CN104229137A - 一种尾坐式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尾坐式飞行器，包括机体（1）、机翼（2）、姿态控制装置、主推力装置（3），主推力装置（3）采用热机作为动力装置，机翼(2)包括左半翼及右半翼；姿态控制装置包括滚转调姿装置、俯仰调姿装置、飞行控制系统（4）；滚转调姿装置用于调整飞行器处于垂直状态下的滚转姿态；滚转调姿装置包括至少2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单元（5）、每个滚转调姿单元（5）分别对应功率连接有1个电机（6）、分别控制各个电机（6）输出功率的调速器单元（7）、电源模块（8）；滚转调姿单元（5）为螺旋桨或涵道风扇，调速器单元（7）与飞行控制系统可操作地连接。这样的好处是，使飞行器的机械结构得到简化，反应更加灵敏迅速。

Description

一种尾坐式飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直起降飞行器，尤其涉及一种尾坐式飞行器。

背景技术

尾坐式（Tail-Sitter）飞行器是一种起飞、着陆时都是机尾冲地垂直起降飞行器，起飞时达到一定高度后改变姿态积累速度转入平飞，降落时减小飞行速度同时改变姿态进入垂直起降。尾坐式飞行器在起飞、着陆、悬停时需要依靠姿态控制的装置才能保持自身的平衡。

例如洛克希德研制的XFV-1型尾坐式飞行器和康维尔研制的 XFY-1尾坐式飞行器，两者都用巨大的机头同轴反转螺旋桨驱动。XFV-1型尾坐式飞行器及XFY-1型尾坐式飞行器在下洗气流的下方的机翼上设置有气动控制舵面作为姿态控制装置，可以利用下洗气流作用下的机翼上的气动控制舵面控制垂直起降、悬停和平飞阶段的飞行。但由于这种气动控制舵面是一种复杂的机械部件，这种机械部件生产、维护的成本高，而且容易出现机械故障；此外，利用气动控制舵面控制飞行器的起飞、着陆、悬停时的飞行器平衡性较差而且灵敏度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机械结构更简单的、操作更加灵活的尾坐式飞行器。

为解决上述技术问题，本发明一种尾坐式飞行器包括机体、机翼、姿态控制装置、用于为飞行器提供主要推力的主推力装置3；主推力装置3采用热机作为动力装置，机翼包括左半翼及右半翼；其中，姿态控制装置包括滚转调姿装置、俯仰调姿装置、飞行控制系统；滚转调姿装置用于调整飞行器处于垂直状态下的滚转姿态；滚转调姿装置包括至少2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单元、每个滚转调姿单元分别对应功率连接有1个电机、分别控制各个电机输出功率的调速器单元、为滚转调姿装置提供电源的电源模块；滚转调姿单元为螺旋桨或涵道风扇，调速器单元与飞行控制系统可操作地连接。

这样的好处是，采用了使用电能的滚转调姿装置可以免去原先气动控制舵面、伺服作动器、铰链等复杂的机械部件，使飞行器的机械结构得到简化。通过飞行控制系统控制的以电机作为动力装置的滚转调姿装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。

作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进，俯仰调姿装置包括至少1个俯仰调姿单元、每个俯仰调姿单元分别对应功率连接有1个电机、分别控制各个电机输出功率的调速器单元、为俯仰调姿装置提供电源的电源单元；俯仰调姿单元为螺旋桨或涵道风扇，调速器单元与飞行控制系统可操作地连接；俯仰调姿单元设置在飞行器处于水平状态下的飞行器的上方或下方。作为更一步改进，该飞行器还包括垂直尾翼，俯仰调姿单元与垂直尾翼连接。作为更一步改进，垂直尾翼与机翼呈T字型或Y字型或X字型布局；T字型或Y字型或X字型布局是指飞行器的主视图所大体呈现的T或Y或X图形，主视图是指从机头向机尾方向所看到的图形。俯仰调姿单元可以连接在垂直尾翼的端部。这样的好处是，采用了使用电能的俯仰调姿装置可以免去原先气动控制舵面、伺服作动器、铰链等复杂的机械部件，使飞行器的机械结构得到更进一步的简化。通过飞行控制系统控制的以电机作为动力装置的俯仰调姿装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。俯仰调姿单元连接在垂直尾翼的端部可以进一步提高俯仰调姿单元姿态调整的效率。

作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进，俯仰调姿单元通过伸长肋与机体或机翼连接；俯仰调姿单元通过伸长肋与机翼连接时，有两个俯仰调姿单元分别对称地设置在左半翼及右半翼。这样的好处是，可以利用伸长肋为俯仰调姿单元提供一个远离飞行器重心轴线的距离，可以提供一个更适合俯仰调姿单元安装的位置，使飞行器的空气动力布局设计可以更加灵活，更方便。

作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进，滚转调姿单元连接在机翼的端部。这样可以提高滚转调姿单元姿态调整的效率。

作为本发明一种尾坐式飞行器的另一个改进，机翼为环形机翼。主推力装置可以设置在环形机翼内。环形机翼的左端及右端分别设置有翼梢小翼，滚转调姿单元分别连接在各个翼梢小翼的端部。环形机翼与主推力装置可以组合成涵道风扇，通过主推力装置设置在环形机翼内，可以吸引上层环境空气，起到一定的引射增升的作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一种尾坐式飞行器的姿态控制装置工作原理图。

图2是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机翼呈T字型布局的示意图。

图3是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机翼呈Y字型布局的示意图。

图4是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机翼呈X字型布局的示意图。

图5是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机翼呈Y字型布局的俯视图。

图6是本发明一种尾坐式飞行器的俯仰调姿单元通过伸长肋与机翼连接的示意图。

图7是本发明一种尾坐式飞行器的环形机翼示意图。

具体实施方式

图1所示本发明一种尾坐式飞行器的姿态控制装置工作原理图，本发明一种尾坐式飞行器包括机体1、机翼2、姿态控制装置、用于为飞行器提供主要推力的主推力装置3；主推力装置3采用热机作为动力装置，机翼2包括左半翼及右半翼；其特征在于：姿态控制装置包括滚转调姿装置、俯仰调姿装置、飞行控制系统4；滚转调姿装置用于调整飞行器在垂直状态下的滚转姿态；滚转调姿装置包括至少2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单元5、每个滚转调姿单元5分别对应功率连接有1个电机6、分别控制各个电机6输出功率的调速器单元7、为滚转调姿装置提供电源的电源模块8；滚转调姿单元5为螺旋桨或涵道风扇，调速器单元7与飞行控制系统可操作地连接。俯仰调姿装置包括至少一个俯仰调姿单元9、每个俯仰调姿单元9分别对应功率连接有1个电机6、分别控制各个电机6输出功率的调速器单元7、为俯仰调姿装置提供电源的电源模块8；俯仰调姿单元9为螺旋桨或涵道风扇，调速器单元7与飞行控制系统4可操作地连接；俯仰调姿单元9设置在飞行器处于水平状态下的飞行器的上方或下方。

电源模块8可以是电功率储存装置，例如充电电池、超级电容、核电池等等；也可以是发电装置，包括发电机和功率连接发电机的发动机；也可以是连接有发电装置的电功率储存装置。电机6采用无刷电机最优，但并非是限定，也可以是其它类型的电机，如有刷电机、交流电机、直流电机、单相电机、三相电机等等。调速器单元7包括电子调速器（electronic speed controller）、直流电机调速器、交流电机调速器等可以调节电机输出功率的装置；调速器单元7可以为与电机6或其它设备组合在一起的一个模块，也可以是独立的调速器，可以是单组输出控制单个电机的调速器，也可以是多组输出分别控制多个电机的调速器；调速器的类型应该与电机6的类型相匹配，例如无刷电机采用无刷电子调速器、有刷电机采用有刷电子调速器等等。调速器单元7接受飞行控制系统4控制并与飞行控制系统4信号连接或电联接；飞行控制系统是进行飞行姿态和运动参数实施控制的自动控制系统，飞行控制系统4可以采用电子飞行控制系统、数字式飞行控制系统、电传操纵系统等具备自动控制能力的飞行控制系统；利用飞行控制系统4采集飞行姿态数据、分析处理数据、自动发出控制信号，通过调速器单元7控制电机6的输出功率，从而实现对飞行器的姿态控制。本发明所谓螺旋桨是指在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力的装置，风扇、扇叶、旋翼也属于本发明所述螺旋桨的范围。

所谓推力装置是指将发动机功率转换为推力的装置，主推力装置3为飞行器提供主要的推力。主推力装置3可以是功率连接发动机的旋翼、涵道风扇，也可以是其它的推力装置，例如矢量发动机、涡扇发动机等可以提供垂直推力的推力装置；主推力装置3采用旋翼或涵道风扇时发动机可以采用涡轮轴发动机或活塞式发动机；主推力装置3数量不限，可以为一组、双组或多组。主推力装置3设置在飞行器纵向轴线附近或设置在飞行器纵向轴线最佳，但并非是限定；所谓的飞行器纵向轴线是指经过机头至机尾的轴线。

滚转调姿单元5及俯仰调姿单元9可以与电机6的输出轴连接，或者通过其它方式实现与电机6的功率连接，例如通过传动轴进行连接等。滚转调姿单元5及俯仰调姿单元9不一定要和电机6在同一位置，可以将电机6设置在机体、飞行器纵向轴线附近等位置，然后通过传动轴与滚转调姿单元5及俯仰调姿单元9进行功率连接。滚转调姿装置用于调整飞行器处于垂直状态下的滚转姿态；而不是处于水平状态下的滚转姿态；在水平状态下，滚转调姿装置对飞行器的偏航姿态产生影响。滚转调姿单元5的方向设置为飞行器在垂直状态下产生垂直升力的方向。同样，俯仰调姿单元9也可以采用同样的方式，俯仰调姿单元9的方向设置为飞行器在垂直状态下产生垂直升力的方向。滚转调姿单元5及俯仰调姿单元9在旋转时会形成反作用扭矩，可以采取平衡反作用扭矩的设置或者设置平衡反作用扭矩的装置。可以采用将各个调姿单元5、9的旋转方向设置为正向与反向两两搭配、采用反作用扭矩抵消的共轴双桨、往反作用扭矩相反的方向倾斜调姿单元5、9等可以平衡反作用扭矩的设置。平衡反作用扭矩的装置可以是尾桨、设置在气流下方的舵面，也可以是其它类型的装置，例如波音公司MD600N直升机采用的NOTAR尾桨，即用喷气引射和旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力的装置；平衡反作用扭矩的装置不是必需的。还可以利用平衡反作用扭矩的设置方法或者设置平衡反作用扭矩的装置来实现偏航控制。俯仰调姿装置采用电机驱动螺旋桨或涵道风扇的方式可以免去原先气动控制舵面、伺服作动器、铰链等复杂的机械部件，使飞行器的机械结构得到进一步简化。当然，还可以采用其它的俯仰调姿装置，例如利用下洗气流作用下的机翼上设置气动控制舵面、主推力装置采用涵道风扇时在涵道风扇的出风口设置有气动控制舵面等装置。

作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进，该飞行器还包括垂直尾翼10，俯仰调姿单元9与垂直尾翼10连接。垂直尾翼10与机翼2可以呈T字型或Y字型或X字型布局；T字型或Y字型或X字型布局是指飞行器的主视图所大体呈现的T或Y或X图形，主视图是指从机头向机尾方向所看到的图形。俯仰调姿单元9可以连接在垂直尾翼10的端部。T字型或Y字型或X字型布局可以不考虑主视图的滚转倾斜角度，例如T字型可以是倒T字型、X字型可以是十字型等，这种简单的变换在本发明方案的精神和范围内。

图2所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼10与机翼2呈T字型布局的示意图，可以采用以下型式：机体1、机翼2大体在同一平面上，垂直尾翼10与机体1连接，垂直尾翼10垂直于机翼2。

图3所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼10与机翼2呈Y字型布局的示意图，可以采用以下型式：机翼2与机体1不在同一平面上，机翼2在机体1的上方或下方，可以通过连接面13连接机体1与机翼2；垂直尾翼10与机体1连接，垂直尾翼10垂直于机翼2。还可以在机翼2设置有小翼，用于水平飞行时的偏航控制。图5所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼10与机翼2呈Y字型布局的俯视图，可以将主推力装置3设置在飞行器的尾部，主推力装置3可以采用涵道风扇。

图4所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼10与机翼2呈X字型布局的示意图，可以采用以下型式：有两组垂直尾翼10分别设置在飞行器处于水平状态下的上方与下方并与机翼2垂直，主视图呈X字型或十字型图像，机体1可以设置在垂直尾翼10与机翼2相交处。

作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进，俯仰调姿单元9连接在垂直尾翼10的端部。滚转调姿单元5可以连接在机翼2的端部。

作为本发明一种尾坐式飞行器的另一种改进，如图6所示本发明一种尾坐式飞行器的俯仰调姿单元9通过伸长肋11与机翼2连接的示意图，俯仰调姿单元9通过伸长肋11与机体1或机翼2连接；俯仰调姿单元9通过伸长肋11与机翼2连接时，有两个俯仰调姿单元9分别对称地设置在左半翼及右半翼。滚转调姿单元5可以连接在机翼2的端部。

作为本发明一种尾坐式飞行器的另一种改进，如图7所示本发明一种尾坐式飞行器的环形机翼示意图，机翼2可以为环形机翼，主推力装置3可以设置在环形机翼内；还可以在环形机翼的左端及右端分别设置有翼梢小翼12，滚转调姿单元5分别连接在各个翼梢小翼12的端部。在采用环形机翼作为机翼2时，可以将飞行器左部的半环机翼定义为左半翼，将飞行器右部的半环机翼定义为右半翼。俯仰调姿单元9可以设置在飞行器水平状态下环形机翼的上端或下端，或在上端或下端同时设置有俯仰调姿单元9。还可以在飞行器水平状态下环形机翼的上端或下端设置有翼梢小翼12，俯仰调姿单元9连接在翼梢小翼12的端部。

以上所谓机翼的端部是指机翼梢部，环形机翼的端部或梢部是指环形机翼的任意一部。以上所谓飞行器水平状态是指机体与地面平行，飞行器机头在前、机尾在后的状态；所谓的垂直状态是指机体垂直于地面，机头朝上、机尾朝下的状态。

作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进，机翼2可以设置有襟翼、副翼，还可以设置有水平尾翼、升降舵面，飞行器还可以设置有起落架。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围；依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种尾坐式飞行器，包括机体（1）、机翼（2）、姿态控制装置、用于为飞行器提供主要推力的主推力装置（3）；所述的主推力装置（3）采用热机作为动力装置，所述的机翼(2)包括左半翼及右半翼；其特征在于：所述的姿态控制装置包括滚转调姿装置、俯仰调姿装置、飞行控制系统（4）；所述的滚转调姿装置用于调整所述飞行器处于垂直状态下的滚转姿态；所述的滚转调姿装置包括至少2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单元（5）、每个滚转调姿单元（5）分别对应功率连接有1个电机（6）、分别控制各个电机（6）输出功率的调速器单元（7）、为滚转调姿装置提供电源的电源模块（8）；所述滚转调姿单元（5）为螺旋桨或涵道风扇，所述的调速器单元（7）与所述的飞行控制系统（4）可操作地连接。

2.根据权利要求1所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的俯仰调姿装置包括至少1个俯仰调姿单元（9）、每个俯仰调姿单元（9）分别对应功率连接有1个电机（6）、分别控制各个电机（6）输出功率的调速器单元（7）、为俯仰调姿装置提供电源的电源模块（8）；所述的俯仰调姿单元（9）为螺旋桨或涵道风扇，所述的调速器单元（7）与所述的飞行控制系统（4）可操作地连接；所述的俯仰调姿单元（9）设置在飞行器处于水平状态下的飞行器的上方或下方。

3.根据权利要求2所述的尾坐式飞行器，其特征在于：该飞行器还包括垂直尾翼（10），所述的俯仰调姿单元（9）与所述的垂直尾翼（10）连接。

4.根据权利要求3所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的垂直尾翼（10）与所述的机翼（2）呈T字型或Y字型或X字型布局；所述的T字型或Y字型或X字型布局是指飞行器的主视图所大体呈现的T或Y或X图形，所述的主视图是指从机头向机尾方向所看到的图形。

5.根据权利要求4所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的俯仰调姿单元（9）连接在垂直尾翼（10）的端部。

6.根据权利要求2所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的俯仰调姿单元（9）通过伸长肋（11）与所述机体（1）或所述机翼（2）连接；俯仰调姿单元（9）通过伸长肋（11）与所述的机翼（2）连接时，有两个俯仰调姿单元（9）分别对称地设置在左半翼及右半翼。

7.根据权利要求1至6所述的任一尾坐式飞行器，其特征在于：所述的滚转调姿单元（5）连接在机翼（2）的端部。

8.根据权利要求1至6所述的任一尾坐式飞行器，其特征在于：所述的机翼（2）为环形机翼。

9.根据权利要求8所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的主推力装置（3）设置在环形机翼内。

10.根据权利要求9所述的尾坐式飞行器，其特征在于：所述的环形机翼的左端及右端分别设置有翼梢小翼（12），滚转调姿单元（5）分别连接在各个翼梢小翼（12）的端部。