利的是将机翼附接到环以使得环的中心及其优选旋转轴线对准。这将消除从不理想旋转产生的不希望的转矩。因此，可有利的是以每一控制环控制至少一对机翼。相反，从此不理想旋转产生的转矩可由相对组的环的互补相反旋转来补偿。

还可使用其它较精简的设计。在一种此示范性实施例中，使用环形内部框架，例如图8的框架。现在参见图8，上部及下部外部轮801及802分别沿着外部上部环803及下部环804的顶部及底部运行。轮经由轮支架805附接到内部框架。内部上部轮806及下部轮807沿着外部环的内部恰好在上部内部环808及下部内部环809的上方及下方运行。类似地，外部及内部环用作用于机翼关节连接的平台403及404。

图8的配置中使用的环形框架是与空气动力学机身的有效配对。而且，此配置不界定机身的界限或轮廓。进而，此些参数可改为由任何给定机身配置的特定需要来界定(例如，武器/传感器储存、驾驶舱、驾驶系统等等)。

现在参见图9，在另一配置中，先前实施例中的环形内部框架是使用经济的轻量线框架901制成的。其可由广泛选择的材料(塑料、金属、金属合金、晶体材料、玻璃纤维等等或其某种组合)制成。环形内部线框架用三个上部线框架梁902及三个下部线框架梁903加强。使用此些线框架，设备可更容易满足重量及结构完整性要求。另外，线框架梁比较常规的梁(例如图7的梁)更有空间效率。线框架可适于容纳通信或监视设备904。或者，框架可经共同选择，且用作例如用于通信系统的RF天线的一部分。

图9的实施例中的环、机翼及框架的暗着色源于以下事实：其是从与上部大气阻抗匹配以降低设备的雷达标记(RCS)的材料制成(及/或以所述材料涂覆)。若干非雷达反射或雷达吸收性材料可适合于此目的(例如，铁磁性材料或纳米颗粒涂层)。此外，在一些实施例中，VSTOL设备的弯曲特征经平坦化为多边形近似以减少装置的漫反射。因此，辐射较不可能在其起源方向上向回反射。而且，将趋于使入射雷达反射回到其来源或其它接收器的表面可成角度或成形以便最小化此些反射。举例来说，旋转环的平坦或垂直外表面可由两个倾斜相交成角度表面近似，如机翼中的每一者的向外边缘那样。由于雷达最可能从侧面(或当飞机处于适当高度时在某种程度上在侧面下方)照射到飞机中，因此这些表面变为最关键的。

鉴于本发明的内容，所属领域的技术人员将立即了解广泛的多种主体风格及目的。

现在参见图10，用于VSTOL设备的远程操作的第二设备在一些实施方案中是必要的。

在说明的实施例中，控制设备(CE)包括无线收发器1004，其连接到用户接口1002，所述用户接口接收操作者(或计算机，如下文更详细描述)输入以用于装置的控制。收发器随后将命令从接口中继到位于VSTOL设备上的收发器1006，其与机载控制器1008通信。无线链路可为直接的(例如，LOS或经由地球大气的弯曲传播)，或者为间接的，例如经由一或多个中继实体(例如，基于陆地的塔(未图示)，或卫星1010)。

还设想前向链路及/或反向链路数据可经由现存无线基础结构发射；例如经由蜂窝式基站或毫微微小区(例如，e节点B)、Wi-Fi热点、WiMAX收发器等等，使得VSTOL设备可经由例如因特网等现有网络远程操作。

对于人操作接口，可使用一或多个操纵杆来输入命令。操纵杆将提供某一程度的熟悉度，这可能帮助其它飞机的操作者适应控制VSTOL设备。为此，接口也可经构造以模拟驾驶舱。在一种变体中，使用类似于在现存捕食者及全球鹰系统中所使用的用户接口及控制系统，以便准许操作者/平台之间的容易迁移，减少库存要求等等。

对于其它潜在操作者，包括经制成以模拟电视游戏控制台控制器(例如，与Xbox360、PlayStation3、任天堂Wii一起使用的控制器)的控制装置的接口可能提供类似熟悉的体验。

因此，提供在多个接口设计之间的选择允许操作者从较大一组背景且因此较大人才库中进行选择。

CE的另一重要元件是显示器。显示器展示来自位于VSTOL设备上的“环境”传感器的视频或其它传感器数据，所述传感器可包含例如电光成像器(例如，CMOS或CCD)、例如FLIR等IR成像器、电磁传感器、辐射传感器(例如，离子化辐射，例如中子、β或γ辐射)等等。另外，涉及VSTOL设备自身的控制(例如，俯仰、偏航、横滚、机翼攻角、环RPM、空速、高度等等)的传感器可将数据反馈到远程CE，以便提供为飞机领航所必要的操作者信息。这允许远程操作者控制VSTOL飞机且反应于其周围的环境，即使操作者不与VSTOL设备直接视觉接触(情况通常是这样)也是如此。

可了解，此显示器可使用“抬头式”格式以促进传感器数据及视频的同时显示。

在另一配置中，远程人操作者可被CE代替，所述CE进一步包括运行经配置以自主操作VSTOL设备的计算机应用程序的处理实体。将用于VSTOL设备的处理系统定位于远程位点具有多个优点。首先，与处理系统相关联的重量将不阻碍VSTOL设备。而且，处理系统将不暴露于可能与VSTOL设备的位置相关联的风险或有害条件。因此，如果VSTOL设备被破坏或变为不可操作，那么处理系统及存储于其上的任何数据将不会丢失。相反，将此些处理系统定位于远离设备引入了VSTOL设备与处理系统之间的固有等待时间。

从前述内容将了解，与本发明一致可采用多个控制系统架构，包含(不限于)：

1)远程人操作者经由无线链路从飞机接收回环境及控制传感器数据；

2)远程人操作者从飞机接收环境数据，同时飞机利用自主(机载)计算机控制用于操作；

3)远程人操作者从飞机接收环境数据，同时飞机利用远程(无论是否与操作者位于同一地点)计算机控制用于操作，控制命令经由无线接口链接回到飞机；

4)远程人操作者从飞机接收控制数据，同时飞机利用自主(机载)计算机控制用于环境传感器；

5)远程计算机操作者从飞机接收环境数据，同时飞机利用自主(机载)计算机控制用于操作；或

6)远程计算机操作者从飞机接收环境及控制数据用于控制飞机的操作及环境传感器。

给出本发明，所属领域的技术人员将了解前述内容的再其它组合或变化。

VSTOL也可完全自主地操作。在示范性实施例中，机载处理实体(例如，图10的控制器1008)运行计算机程序，其经配置以评估由机载导航设备及传感器供应的数据。处理实体使用此数据沿着预计划的飞行路径导引装置，例如，使用GPS或其它定位作为用于飞行路径的“路点”。在另一变体中，使用来自例如无线电或激光高度计的地形轮廓数据且匹配于预加载的数字地形地图，飞机对照所述地图进行登记以维持其所要飞行路径。

可设想，处理实体可基于外部事件做出偏离计划飞行路径的确定。举例来说，设备可更改其路径以继续跟随跟踪的目标或规避干扰或导弹。或者，设备可以从远程CE或机载计算机发送的周期性命令更新半自主地操作。

操作方法

在操作中，VSTOL设备通过反旋转环且进而允许机翼的持续移动来产生升力。尤其通过伯努利原理，产生升力。

在一个实施例中，机翼的弯曲形状提供用于升力产生的主要机制。当机翼移动通过气体时，气体在机翼的顶部及底部上以不同速度流动。具体来说，曲率使得在机翼的顶部上移动的气体比在机翼下方移动的气体移动更快。较快移动的气体处于比较慢移动的气体低的压力。此压力不平衡导致机翼上的向上力。因此，产生升力。还可了解，在说明的实施例中机翼的前缘及后缘可使用泪滴模型来成形，以减少在机翼移动通过气态媒介时的涡流及紊流。

然而，为了产生恒定升力，机翼必须在适当方向上连续移动通过气态媒介。对于其中需要盘旋或垂直升力的情形，旋转运动可提供连续移动。然而，为了产生维持旋转运动所需的转矩，还必须产生相等且相反的转矩。如先前提到，常规旋转翼飞机使用正交定向转子(例如，直升机上的尾部旋转翼)来提供反旋转力。然而，在此飞机中，第二转子的运动不贡献于升力产生。因此，此系统将具有降低的效率。

然而，VSTOL设备使用具有附接机翼的环，其可以相同速度相反旋转以使得环不产生净转矩。因此，两个转子均贡献于升力产生及设备定向稳定性。这增加VSTOL设备的提升稳定性及相反地增加其效率。另外，如果将不同转矩应用于转子，那么设备可快速且有效地重定向而无提升能力的降低。然而，可通过有意地赋予上述转矩使VSTOL设备围绕其中心(垂直)轴旋转，例如通过使一个环旋转比另一个环快，调整一个环的机翼相对于另一个环的间距等等。

还可通过上部及下部机翼的组合关节连接来操控设备。现在参见图11中所示的侧视图，上部机翼的尾部置于完全降低位置1101，且下部机翼的尾部处于完全升高位置1102。此配置产生“高间距升力”。相反，如图12的侧视图所示，上部机翼的尾部置于升高位置1201，且下部机翼的尾部处于完全降低位置1202。此配置产生“负升力”。

VSTOL设备可通过相对于水平线倾斜其定向来产生水平运动。因此，在装置相对于水平线不倾斜的情况下将产生升力的力的一部分现在产生水平运动。此倾斜可以各种方式实现。设备可通过移位机身的机械部分或内含物来改变其质心，例如可例如经由电动机将正常在中心的质心移动到偏离中心的位置，使得飞机将朝向所述方向向下倾斜。在飞机由矿物燃油或其它燃油提供动力的情况下，例如通过使用较小的隔离燃油单元网络可改变(例如，泵送或允许迁移)液体燃油的分布，以便按需要更改飞机的重量分布。设备还可改变由机翼在不同位置处产生的升力。这可通过使用襟翼或通过如前所述更改机翼的定向、长度或甚至形状来实现。

VSTOL设备的关键优点在于，其也可经操作使得其利用空气流来产生升力。这导致在设备可部署的持续时间中及其可操作的范围中的改善性能。环及机身的圆盘形状辅助了总体滑行及提升。因此，此VSTOL设备设计尤其适合于仅基于空气流的操作。

在某些条件下还通过移动空气冲击向上或向下倾斜的机翼暴露表面来产生升力。此特征在设备处于“巡航”模式中时尤其有用，其中环(及机翼)最小地旋转或不旋转，且VSTOL设备实际上在某种程度上类似于风筝而动作。在此巡航模式中，操作者(或机载/远程计算机控制器)作用以维持飞机的高度处于相对于盛行风的预定攻角，以便产生足够升力以维持飞机的高度。

对于极长期操作，驱动环(且在一些情况下甚至与机翼关节连接)的马达/驱动系统断开，且VSTOL设备完全取决于空气流来进行提升及平衡。然而，在极少能量使用的情况下，可调整机翼的间距、延伸及扩展(以及上述“中心”质量的位置)以控制VSTOL设备的提升及平衡。这增加了此操作模式的灵活性。

最终，驱动环的马达可置于低功率消耗模式中以进一步辅助周围空气流产生升力。运行转子将仍导致显著燃油消耗。然而，在可调整低功率消耗模式中，可使用广范围的空气流速度来辅助产生升力。以此方式，可实现功率及燃油经济的有效使用。

盘旋能力及低转向半径允许VSTOL设备在拥挤空域或具有敌对干扰或弹药的空域中的操作。举例来说，在城市环境中低高度的操作将存在许多障碍(建筑物及电力线等等)。为了避免这些障碍，传统固定翼飞机将必须行进太慢而无法产生足够升力，且仍绕开这些障碍。因此，VSTOL设备良好地适于通过此空域的监视或跟踪任务。类似地，当在敌对领土上时，飞机可容易“突然转向”(由例如Harrier VSTOL飞行员利用的机动，用来使用向量推力喷嘴快速地向侧面/向上/向下减速或加速)以便避开将到来的导弹、发射物、其它飞机等等。这可在一个变体中通过将其质心快速地提升到所要侧面或者快速地改变机翼在一个或两个环上的间距以便快速地改变高度来实现。

替代配置

现在参见图13，在另一配置中，使用较长及较窄的机翼1301代替先前所示的较短机翼。图13的机翼较类似于在直升飞机或风力农场发电设备上所见的叶片。如先前所述，机翼的数目及形状可改变以适于特定应用的要求。举例来说，需要设备的较长部署的应用可能使用较长、较薄机翼(例如图13的机翼)及/或以较大数目使用，以增加设备的功率效率。这类似于使用比动力飞行飞机更长、更薄的翼的滑翔机、极端耐久飞机及人力飞机上的机翼设计。

将进一步了解，说明的机翼(无论在此实施例还是其它实施例中)可包含固有间距，例如随着径向位置或长度而变。举例来说，类似于常规推进器驱动飞机上的推进器，机翼可在某种程度上“扭转”或逐渐弯曲以便实现所要的空气动力学性质，例如提升、涡流抑制、较大效率等等。此间距与如本文先前尤其相对于图3描述由机翼围绕其附接点的实际运动(旋转)赋予的间距分离。

现在参见图14，在一些配置中，VSTOL设备经由卫星下行链路1401提供动力。卫星1402将引导电磁能量(例如，微波)束，其可包括激光、微波激射、x射线激光或任何其它引导辐射束提供到位于VSTOL设备上的抛物面反射器1403(或其它整流天线)。另外，可在相同或另一频带上提供双向通信上行链路/下行链路1404以促进从VSTOL装置到相同或不同人造卫星的数据传送。VSTOL设备还可包含本土或远程抛物面操控能力，以便维持反射器1403锁定到卫星束上。

还将了解，虽然在图14的实施例中说明抛物面型反射器1403，但也可经由分布式阵列将可观量的电磁能量传送到飞机，例如此项技术中众所周知的类型的相控阵列。在此实施方案中，可使用天线阵列来接收微波频带(或其它)电磁能量且将入射电转换为电力。类似地，可设想使用高效率太阳能或光伏电池，尤其在飞机将在阳光极充足的气候中(例如，沙漠上方)操作的情况下，且包含能量储存装置。

现在参见图15、图15a及图15b，分别在俯视透视图、侧视透视图及仰视透视图中展示VSTOL设备的另一示范性实施例。在此实施例中，三个驱动马达1501运行三个伴随的主驱动轮1502。这些驱动轮提供使具有多个附接机翼的环旋转所必要的转矩。三个驱动轮由垂直于主驱动轮定向的平坦驱动轮1503辅助。两组轮的使用增加了可赋予旋转环的最大转矩。另外，轮组的垂直定向帮助确保环围绕最佳轴线旋转。

图还展示完整机翼关节连接组合件1504的一个实施例。在此实施例中，三脚架支撑件1505附接到机身支撑框架202。三脚架支撑件固持驱动马达1501、卫星反射器1403及储存能量且对整个设备供电的电池组1506。

现在参见图16，展示VSTOL设备的另一示范性实施例。在此实施例中，轮1602及动力环1604包含斜平面1606以增加轮与环之间的接触。在轮沿着动力环行进时，轮的较高直径外部部分将经历与轮的较低直径内部部分相同数目的旋转1608。斜轮设计允许与动力环的经修整接触水平。举例来说，在一些实施方案中，外圆角或弯曲截面轮在单个点处与动力环形成接触。对于一些高转矩情形，外圆角轮“旋出”而不是对动力环赋予更多转矩。因此，使用轮与动力环之间的倾斜及弯曲作为自由设计参数允许摩擦/拖曳水平参考于系统的转矩要求(无论是静态地还是动态地)。关于后者，本发明预期例如可动态地(例如，经由内部控制机制)更改轮的截面的形状或配置，使得实现较大或较小接触面积。在低转矩情形中，较小接触可为合意的，以便尤其最大化效率/减轻摩擦损失。

另外，轮及动力环的成形(例如，倾斜、凹槽、弯曲等等)可用以维持其间的对准。现在参见图17，展示平坦动力环示范性实施例1700，系统的对准由直列式游码1702维持。张力由直列式游码施加于环以维持环的对准。然而，直列式游码可用作拖曳的来源。因为经成形的轮及环贡献于维持系统对准，所以可减少对直列式游码的依赖。在一些成形实施例中，系统中的总拖曳低于平坦轮系统的总拖曳，原因是来自直列式游码的减少的拖曳贡献。经成形轮/动力环配对可包含如图16及16a中所示的斜平面1606。参见从图18的透视图所示的示范性实施例1600，由斜轮1604及环1604产生的恢复力1802保持动力环对准。然而，VSTOL系统绝不限于这些斜轮/环实施例。可使用产生(准)正弦图案的一或多个系列的凹槽。类似地，可实施锯齿或方形凹槽图案。此外，可使用轨道来为驱动轮提供对准稳定性及摩擦。也可使用小规模磁悬浮技术(例如，基于稀土元素)来维持轨道或凹槽上的对准，同时实际上不提供拖曳分量。

现在参见图19，在又一示范性实施例1900中，将制动器1902添加到个别直列式游码1702。这些制动器独立地操作以在VSTOL设备上的特定位置产生增加的拖曳。这致使动力环旋转参考主机身减慢。总体效果是在制动器所施加的环的旋转方向上转动机身。举例来说，在具有均以300rpm转动的两个相反旋转动力环的系统中，将制动器施加于上部环，使其减慢到200rpm。经由角动量的保留，已知机身将开始在上部环旋转的方向上旋转。当机身实现所要定向时，可将制动器施加于下部环，使其减慢到200rpm。这致使机身停止旋转。图19a中展示此过程。类似地，此转动除了制动之外还可通过驱动环来实现。从300rpm开始，VSTOL可将上部环加速到35rpm(导致在上部环的旋转相反的方向上的转动)，且随后将底部环驱动到350rpm以停止。驱动及制动的组合也可允许转动。举例来说，VSTOL可制动(驱动)一个环以起始机身的转动且随后驱动(制动)同一环以停止转动。在一些情况下，在相反传播环之间动量的恒定再平衡(例如，通过计算机或手动地)可用以维持机身的定向。这可应用于抵消VSTOL设备中由于摩擦/拖曳所致的恒定小动量损失。

将认识到，虽然在方法的特定步骤序列方面描述本发明的某些方面，但这些描述仅说明本文描述的较广方法，且可按需要由特定应用修改。在某些环境下可使某些步骤为不必要的或任选的。另外，可将某些步骤或功能性添加到所揭示实施例，或置换两个或两个以上步骤的执行次序。所有此些变化均视为涵盖于本文揭示及主张的本发明内。

虽然上文详细描述已展示、描述且指出应用于各种实施例的新颖特征，但将了解，所属领域的技术人员可做出在说明的装置或过程的形式及细节上的各种省略、替换及改变。上述描述是对实行本文描述的原理及架构当前预期的最佳模式。此描述绝不有意为限制性的，而是应视为说明本发明的一般原理。应参考权利要求书来确定本发明的范围。

Claims (15)

1.一种垂直短距起飞及着陆VSTOL设备，其包括：

两个或两个以上电力环，其各自具有通过各自的第一杆附接到其的多个机翼；

铰接系统，其包括：

两个或两个以上控制环，其各自具有通过各自的第二杆附接到其的所述多个机翼，所述两个或两个以上控制环各自经配置以与所述两个或两个以上电力环中的相应者一起旋转；

所述第一杆，其经配置以被接纳于包含在所述两个或两个以上控制环中的每一者中的相应的孔中；以及

铰接设备，其经配置以使所述两个或两个以上控制环相对于所述两个或两个以上电力环上升或降低至少一部分，从而铰接所述多个机翼中的至少一者；

一或多个马达，所述一或多个马达经配置以按相反方向旋转所述两个或两个以上电力环，且其中所述两个或两个以上控制环各自经配置以与所述两个或两个以上电力环中的相应者一起旋转；以及

一或多个电源，所述一或多个电源经配置以提供电力到所述一或多个马达。

2.根据权利要求1所述的VSTOL设备，

其中所述多个机翼中的每一者经配置以被所述两个或两个以上控制环中的至少一者驱动，而在其完全降低位置和其完全升高位置之间旋转。

3.根据权利要求2所述的VSTOL设备，其中所述多个机翼中的每一者进一步经配置以独立于所述多个机翼中的其它者而铰接。

4.根据权利要求1所述的VSTOL设备，进一步包括经配置以容纳多个感测装备的机身。

5.根据权利要求1所述的VSTOL设备，进一步包括经配置以容纳一或多个人员的机身。

6.根据权利要求1所述的VSTOL设备，进一步包括经配置以容纳收发器设备的机身。

7.根据权利要求6所述的VSTOL设备，其中所述VSTOL设备经配置以至少经由所述收发器设备而远程操作。

8.一种借助权利要求1至7中任一项所述的VSTOL设备产生升力的方法，所述VSTOL设备包括两组环，其中所述两组环中的每一组包括至少一个电力环和与所述至少一个电力环对应的至少一个控制环，所述两组环各自附接有多个机翼，所述方法包括：

旋转所述两组环中的第一组；

相对于所述第一组环对旋所述两组环中的第二组；以及

延伸至少两个机翼的长度，使得所述至少两个机翼的有效长度对所述两组环中的至少一组而言已经增加；

其中升力是通过在附接到所述两组环中的每一者的所述至少两个机翼周围的气流而产生。

9.根据权利要求8所述的方法，其中对已经延伸的所述至少两个机翼的升力增加了；且

其中所述升力是通过同时更改所述机翼中的至少一些的俯仰而调整。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述升力是通过更改所述机翼中的一或多者的形状而调整。

11.根据权利要求10所述的方法，其中更改所述机翼中的所述一或多者的所述形状包括调整安置在所述一或多个机翼中的至少一者上的至少一个襟翼的位置。

12.一种升力产生系统，其包括：

一对电力环；

多个机翼，其安置在所述一对电力环上，且通过各自的第一杆附接到所述一对电力环上；

一对控制环，其各自安置于所述一对电力环中的相应者的外部，所述一对控制环中的每一者经配置以与所述一对电力环中的相应者一起旋转；

驱动马达，其耦合至电源，且经配置以使所述一对电力环中的每一个电力环对旋；以及

铰接系统，其包括：

一对第二杆，所述第二杆中的每一者耦合于相应的机翼与所述一对控制环中的一者之间；

其中所述第一杆经配置以被接纳于包含在所述一对控制环中的每一者中的相应的孔中，

步进马达和螺纹，其经配置以使所述一对控制环相对于所述一对电力环上升或降低至少一部分，从而铰接所述多个机翼中的至少一者；

其中所述升力产生系统经配置以在所述一对的所述电力环和所述控制环的对旋期间经由在所述机翼周围的气流产生升力。

13.根据权利要求12所述的升力产生系统，其包括经配置以铰接所述多个机翼中的每一者的一或多个位置的多个致动器装置。

14.根据权利要求12所述的升力产生系统，其中所述电源包括电池组，且所述驱动马达包括电动马达。

15.根据权利要求12所述的升力产生系统，其中所述电源包括液态燃油，且所述驱动马达包括经配置以依靠所述燃油操作的燃烧引擎。