CN104470800A - 机翼调节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生空气动力升力的装置，特别是可垂直起降的航行器。机翼配置(110)包括至少一个推进单元(111)，其中推进单元(111)包括旋转质量，其可围绕转动轴(117)旋转。机翼配置(110)安装在机身(101)使得机翼配置(110)可围绕机身配置(110)的纵向机翼轴(112)倾斜，且使得机翼配置(110)可相对于机身(101)围绕不同于纵向机翼轴(112)的另一个转动轴旋转。调节机构围绕纵向机翼轴(112)在回旋力(Fp)的影响下调节机翼配置(110)的倾角，回旋力促使机翼配置(110)围绕纵向机翼轴(112)倾斜。

Description

机翼调节机构
技术领域
本发明涉及一种可垂直起降的航行器和用于操作垂直起降航行器的方法。
背景技术
本发明的主要目的例如是在无跑道的情况下拥有可以起飞并降落的航行器。因此，在过去完成了多个关于所谓垂直起降航行器(VTOL)的研发工作。常规的VTOL航行器需要用来产生垂直升力的垂直推力。用于垂直起降的极限推力可通过大型螺旋桨或喷气式发动机产生。螺旋桨可能在航行器的飞行途中由于高阻力而具有缺点。
用于可悬停飞行的航行器的有效方法由例如使用大机翼面积的直升航行器完成。在已知系统中，航行器包括用于垂直抬升航行器的发动机(例如，螺旋桨)和例如另一发动机，该发动机在飞行模式中产生使航行器达到期望的飞行速度的航行器加速度。
在悬停飞行模式中，航行器(例如，直升航行器)的旋转的机翼或桨叶产生垂直升力。旋转机翼包括翼弦线，其中航行器翼弦线与气流流向之间的夹角可称为迎角。较大迎角产生较大升力，较小迎角产生较小升力，但产生较少阻力。为了实现较高的旋转机翼效率，调节迎角是有帮助的。因此，机翼可围绕其纵轴方向倾斜。
为了控制并驱动这样的机翼倾斜，使用了复杂且耗能的调节机构，例如液压或电驱动系统，其增加了航行器重量和调节机构的误差率。
发明内容
本发明目的是提供适当的机翼调节机构。
该目的可通过产生空气动力升力的装置，通过用于垂直起降的航行器和通过根据权利要求操作所述航行器的方法来实现。
根据本发明的第一方面，示出了用于产生空气动力升力的装置。该装置包括机翼配置，其包括至少一个推进单元。该推进单元包括旋转质量，其可围绕转轴旋转，其中，机翼配置可围绕机翼配置的纵向翼轴线倾斜。机翼配置可围绕另一不同于纵向翼轴线的转动轴旋转。该装置还包括用于围绕纵向翼轴线调节机翼配置倾角的调节机构，该调节考虑到旋进力的影响，旋进力促使机翼配置围绕纵向翼轴线倾斜。旋进力尤其是由围绕另一转动轴的机翼配置的旋转和围绕转动轴的旋转质量的旋转所致。
根据本发明的另一方面，示出了用于垂直起降的航行器。该航行器包括上述装置和机身。
机翼配置被安装在机身上，使得机翼配置可围绕机翼配置的纵向翼轴线倾斜，且使得机翼配置相对于机身可围绕另一个不同于纵向翼轴线的转动轴旋转。
根据本发明的另一方面，描述了用于操作上述用于垂直起降的航行器的方法。根据该方法，在旋进力的影响下调节机翼配置的倾角，旋进力促使机翼配置围绕纵向翼轴线倾斜。
推进单元可以是喷气发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮推进发动机、推进风扇发动机、转缸式发动机和/或螺旋桨发动机。具体的，本文中描述的推进单元是包含了可围绕转动轴旋转的旋转质量的推进单元。旋转质量例如可以是螺旋桨和/或涡轮机级(旋转涡轮桨叶)，其围绕转动轴旋转。转动轴例如可以是螺旋桨发动机的驱动轴和/或喷气发动机的涡轮轴。转动轴可以是非平行于纵向翼轴线的。额外的或可替换的，转动轴可以不平行于另一个转动轴(例如，机身轴)。推进单元可围绕纵向翼轴线相对机翼配置或与机翼配置共同旋转。
在一个实施例中，推进单元可适于产生3千克到5千克的推力。在悬停飞行模式下，可抬起大约25千克。用于垂直起降的航行器因此具有大约0.2到0.4的推力重量比，优选0.3。
机翼配置包括纵向翼轴线，其中纵向翼轴线是指机翼配置可以围绕其相对于机身倾斜的一个轴。纵向翼轴线可由运行的主翼梁或连接例如机翼配置的翼根与机体的螺栓来定义。机翼配置被安装在机体的翼根处，其中在机翼的另一端，相对于翼根定义翼尖，翼尖是机翼配置的自由端。纵向机翼配置可以是平行于例如机翼的前沿和后沿。此外，纵向翼轴线可以是近似垂直于机体纵向轴的一个轴(例如，另一个转动轴)。
机翼配置可包括第一机翼、第二机翼或多个机翼。每个机翼可包括空气动力的机翼轮廓，其分别包括前沿和后沿，空气撞击前沿，并沿后沿流出机翼。机翼配置的翼弦线和机翼分别指想象的在翼型的截面处连接前沿和后沿的直线。翼弦线长度是前沿与后沿之间的距离。
机身描述了航行器的主要机体，其中总体上航行器的重心位于机身区域内。在本发明的一个实施例中，机身可以是小型机体，机翼配置可旋转地安装到该小型机体，使得航行器可被定义为所谓的飞翼式航行器。特别地，机身可以是机翼的一个部分，且机身可包括等于机翼翼弦线(例如，宽度)的长度。可选的，例如机身包括其长度不长于连接前端和后端的机翼的翼弦线(例如，宽度)的情况。机身包括机头和机尾部分。
另一个转动轴是机翼配置围绕其旋转的轴，例如，围绕机身。在一个实施例中，另一个转动轴可以是机身的纵向机身轴(纵向对称轴)。在一个实施例中，另一个轴可包含与纵向机身轴之间的夹角，并且因此可以非平行于纵向机身轴。
在悬停飞行模式中，机翼配置围绕另一个轴而围绕机身旋转，使得由于机翼在空气中的旋转产生一个升力，即使在没有航行器(例如，机身)相对空气运动的情况下。因此，通过在空气中旋转机翼配置可以实现悬停飞行模式。机身可与机翼配置共同围绕另一个转动轴旋转。可选的，机翼配置可相对于机身旋转，使得在悬停飞行模式中为产生升力只有机翼配置旋转。此外，如果机翼配置在悬停飞行模式中旋转，那么产生一个稳定力矩(例如，回转力矩，即角动量守恒)用来稳定航行器。在固定翼模式下，机翼配置固定在机身上，而没有机翼配置与机身之间的相对运动，使得通过航行器穿过空气的向前运动而产生升力。
机翼配置在空气中旋转并且空气具有已知的相对于机翼配置的气流方向。所谓的迎角定义了机翼配置相对于气流方向的定位，机翼配置通过迎角来移动。迎角被定义为机翼配置的翼弦线与气流方向间的夹角，气流进攻并冲击机翼配置的前沿。如果迎角增大，抬升系数c增大，直到达到临界迎角，在临界迎角时一般会发生失速。
该装置可以是上述航行器的一部分。而且，该装置可以在空间上相对于用于夹持住装置的夹持装置或相对于地面而分别固定，并因此形成通风机、鼓风机、涡轮机级或压缩机。
因此，为了充分地控制装置，调节装置的预设抬升是必要的。装置的抬升可以通过例如机翼配置围绕另一个转动轴的旋转速度来定义，及通过调节迎角来定义。术语“升力”定义了一个力，该力促使装置沿预定方向移动，例如，水平的或垂直的。例如，如果该装置在空间上被固定，升力通过旋转机翼配置而产生气流。如果装置不是空间上固定的，那么升力可导致装置在空气中的移动。
通过本发明，调节机构以有效并简单的方式调节机翼配置的倾角(和因此定义的迎角)。使用回旋力来调节机翼配置的倾角。其他主动围绕纵向翼轴线驱动并且倾斜机翼配置的驱动机构可能是已经过时的。
调节机构可包括一个连接机构，其调节机翼配置的倾角且/或将机翼配置连接到机身，其中调节机构提供了机翼配置的围绕纵向翼轴线的相对旋转，和/或相对于机身的围绕纵向翼轴线的移动，使得回旋力可将机翼配置围绕纵向翼轴线倾斜。
调节机构可包括引导元件，例如导轨或导槽，可采用例如对应的螺栓、(主)翼梁或其他引导元件来提供引导的并可控的在机翼和机身之间围绕纵向翼轴线的相对运动。例如，在一个实施例中，(主)翼梁可固定在机身上，并且螺栓可与引导槽连接，使得螺栓沿引导槽的运动引起机翼围绕主翼梁的转动。
回旋力由围绕另一个轴的机翼配置的旋转引起，且由围绕推进单元转动轴的旋转质量的旋转引起。旋转质量，如螺旋桨，试图沿直线方向和切线方向相对于圆周路径围绕另一个转动轴驱动推进单元和机翼配置。由于围绕另一个转动轴的机翼配置的旋转，促使推进单元也围绕另一个转动轴旋转，使得约束力促使推进单元离开其预期的纵向和切向方向，并且使其沿圆周路径围绕另一个转动轴运动。由于该另一个力(约束力)作用在旋转质量上，其围绕转动轴旋转，回旋力因此产生。回旋力沿一个方向作用，该方向相对于沿旋转质量的旋转方向围绕转动轴的另一个力大致垂直的(90°)移动。
该回旋力可依赖于围绕转动轴的旋转质量的旋转速度、重量、围绕另一个转动轴的机翼配置的旋转速度和旋转质量的重心和围绕另一个转动轴的机翼配置的旋转速度。
调节机构可适于使得回旋力促使机翼配置围绕纵向翼轴线与第一旋转方向倾斜。例如，作用在机翼配置上的升力促使机翼配置围绕纵向翼轴线与第二旋转方向旋转，其中第一旋转方向与第二旋转方向指向相反。因此，机翼配置的倾角依赖于由回旋力产生的转矩和由升力产生的相反指向的转矩之间的平衡。
如果升力的转矩小于回旋力的转矩，那么回旋力支配绕纵向翼轴线的机翼配置的倾斜，使得纵向翼轴线将围绕纵向翼轴线倾斜，并且迎角可能增大。增大的迎角也提高了升力。如果升力的转矩与回旋力的转矩平衡，可获得恒定的机翼配置倾角。
如果例如升力的转矩高于回旋力的转矩，那么升力支配围绕纵向翼轴线的机翼配置的倾斜。因此，机翼配置围绕纵向翼轴线倾斜可以减小迎角。因此，升力将减小直到升力矩与旋转力矩平衡。如果调节回旋力与升力之间的平衡点，将获得恒定的且期望的机翼配置的倾角。如果，例如减小迎角，那么阻力也减小，其导致围绕另一个转动轴的机翼配置的旋转速度(如果对机翼配置施加一个恒定的驱动力矩)增加。特别地，平衡点依赖于推进单元旋转质量的旋转速度。
因此，通过提供一种上述调节机构，可实现机翼配置的倾角的迎角的简单调节。可简单地通过使用回旋力，围绕纵向翼轴线调节机翼配置的期望倾角。例如，回旋力依赖于另一个转动轴的机翼配置的旋转速度和围绕转动轴的旋转质量的旋转速度。因此，可通过控制机翼配置围绕另一个旋转轴的旋转或通过控制推进单元，即围绕转动轴的旋转质量(螺旋桨)的旋转速度来调节回旋力的大小。此外，通过上述调节机构，可适应的倾角是可自动调节的且可通过分别调节回旋力和升力的转矩的平衡来自行作用。如果由升力产生的转矩过低且由回旋力产生的转矩高于由升力产生的转矩，那么回旋力增大机翼配置的迎角，使得升力升高，反之亦然。因此，可实现由回旋力产生的自动且自行作用的升力调节，而不需要复杂的调节单元。
根据另一个实施例，回旋力促使机翼配置围绕纵向翼轴线以第一转动方向倾斜。调节机构包括控制元件，该控制元件具有相对第一旋转方向作用在相反方向或同一方向控制力，用来控制机翼配置的倾斜。
根据一个实施例，控制元件包括液压泵、气动泵、(拉伸或压缩)弹簧、和/或伺服电机。
因此，采用例如弹簧的控制元件，可影响平衡点，在平衡点处回旋力的转矩与升力的转矩平衡。例如，如果基于预设的围绕另一个机身转动轴的机翼配置的旋转，和/或基于预设的围绕转动轴的旋转质量的旋转速度来期望实现更高的升力，那么调节控制元件以提供更高或更低的控制力。因此，通过使用控制元件，在预设的回旋力的情况下，可将机翼配置的迎角设置为更大或更小。因此，由于更大的迎角，可通过调节机构的倾角来实现更大的升力。
根据另一个实施例，航行器包括控制装置，其适于控制控制力。在另一个实施例中，控制装置适于基于数据控制控制力，该数据表示围绕转动轴的推进单元中旋转质量(螺旋桨、涡轮桨叶)的旋转速度、围绕另一个转动轴的机翼配置的旋转速度、重量、飞行高度、(机翼/机身)尺寸和机翼配置的迎角。所述参数值可通过传感器系统测量，传感器系统包括位于航行器上足够多地点的传感器。
因此，通过提供上述控制装置，可将期望的升力和/或期望航行器高度的参数(数据)表示值输入到控制装置中。因此，基于上述参数和数据(例如，旋转质量的旋转速度、机翼配置的旋转速度、迎角)，控制装置计算出必要和所需的参数值，该参数值用于产生所需的回旋力，其引起所需迎角的调节，使得计算出所需的升力。
因此，例如，在不需要额外的用于主动调节机翼配置的机械零件的情况下，实现了适当的控制机构和调节机构以抵消升力。
根据另一个实施例，航行器包括套筒，机翼安装在套筒上。套筒滑动地安装在机身上，使得套筒可沿机身表面(即沿机身中轴)滑动，并使得套筒可围绕另一个转动轴旋转。
通过套筒将机翼配置附接在机身上。通过使用套筒，机翼配置例如出于固定的目的可围绕套筒且可以不穿过机身。因此机翼配置和机身之间的相对运动通过使用套筒是不可实现的。通过套筒将机翼配置可旋转地固定到机身的圆周表面。该套筒可以是封闭或开放的，机翼配置附接在套筒上，例如套筒的外表面。此外，套筒可滑动地夹紧机身的外表面，其中在套筒和机身之间形成一个滑动轴承。除了滑动轴承，套筒和机身外表面可适于形成例如球轴承而使得摩擦减小。
在套筒内表面和机身外表面之间可插入轴承环，其不可转动的固定在机身上或机翼配置上。例如，套筒可相对于轴承环滑动，其中轴承环不可滑动地固定在机身上。
可选的，根据另一个实施例，轴承环可滑动的安装在机身上，使得轴承环可沿机身表面滑动，并使得轴承环可围绕另一个转动轴旋转。机身可随轴承环围绕另一个转动轴共同旋转。
另外可选的，根据另一个实施例，轴承环可旋转的安装在机身上，使得轴承环可围绕机身的中轴(或另一个转动轴)旋转，但其中轴承环安装在机身上，使得轴承环沿中轴(或另一个转动轴)不可移动。安装有机翼配置的套筒可相对于轴承环沿中轴(或另一个转动轴)移动，且套筒与轴承环共同围绕中轴(或另一个转动轴)旋转。
轴承环可包括滚动轴承元件，其位于轴承环和机身表面之间，使得轴承环可围绕机身旋转。
为了提供上述机翼配置在机身上的固定，根据另一个实施例，航行器包括第一固定元件(例如，第一螺栓)和第二固定元件(例如，第二螺栓)。套筒包括细长的通孔，其可具有大致平行于中轴(或另一个转动轴)的延伸。第一固定元件和第二固定元件例如以可旋转的方式相互连接，空间上彼此相互分离地连接到机翼配置上。第一固定元件还连接到套筒，且第二连接元件还通过细长通孔分别连接到机身或轴承环。例如，第一固定元件和第二固定元件可以分别是第一螺栓和第二螺栓，或者第一翼梁和第二翼梁。例如，第一和第二固定元件的第一端分别可旋转地连接到机翼配置的根部。例如，第一和第二固定元件的另外一端可旋转地与套筒连接，且可旋转地固定在机身或轴承环上。
将机翼配置连接至机身或轴承环的第二固定元件形成枢轴点，通过该枢轴点机翼配置的纵向翼轴线(即机翼转动轴)运动。因此，机翼配置可围绕枢轴点旋转。
例如，如果套筒可沿机身或轴承环表面移动，例如，沿另一个转动轴，第一固定元件(例如，螺栓)与套筒共同移动，而固定在机身或轴承环上的第二固定元件(例如，螺栓)则不沿另一个转动轴移动。因此，通过沿机身移动套筒和因此第一固定元件，机翼配置围绕枢轴点转动，例如围绕纵向翼轴线。围绕纵向翼轴线的机翼配置的倾斜和因此套筒沿轴承环或机身的移动通过回旋力、升力、和/或控制力分别开始，直到实现回旋力产生的转矩、升力产生的转矩、和/或控制力产生的转矩之间相对与支撑轴的平衡。
通过上述用于在机身上固定机翼配置的固定机构来形成调节机构的可靠的机械控制。
根据另一个实施例，机翼配置适于这样的方式，即在固定翼飞行模式下，机翼配置不围绕另一个转动轴旋转。机翼配置还适于这样的方式，即在悬停飞行模式下，在固定翼模式下，机翼配置围绕纵向翼轴线相对于其水平方向倾斜，并且机翼配置还适于这样的方式，即机翼配置围绕另一个转动轴旋转。
特别地，在悬停飞行模式下，机翼配置旋转产生升力。在固定翼飞行模式中，机翼配置固定在机身上而没有机翼配置和机身之间的相对运动，使得通过航行器的前向运动，由穿过空气移动的机翼配置产生升力。额外的，另外的一个与沿纵轴方向机身轴分开的机翼配置可附在机身上。
因此，通过实施例示出了垂直起降的航行器，其结合了固定翼飞行模式的航行器和悬停飞行模式的航行器。因此，可将在每种模式下二者的优点结合起来。例如，固定翼航行器在巡航飞行时，即当航行器穿过空气时更有效率。另一方面，在航行器的悬停飞行模式下，机翼，如直升机的机翼或桨叶旋转，使得在悬停飞行模式下机翼本身产生升力。基于大型机翼长度，该模式与所熟知的VTOL航行器中的升力产生推进发动机相比更有效率。例如，所知的VTOL航行器由发动机功率而不是由机翼旋转的空气动力升力而产生升力。
根据另一个实施例，第一旋转方向与第二旋转方向不同。
在悬停飞行模式中，第一纵向翼轴线和第二纵向翼轴线彼此平行定向，例如共轴。在固定翼飞行模式中，第一纵向翼轴线和第二纵向翼轴线也可延伸彼此平行。在可选的实施例中，第一纵向翼轴线和第二纵向翼轴线可相对彼此非平行，使得获得一个第一纵向翼轴线和第二纵向翼轴线之间的夹角。如果第一纵向翼轴线和第二纵向翼轴线包括彼此间的夹角，那么第一机翼和第二机翼可形成机翼的横扫，特别是前向横扫、扫掠、斜翼或变速扫掠(摇翼)。
根据另一个航行器的实施例，第一机翼的第一旋转方向不同于第二机翼的第二旋转方向。特别的，如果第一机翼从机身的一侧延伸且第二机翼从机身的对侧延伸，并且第一机翼和第二机翼围绕另一个转动轴，即纵向机身轴旋转，那么有必要将每个机翼边缘，即机翼的前沿移动穿过空气，使得空气冲击(冲撞)在前沿而不是后沿，这样使得机翼轮廓产生升力。因此，为了将航行器从固定翼飞行模式变换到悬停飞行模式，第一机翼可围绕其第一机翼纵向轴沿第一旋转方向旋转60°(度)至120°，特别是约90°，并且第二机翼可围绕其第二机翼纵向轴沿第二旋转方向旋转60°(度)至120°，特别是约90°，该第二旋转方向与第一旋转方向相反。
在一个可选的实施例中，第一旋转方向与第二旋转方向相同也是可能的。
根据本发明的航行器可以是有人驾驶或无人驾驶的飞行器(UAV)。航行器可例如是无人驾驶航行器，其包括例如翼展为大约1m到4m(米)，重量大约为4kg到200kg(千克)。
特别地，根据该方法的实施例，回旋力(Fp)由如下方面控制：
a)控制推进单元的旋转质量围绕转动轴的旋转速度，
b)控制机翼配置围绕另一个转动轴的旋转速度和机翼配置的迎角，
c)控制旋转质量的重量平衡，且/或
d)控制转动轴、另一个转动轴和/或纵向翼轴线之间的夹角。
在优选的实施例中，专门地分别控制旋转速度和/或推进单元的推力用于在悬停飞行模式下控制航行器。因此，实现了悬停飞行模式下简化的控制动力。
必须注意到本发明的实施例是参考不同主题来描述的。特别地，一些实施例是参考设备型的权利要求，而其他实施例是参考方法型的权利要求。但是，除非特别指出，本领域技术人员将从上述和下面的说明书中获得属于一种主题的技术特征的任意组合，还可获得涉及不同主题的技术特征之间的任意组合，特别是在设备型权利要求的技术特征和方法型权利要求的技术特征之间的任意组合可视为被本申请公开。
附图说明
本发明上面定义的方面和其他方面在下文的实施例中是显而易见的，并且可参考实施例进行解释。下文中将参考实施例对本发明进行更为详细的描述，但本发明并不被实施例所限制。
图1示出了根据本发明实施例的处于悬停飞行模式下的航行器的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的调节机构的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的处于悬停飞行模式下的航行器的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的处于固定翼飞行模式下的航行器的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的产生空气动力升力的装置的实施例。
具体实施方式
附图中的说明是示意性的。应注意在不同附图中，为相似或完全相同的元件提供相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的实施例的用于垂直起降的航行器100的实施例。航行器100包括机身101，机翼配置110，其包括至少一个推进单元111和调节机构。
推进单元111包括旋转质量(例如，螺旋桨或喷气发动机的旋转桨叶)，其可围绕转动轴117旋转。机翼配置110安装在机身101上，使得机翼配置110可围绕机翼配置110的纵向翼轴线112倾斜。此外，机翼配置110安装在机身101上，使得机翼配置110可围绕另一个转动轴102(例如，纵向机身轴)相对于机身101旋转。该另一个转动轴102不同于纵向翼轴线112。例如，另一个转动轴102大致垂直于纵向翼轴线112。
调节机构适于围绕纵向翼轴线112，在回旋力Fp的影响下调节机翼配置110的倾角。回旋力Fp促使机翼配置110围绕纵向翼轴线112倾斜，使得预设的机翼配置110的迎角α可调节。回旋力Fp从围绕另一个转动轴102的机翼配置110的旋转和围绕转动轴117的旋转质量的旋转中产生。
机翼配置110包括例如第一机翼113和第二机翼114。机翼113、114中的每一个分别包括前沿115、115’和后沿116、116’。
推进单元111、111’分别促使机翼113、114围绕另一个转动轴102旋转。通过机翼113、114围绕另一个转动轴102的旋转，产生升力Fl，使得航行器100可通过空气飞行并悬停，如直升航行器。
机翼113、114分别围绕纵向翼轴线112的倾角可以通过调节机构在回旋力Fp的影响下调节。回旋力Fp从旋转中和机翼配置110围绕另一个转动轴102的旋转速度中，以及旋转和围绕转动轴117的旋转质量的旋转速度中产生。
如果第二机翼114例如围绕另一个转动轴102旋转，将促使具有旋转质量的推进单元111离开直线方向(其可与转动轴117共轴)，并且促使其围绕机身101沿圆周路径移动。因此，产生另一个力Ff，其促使推进单元111沿圆周路径运动。另一个力Ff特别地作用于推进单元111的旋转质量上，使得产生回旋力。至少回旋力的一个分量沿旋转质量旋转方向指向相对于另一个力Ff的90°方向。如图1所示，回旋力Fp的至少一个分量可沿机身轴(即另一个转动轴)作用。
回旋力Fp作用于转动轴117，其中旋转质量包括其在转动轴117上的枢轴点。图1示出了产生的升力Fl。通过调节机构，将纵向翼轴线112定义在回旋力Fp的着力点(attacking point)和沿翼弦线203方向产生的升力Fl的着力位置之间(见图2)。换句话说，机翼113、114分别的转轴(即，纵向翼轴线112)在回旋力的着力点和升力的着力点之间形成。
因此，如果回旋力Fp产生的转矩高于升力Fl产生的转矩，机翼113、114的每一个围绕纵向翼轴线112旋转。因此在图2中详细示出的迎角α增大，且升力Fl也增大。如果回旋力Fp产生的转矩与升力Fl产生的转矩平衡，可以得到期望的机翼配置110的倾角，即，第一机翼113和第二机翼114的倾角。
回旋力Fp的大小可通过推进单元111的旋转质量的旋转速度和围绕另一个转动轴102的机翼配置110的旋转速度控制。因此，通过控制旋转速度中的一个，可控制回旋力Fp并且因此迎角和升力Fl可以被控制。因此，通过调节机构，可以调节期望的机翼配置110的倾角和因此期望的升力Fl，使得可以简单的方式控制航行器。用于调节例如倾角的复杂的驱动机构不是必须的。
通过采用可旋转地安装在机身101上的套筒104，可以实现机翼配置110与机身101的连接。第二固定元件202(见图2)可由筒套104的细长通孔106导入。第一固定元件201(见图2)和第二固定元件202以例如可旋转的方式相连，并空间上彼此与机翼配置110分离。第一固定元件201还与筒套104相连，且第二固定元件202还通过细长通孔106与机身101或轴承环分别相连。在筒套104和机身101之间插入轴承环。第一固定元件201和第二固定元件202可例如分别是第一螺栓和第二螺栓，或第一翼梁和第二翼梁。第一和第二固定元件的201和202的分别的第一端可旋转地与机翼配置110的根部相连，第一和第二固定元件的201和202分别的相对端可旋转地与套筒104相连，并可旋转地固定在机身101和轴承环上。
轴承环可固定在机身101上，使得轴承环围绕机身101不可旋转。因此，套筒104与轴承环相连，使得套筒104围绕轴承环可旋转。可选地，轴承环与机身101相连，使得轴承环可围绕机身101旋转。因此，轴承环和套筒104二者都可围绕机身101旋转。因此，轴承环与套筒104之间的旋转不是必须的。
可选地，轴承环可安装在机身101上，使得轴承环可围绕机身101旋转。因此，轴承环和套筒104二者都可围绕机身101旋转。因此，轴承环与套筒104之间的旋转不是必须的。套筒104还可相对轴承环沿机身的中轴(或另一个转动轴102)移动。
另外，如图1所示航行器100在尾部可包括多个尾部机翼107用来形成例如尾翼。对于尾翼107，着陆元件108可以折叠或伸缩的方式形成，使得在航行器100的着陆过程中，着陆元件，例如轮子或起落架可被启用或停用。着陆元件可延伸出尾翼或收回进尾翼、机身或尾翼107。另外，着陆元件可包括空气动力表面，使得在其可伸缩状态下可形成额外的气流面。通过额外的气流面，尤其在航行器着陆和起飞的过程中，飞行特性可以得到改进。
此外，如图1所示，在航行器100的尾部，可安装另一个推进单元105，使得另一个推进单元105产生沿例如另一个转动轴102的推力。另一个推进单元105可以例如使火箭发动机或喷气式发动机。
图2详细示出了在回旋力Fp的影响下，用于调节机翼配置110的倾角的示例性调节机构。例如，机翼配置110可通过插入套筒104和可选的轴承环将机翼配置110附接至机身101。第一固定元件201，如第一固定螺栓，将机翼配置110连接到套筒104。第二固定元件202，如第二固定螺栓，将机翼配置110通过细长通孔106连接到机身101或轴承环。
机翼113、114的每个的转动轴(即纵向翼轴线112)特别地由第二固定元件202定义，该第二固定元件分别将机翼113、114可旋转地连接到机身101或轴承环上。可将第二固定元件202，例如螺栓分别固定在机身101或轴承环上，并固定在围绕机身101呈圆周形分布的圆周槽内，使得第二固定元件202可在槽内围绕另一个转动轴102运动，使得第二固定元件202可与机翼配置110共同旋转。
第一固定元件201可在引导槽205内固定在套筒104上，使得机翼配置110在围绕第二固定元件202倾斜的过程中，第一固定元件201可沿引导槽205滑动以避免妨碍机翼配置101的倾斜。
因此，如果套筒104沿滑动方向207(例如平行于另一个转动轴(102))分别相对于机身101或轴承环移动，则第一固定元件201也会沿机身101移动，特别是沿另一个转动轴102移动，其中，第二固定元件202沿另一个转动轴102不改变位置，因为其分别固定在机身101或轴承环上。因此，通过沿另一个转动轴102滑动套筒104，可实现围绕第二固定元件202的机翼配置110的倾斜。
套筒104分别沿机身或轴承环的滑动，和因此沿另一个转动轴102的滑动可由回旋力Fp和升力Fl触发。如图2所示，回旋力Fp作用于机翼配置110上，作用于115的前沿区域，特别是在推进单元的旋转质量111围绕转动轴117的区域。回旋力Fp与第二固定元件202相隔x1的距离，其形成了第一杠杆臂x1。在第二固定元件202和机翼配置110的后沿116之间的区域，产生的升力Fl具有着力点206，并且作用于机翼配置110。升力Fl分布在相对于回旋力Fp的相反方向，距第二固定元件202第二距离，其形成第二杠杆臂x2.
回旋力Fp和升力Fl围绕第二固定元件202产生分别的相反的机翼配置110的转矩。因此，如果由回旋力Fp产生的转矩和第一杠杆臂x1大于由升力Fl产生的转矩和第二杠杆臂x2，将促使机翼配置110以这样的方式旋转使得迎角α增大。在机翼配置110围绕第二固定元件102旋转的过程中，套筒104沿滑动方向207滑动，且第一固定元件101在套筒104的引导槽205内滑动。
调节机翼配置110期望的倾角(即期望的迎角α)，如果由回旋力产生的力矩等于由升力Fl产生的力矩：
M(Fp,x1)＝M(Fl,x2)
如果升力Fl产生的力矩高于回旋力Fp产生的力矩，机翼配置110以这样的方式旋转，使得迎角α减小。因此升力Fl也减小，直到回旋力Fp产生的力矩与升力Fl产生的力矩相平衡。因此，示出了用于调节机翼配置110的倾角的自动调节的调节机构，该机构不需要引入复杂的驱动机构来驱动机翼配置110的倾斜。
迎角α是机翼配置110的翼弦线203相对于气流方向204的夹角，气流来自于例如机翼配置110在空气中的旋转。
为了影响机翼配置110的倾角和迎角α，机翼配置110围绕另一个转动轴102的旋转速度和围绕转动轴117的旋转质量的旋转速度可以调节。
此外，为了影响机翼配置110的倾角和迎角α，可安装控制元件103、103’使得控制元件103、103’产生控制力Fd，该力作用在机翼配置110的第一旋转方向的相反方向，该第一旋转方向由回旋力Fp产生。可选地，控制元件103、103’产生控制力Fd，其作用在机翼配置110的第一旋转方向的相同方向，该第一旋转方向由回旋力Fp产生。例如，控制元件103可以是插设在套筒104和第二固定元件202之间的弹簧。因此，控制元件103，即弹簧，抑制套筒104沿机身101的滑动运动，该滑动运动由回旋力Fp引起。
在另一个实施例中，控制单元103、103’可产生可调节的控制力Fd，使得期望的控制力Fd是可调节的。通过例如伺服电机、涡轮传动、和/或液压元件调结控制力Fd，可实现机翼配置110的期望的倾角。
图3示出了处于悬停飞行模式下的航行器。机翼配置110包括第一机翼113和第二机翼114，其沿机身101的反方向延伸。第一机翼113和第二机翼114安装在套筒104上，其中第一机翼113和第二机翼114围绕另一个转动轴102(例如，机身轴)旋转。机翼113、114围绕另一个转动轴102的旋转是分别由安装在机翼113、114上的推进单元111、111’驱动的。驱动单元111、111’包括旋转质量(例如，螺旋桨)，其分别围绕推进单元111、111’的转动轴117、117’旋转。机翼113、114适用于这样的方式，使得在悬停飞行模式下，机翼113、114分别围绕纵向翼轴线112、112’倾斜，使得由于机翼113、114围绕机身101的分别的旋转而产生升力Fl。
另外，图3示出了机身101包括例如，四个尾翼107。尾翼107可在悬停飞行模式下或固定翼飞行模式下平衡机身101。此外，尾翼107可控制航行器110的飞行方向。在一个实施例中，尾翼107可围绕纵向机身轴旋转，例如，另一个转动轴102。该尾翼107的旋转可引起转矩，该转矩用于抵抗由机翼113、114的旋转所导致的引入机身110的转矩。
图4示出了在固定翼飞行模式下的航行器100。在固定翼飞行模式下，第一机翼113和第二机翼114分别围绕纵向翼轴线112、112’以这样的方式倾斜，即，例如第一机翼113的翼弦线203和第二机翼114的翼弦线203是平行的。推进单元111、111’同样相比图3中所示的悬停飞行模式分别围绕纵向翼轴线112、112’倾斜。在固定翼飞行模式中，推进单元111、111’产生推力用于在固定翼飞行模式下驱动航行器100。在固定翼飞行模式下，航行器100与悬停飞行模式下的前向运动相比更有效率地穿过空气。尾翼107用于控制航行器100的飞行方向。机翼113、114也可包括可控的例如可形成副翼的表面部件。因此，可在固定翼飞行模式中实现对航行器更好的控制。
图5示出了用于产生空气动力升力的装置。该装置包括机翼配置110，其中在机翼配置110的两端区域分别安放了推进单元111。每个推进单元包括可围绕转动轴117旋转的旋转质量。机翼配置110可围绕纵向翼轴线112倾斜。此外，机翼配置110可围绕另一个不同于纵向翼轴线112的转动轴102旋转。调节机构围绕纵向翼轴线112在回旋力Fp的影响下调节机翼配置110的倾角。回旋力促使机翼配置110围绕纵向翼轴线112倾斜。
在图5的实施例中，如上面实施例所示，机翼配置110是不与机身101相连的。换句话说，机翼配置110在第一机翼113和第二机翼114中是分开的。在机翼113、114二者的接触区可形成小型机身101，其中机身101可以是机翼配置110的一部分，且因此包括机身长度等于机翼配置110的翼弦线。
此外，如图5所示，通过该装置携带的重量501，例如货物，可通过连接元件502，例如支撑缆索，固定在机翼配置110上，且在机翼配置110围绕另一个转动轴102的旋转点上。
因此，该装置构成了飞行运输器，其可将重量501运输到期望的地点。该装置可例如是通过在地面上的操作者遥控的。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”不排除多个。同样，不同实施例中描述的元件可以合并。同样应当注意，权利要求中的附图标记不应理解为限定权利要求范围。
附图标记列表：
100 航行器
101 机身
102 另一个转动轴
103 控制元件
104 套筒
105 另一个推进单元
106 细长通孔
107 尾翼
108 着陆元件
110 机翼配置
111 推进单元
112 纵向翼轴线
113 第一机翼
114 第二机翼
115 前沿
116 后沿
117 转动轴
201 第一固定元件
202 第二固定元件
203 翼弦线
204 气流方向
205 引导槽
206 升力的着力点
207 套筒的滑动方向
501 重量
502 支撑绳
Fp 回旋力
Ff 另一个力
Fd 控制力
Fl 升力
α 迎角
x1 第一杠杆臂
x2 第二杠杆臂

Claims (14)

1.一种产生空气动力升力的装置，所述装置包括：
机翼配置(110)，其包括至少一个推进单元(111)，
其中，所述推进单元(111)包括可围绕转动轴(117)旋转的旋转质量，
其中所述机翼配置(110)可围绕所述机翼配置(110)的纵向机翼轴(112)倾斜，
其中所述机翼配置(110)可围绕不同于所述纵向机翼轴(112)的另一个转动轴(102)旋转，及
调节机构，所述调节机构用于调节在回旋力(Fp)的影响下围绕所述纵向机翼轴(112)的所述机翼配置(110)的倾角，所述回旋力促使所述机翼配置(110)围绕所述纵向机翼轴(112)倾斜。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中所述回旋力(Fp)促使所述机翼配置(110)围绕所述纵向机翼轴(112)与第一旋转方向倾斜，及
其中所述调节机构包括控制元件(103)，所述控制元件(103)具有控制力(Fd)，所述控制力(Fd)作用在与所述第一旋转方向相同或不同的方向，用来控制所述机翼配置(110)的倾斜。
3.根据权利要求2所述的装置，
其中所述控制元件(103)包括液压泵、气动泵、弹簧、伺服电机和/或涡轮传动装置。
4.根据权利要求2或3所述的装置，还包括：
适于控制所述控制力(Fd)的控制装置。
5.根据权利要求4所述的装置，
其中所述控制装置适于基于数据来控制所述控制力(Fd)，所述数据是表示所述推进单元(111)的旋转质量围绕所述转动轴(117)的旋转速度、所述机翼配置(110)围绕所述另一个转动轴的旋转速度、和所述机翼配置(110)的迎角α。
6.根据权利要求1至5任一项所述的装置，
其中所述机翼配置(110)包括第一机翼(113)和第二机翼(114)，
其中所述纵向机翼轴(112)分为第一纵向机翼轴和第二纵向机翼轴，
其中所述第一机翼(113)沿所述第一纵向机翼轴从所述机身(101)延伸，且所述第二机翼(114)沿所述第二纵向翼轴线从所述机身(101)延伸，
其中所述第一机翼(113)可围绕所述第一纵向翼轴线与所述第一旋转方向倾斜，及
其中所述第二机翼(114)可围绕所述第二纵向翼轴线与所述第二旋转方向倾斜。
7.根据权利要求6所述的装置，
其中所述第一旋转方向不同于所述第二旋转方向。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，
其中所述推进单元(111)包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、螺旋桨风扇发动机和/或螺旋桨发动机。
9.一种用于垂直起降的航行器(100)，所述航行器(100)包括：
根据权利要求1至8所述的装置，及
机身(101)，
其中所述机翼配置(110)被安装到所述机身(101)，使得所述机翼配置(110)可相对于所述机身(101)围绕所述纵向翼轴线(112)倾斜，且使得所述机翼配置(110)可相对于所述机身(101)围绕另一个转动轴旋转。
10.一种根据权利要求9所述的航行器(100)，
其中所述调节机构还包括套筒(104)，所述机翼配置(110)安装在所述套筒(104)上，
其中所述调节机构还包括轴承环，其被插设在所述套筒(104)和所述机身(101)之间，
其中套筒(104)和轴承环可旋转地安装在机身(101)上，使得所述套筒(104)和所述轴承环可围绕另一个转动轴(102)旋转，
其中所述套筒(104)可沿所述轴承环滑动，用于调节所述机翼配置(110)的倾角。
11.根据权利要求10所述航行器(100)，
其中所述调节机构包括第一固定元件(201)和第二固定元件(202)，
其中所述套筒(104)包括细长通孔(106)，
其中所述第一固定元件(201)和所述第二固定元件(202)空间上彼此分开，并与所述机翼配置连接(110)，
其中所述第一固定元件(201)还和所述套筒(104)相连，及
其中所述第二固定元件(202)还通过所述细长通孔(106)与所述轴承环相连。
12.一种根据权利要求9至11中的任一项所述的航行器(100)，
其中所述机翼配置(110)适于这样的方式，即在固定翼飞行模式下，所述机翼配置(110)不围绕所述另一个转动轴(102)旋转，及
其中所述机翼配置(110)还适于这样的方式，即在悬停飞行模式下，所述机翼配置(110)可围绕所述纵向翼轴线(112)相对其在所述固定翼飞行模式下的定向而倾斜，并且所述机翼配置(110)围绕所述另一个转动轴(112)旋转。
13.一种用于操作根据权利要求1至8中的任一项所述的用于产生空气动力升力装置的方法，该方法包括：
围绕所述纵向翼轴线(112)在所述回旋力(Fp)的影响下调节所述机翼配置(110)的倾角，所述回旋力促使所述机翼配置(110)围绕所述纵向翼轴线(112)倾斜。
14.根据权利要求13所述方法，还包括
控制所述回旋力(Fp)，
a)通过控制所述推进单元(111)的旋转质量围绕所述转动轴(117)的旋转速度，
b)通过控制所述机翼配置(110)围绕所述另一个转动轴(112)的旋转速度，和所述机翼配置(110)的迎角(α)，
c)通过控制所述旋转质量的重量平衡，和/或
d)通过控制所述转动轴(117)、所述另一个转动轴(102)和/或所述纵向翼轴线(112)之间的夹角。
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