CN105667782A - 一种复合式垂直起降飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合式的垂直起降飞行器；包括机身（2）、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼（1）、用于锁定旋翼/机翼（1）的锁定装置；其中，该复合式垂直起降飞行器还包括用于姿态控制的调姿喷嘴（3）、高压空气导管（4）、用于产生高压空气的发动机（8），调姿喷嘴（3）与高压空气导管（4）连接，高压空气导管（4）用于输送发动机所产生的高压空气；调姿喷嘴（3）的方向设置为使调姿喷嘴（3）可以产生垂直推力或垂直推力的矢量分量的方向；至少有两个调姿喷嘴（3）分别置于飞行器的左部及右部作为滚转调姿装置，该复合式垂直起降飞行器还包括俯仰调姿装置这样的好处是，通过设置有独立于旋翼/机翼的调姿喷嘴，使升力产生机制转换期间的飞行控制更加稳定，可以更加安全、平稳地转换到固定翼模式或直升机模式。

Description

一种复合式垂直起降飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直起降飞行器，尤其涉及一种复合式的垂直起降飞行器。

背景技术

S-72型复合式飞行器为西科斯基研制的“X翼”系统的复合式垂直起降试验机，该飞行器使用了“旋翼/机翼”技术（Rotor/Wing，RW）。“X翼”是作为“停转旋翼”（stoppedrotor）系统的构思，四片桨叶的主旋翼能用于像常规直升机一样垂直飞行，一旦达到足够的前飞速率后就在半空中停止转动，作为像“X形状”的固定翼飞行。此外，“X翼”采用了环流控制旋翼（circulationcontrolrotor，CCR），依靠CCR旋翼从旋翼桨叶叶片后缘吹出高压空气，推动旋翼转动。

波音公司研制的X-50A“蜻蜓”无人机是一种复合式垂直起降试验机，这种复合式飞行器称之为鸭式旋翼/机翼（CanardRotor/Wing，CRW）飞行器，X-50A“蜻蜓”设计有类似直升机的宽旋翼，它在起飞时就像普通直升机一样使用顶部旋翼，当飞机平飞时，旋翼被锁定在机身上，它就成为固定机翼，从而使飞机既具有直升机一样的垂直起降和空中悬停能力，又能像固定翼飞机那样高速巡航飞行，这种设计不仅融合了两种不同种类飞机的飞行性能，提高了各自的飞行包线，而且还具有较低的信号特征值和很好的高速飞行生存性。X-50A“蜻蜓”无人机具有鸭式前翼和宽大的水平尾翼，机顶上有一字形的旋翼/机翼。在直升机模式状态下，旋翼/机翼在喷气翼尖的作用下旋转，产生升力。一字形的旋翼/机翼相当于双叶旋翼，可以用跷跷板铰链完成挥舞和领先-滞后动作，所以X-50A“蜻蜓”无人机对非对称升力的补偿还是常规的。X-50A“蜻蜓”无人机的动力装置是一台涡扇发动机，从压缩机引出高压气流，通过管路输送到旋翼/机翼的翼尖，驱动喷气翼尖。由于喷气翼尖不产生反扭力，X-50A“蜻蜓”无人机没有尾桨。达到一定的平飞速度后，鸭式前翼和水平尾翼产生足够的升力，旋翼/机翼锁住，作为固定的机翼，飞机转入固定翼状态。

X-50A“蜻蜓”采用宽弦刚性桨毂可锁定的两用旋翼/机翼（stoppedrotor）。粗短宽厚的刚性旋转机翼从根本上解决了很多细长的柔性旋翼桨叶难以解决的问题，但是和常规直升机相比，这些飞机的悬停和非常规机动性能受到一定损失。CRW飞行器最主要的技术问题是来自于升力产生机制转换期间的飞行控制问题，容易造成控制交叉耦合；而且机身容易受到了严重的气流扰动，在两个方向的空速发生叠加而且机翼仍处于旋翼的旋转工作状态时，飞机会产生一个难以恢复的抬头力矩，可以直接导致飞机失控。事实上，所有在升力产生机制中转换的“旋翼/机翼”技术（Rotor/Wing，RW）都有这个机制转换期间的控制问题，机制转换动辄几十秒，快的也要10几秒，转换过快容易造成失控，同时机制转换也有速度和高度的限制，不是随时随地想转换就可以转换的。在战斗中，这个转换时间和高度、速度的要求给战术动作带来很大的困扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以更加平稳地转换升力产生机制的复合式垂直起降飞行器。

为解决上述的技术问题，本发明一种复合式的垂直起降飞行器包括机身、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼、用于锁定旋翼/机翼的锁定装置；其中，该复合式垂直起降飞行器还包括用于姿态控制的调姿喷嘴、高压空气导管、用于产生高压空气的发动机，调姿喷嘴与高压空气导管连接，高压空气导管用于输送发动机所产生的高压空气；调姿喷嘴的方向设置为使调姿喷嘴可以产生垂直推力或垂直推力的矢量分量的方向；至少有两个调姿喷嘴分别置于飞行器的左部及右部作为滚转调姿装置，该复合式垂直起降飞行器还包括俯仰调姿装置。

这样的好处是，通过设置有独立于旋翼/机翼（Rotor/Wing，RW）的调姿喷嘴，使升力产生机制转换期间的飞行控制更加稳定，独立于旋翼/机翼的调姿喷嘴不会造成飞行控制交叉耦合的问题；调姿喷嘴用作滚转姿态的控制可以使飞行器在升力产生机制转换期间不会发生机身翻滚而导致失速的情况，可以保持机身的水平状态，使飞行器可以更加安全、平稳地转换到固定翼模式或直升机模式。

作为本发明一种复合式的垂直起降飞行器的进一步改进，俯仰调姿装置为至少有一个置于飞行器的前部或后部的调姿喷嘴。这样的好处是，通过设置有独立于旋翼/机翼（Rotor/Wing，RW）的调姿喷嘴，使升力产生机制转换期间的飞行控制更加稳定，独立于旋翼/机翼的调姿喷嘴不会造成飞行控制交叉耦合的问题；调姿喷嘴用作俯仰姿态的控制可以使飞行器摆脱自动倾斜器等复杂的调姿装置，使俯仰调姿的效率大大提高，从而使飞行器可以更加安全、平稳地转换到固定翼模式或直升机模式。

作为本发明一种复合式的垂直起降飞行器的进一步改进，调姿喷嘴还可以置于该复合式垂直起降飞行器的端部。这样的好处是，调姿喷嘴设置在远离飞行器重心的端部，这样可以提高调姿喷嘴姿态控制的效率。

作为以上本发明复合式的垂直起降飞行器的一种改进，该复合式垂直起降飞行器还包括固定机翼；两个用作滚转调姿装置的调姿喷嘴分别置于固定机翼的左半翼及右半翼。作为更进一步改进，该复合式垂直起降飞行器还包括水平尾翼，还包括两个调姿喷嘴分别置于水平尾翼的左部及右部，可以用作俯仰调姿装置。固定机翼可以连接在大体机身的中段，也可以连接在飞行器重心附近。这种常规的布局可以使飞行器在固定翼的飞行状态下更为稳定。

作为本发明一种复合式的垂直起降飞行器的另一种改进，该复合式垂直起降飞行器还包括鸭式前翼、水平尾翼，鸭式前翼包括左前翼、右前翼，水平尾翼包括左尾翼、右尾翼；有4个调姿喷嘴分别置于左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼；调姿喷嘴兼作滚转与俯仰调姿装置。作为更进一步改进，调姿喷嘴可以分别置于左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的大体梢部处。这样的好处是，鸭式布局可以把旋翼/机翼和鸭式前翼、水平尾翼等固定机翼的位置错开，鸭式前翼、水平尾翼不会遮挡旋翼/机翼的下洗气流，提高的旋翼/机翼的效率。调姿喷嘴分别置于左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的大体梢部处的好处是提高的调姿喷嘴姿态控制的效率。

作为以上各个实施例的进一步改进，调姿喷嘴还设置有倾斜装置，倾斜装置使调姿喷嘴所喷出的气流可以朝该复合式垂直起降飞行器的左、右方倾斜。作为更进一步改进，调姿喷嘴还可以设置为可以在产生水平推力的位置与产生垂直推力的位置之间进行倾转，复合式垂直起降飞行器还包括使调姿喷嘴倾转的倾转装置。通过左右倾斜调姿喷嘴所产生的气流，使调姿喷嘴可以产生垂直推力与左右水平推力的矢量分量，可以利用同时左或右倾斜各个调姿喷嘴所产生的气流从而进行横向飞行，还可以利用左或右倾斜调姿喷嘴所产生的气流进行或增强滚转控制。调姿喷嘴设置为可以在产生水平推力的位置与产生垂直推力的位置之间进行倾转的好处使可以使调姿喷嘴在产生垂直推力的同时产生纵向水平推力的矢量分量，可以通过前后倾转调姿喷嘴进行或增强俯仰控制，还可以通过同时前后倾转各个调姿喷嘴，进行纵向水平飞行。

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是本发明一种复合式垂直起降飞行器的调姿喷嘴连接示意图。

图2是本发明一种复合式垂直起降飞行器的一种实施例示意图。

图3是本发明一种复合式垂直起降飞行器的另一种实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示本发明一种复合式垂直起降飞行器的调姿喷嘴连接示意图，本发明一种复合式垂直起降飞行器包括机身2、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼1、用于锁定旋翼/机翼1的锁定装置；其中，该复合式垂直起降飞行器还包括用于姿态控制的调姿喷嘴3、高压空气导管4、用于产生高压空气的发动机8，调姿喷嘴3与高压空气导管4连接，高压空气导管4用于输送发动机所产生的高压空气；调姿喷嘴3的方向设置为使调姿喷嘴3可以产生垂直推力或垂直推力的矢量分量的方向；至少有两个调姿喷嘴3分别置于飞行器的左部及右部作为滚转调姿装置，该复合式垂直起降飞行器还包括俯仰调姿装置。俯仰调姿装置可以为至少一个置于飞行器的前部或后部的调姿喷嘴3。调姿喷嘴3的方向可以设置为使调姿喷嘴3可以产生垂直推力或垂直推力的矢量分量的方向；当然，利用调姿喷嘴3产生反升力也可以对飞行姿态进行控制，但是调姿喷嘴3产生反升力会令飞行器损失一部分升力，所以应该以调姿喷嘴3设置的方向可以使调姿喷嘴3产生升力或升力的矢量分量的方向为优选。调姿喷嘴3还可以设置有控制阀门，控制阀门与伺服作动装置连接，伺服作动装置用于对控制阀门进行控制。

当然，也可以利用其它装置来作为俯仰调姿装置，例如直升机的自动倾斜器。自动倾斜器可以由两个主要零件组成：一个不旋转环和一个旋转环。不旋转环被安装在旋翼轴上，并通过一系列推拉杆与周期变距和总距操纵装置相连。它能够向任意方向倾斜，也能垂直移动。旋转环通过轴承被安装在不旋转环上，能够同旋翼轴一起旋转。扭力臂用于保证旋转环与桨叶一起同步旋转。防扭臂则用于阻止不旋转环旋转。这两个环作为一个单元体同时倾斜和上下。旋转环通过拉杆与变距摇臂相连。可以通过周期变距操纵装置操纵自动倾斜器使旋翼桨叶周期变距实现俯仰姿态及滚转姿态的控制，也可以控制纵向速度及横向速度；通过总距操纵装置操纵自动倾斜器同步改变旋翼桨叶桨距用于控制直升机的垂直速度。

发动机8可以采用涡扇发动机或涡喷发动机，也可以利用其它类型的发动机，例如涡轮轴发动机功率连接压缩机等，利用高压空气导管4输送发动机内部或压缩机产生的高压空气到调姿喷嘴3，调姿喷嘴3喷出气流产生推力，从而实现姿态的控制。发动机8可以为同时驱动旋翼/机翼1的主发动机，也可以为独立的、专门服务于调姿喷嘴3的发动机。

可以采用环流控制旋翼（circulationcontrolrotor，CCR）技术，依靠CCR旋翼从旋翼桨叶叶片后缘吹出高压空气，推动旋翼转动。即利用从压缩机引出高压气流，通过管路输送到旋翼/机翼1的翼尖，驱动喷气翼尖，从而带动旋翼/机翼1的转动。当然，也可以采用直升机传统的机械式的驱动方式。

作为进一步改进，调姿喷嘴3可以置于复合式垂直起降飞行器的端部。例如用于滚转调姿的调姿喷嘴分别置于飞行器的左端及右端，用于俯仰调姿的调姿喷嘴置于飞行器的前端或后端。通过将调姿喷嘴远离飞行器重心的设置，增强调姿喷嘴3对于姿态的控制。

如图2所示本发明一种复合式垂直起降飞行器的一种实施例示意图，该复合式垂直起降飞行器还包括固定机翼5；两个用作滚转调姿装置的调姿喷嘴3分别置于固定机翼5的左半翼及右半翼。进一步地改进，该复合式垂直起降飞行器还包括水平尾翼6，还包括两个调姿喷嘴3分别置于水平尾翼6的左部及右部用作俯仰调姿装置。固定机翼可以连接在大体机身的中段，也可以连接在飞行器重心附近。

如图3所示本发明一种复合式垂直起降飞行器的另一种实施例示意图，该复合式垂直起降飞行器还包括鸭式前翼7、水平尾翼6，鸭式前翼7包括左前翼、右前翼，水平尾翼6包括左尾翼、右尾翼；有4个调姿喷嘴3分别置于左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼；调姿喷嘴3兼作滚转与俯仰调姿装置。作为更进一步改进，调姿喷嘴3分别置于左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的大体梢部处。

作为以上本发明一种复合式垂直起降飞行器各个实施例的更进一步改进，调姿喷嘴3还设置有倾斜装置，倾斜装置使调姿喷嘴3所喷出的气流可以朝该复合式垂直起降飞行器的左、右方倾斜。

倾斜装置可以包括调姿喷嘴3与高压空气导管4活动连接的活动连接部件、以及作动装置，调姿喷嘴3与作动装置连接，作动装置用于驱动调姿喷嘴3倾斜；活动连接部件可以是旋转套环、轴套，也可以是其它装置，例如三轴承推力矢量喷管等。倾斜装置也可以是控制舵面或导流叶、以及作动装置；可以在调姿喷嘴3的气流出口设置有控制舵面或导流叶，通过倾斜控制舵面或导流叶改变气流的方向，活动连接控制舵面或导流叶，控制舵面或导流叶与与作动装置连接，作动装置用于驱动控制舵面或导流叶朝该飞行器左、右方倾斜。

作为更进一步改进，调姿喷嘴3设置为可以在产生水平推力的位置与产生垂直推力的位置之间进行倾转，复合式垂直起降飞行器还包括使调姿喷嘴3倾转的倾转装置。倾转装置可以包括活动连接调姿喷嘴3的活动连接部件、使调姿喷嘴3前后倾转的作动装置；活动连接部件可以是旋转套环、轴套，也可以是其它装置，例如三轴承推力矢量喷管等。

本发明以上所述的作动装置、伺服作动装置可以采用伺服驱动器（servodrives）、旋转驱动器（rotaryactuator）、伺服作动器等任意一种，伺服作动器是指一种飞行控制系统的执行机构，亦称舵机；它可以按照飞控计算机的输出指令对飞行器的各操纵面进行直接（如复合舵机型）或间接（如辅助舵机型）控制；伺服作动器有多种类型，可以采用电液伺服作动器，也可以采用其它类型的伺服作动器，例如电动式伺服作动器或气动式伺服作动器等等。作动装置的安装方式因作动装置的类型而定，可以是直接连接作动装置，也可以通过曲轴、转轴、齿轮、传动轴等机构间接连接。

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)

1.一种复合式垂直起降飞行器，包括机身（2）、可以切换为旋翼状态或固定翼状态的旋翼/机翼（1）、用于锁定所述旋翼/机翼（1）的锁定装置；其特征在于：该复合式垂直起降飞行器还包括用于姿态控制的调姿喷嘴（3）、用于产生高压空气的发动机（8）、高压空气导管（4），所述的调姿喷嘴（3）与所述的高压空气导管（4）连接，所述高压空气导管（4）用于输送所述发动机（8）所产生的高压空气；所述调姿喷嘴（3）的方向设置为使所述的调姿喷嘴（3）可以产生垂直推力或垂直推力的矢量分量的方向；至少有两个所述调姿喷嘴（3）分别置于飞行器的左部及右部作为滚转调姿装置，所述的复合式垂直起降飞行器还包括俯仰调姿装置。

2.根据权利要求1所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的俯仰调姿装置为至少一个置于飞行器的前部或后部的调姿喷嘴（3）。

3.根据权利要求1或2所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿喷嘴（3）置于所述复合式垂直起降飞行器的端部。

4.根据权利要求1所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：该复合式垂直起降飞行器还包括固定机翼（5）；所述两个用作滚转调姿装置的调姿喷嘴（3）分别置于所述固定机翼（5）的左半翼及右半翼。

5.根据权利要求4所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：该复合式垂直起降飞行器还包括水平尾翼（6），还包括两个所述调姿喷嘴（3）分别置于所述水平尾翼（6）的左部及右部作为俯仰调姿装置。

6.根据权利要求2所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：该复合式垂直起降飞行器还包括鸭式前翼（7）、水平尾翼（6），所述的鸭式前翼（7）包括左前翼、右前翼，所述的水平尾翼（6）包括左尾翼、右尾翼；有4个所述的调姿喷嘴（3）分别置于所述的左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼；所述的调姿喷嘴（3）兼作滚转与俯仰调姿装置。

7.根据权利要求6所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿喷嘴（3）分别置于所述的左前翼、右前翼、左尾翼、右尾翼的大体梢部处。

8.根据权利要求1、2、4、5、6、7所述的任一复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿喷嘴（3）设置为可以在产生水平推力的位置与产生垂直推力的位置之间进行倾转；所述的复合式垂直起降飞行器还包括使所述调姿喷嘴（3）倾转的倾转装置。

9.根据权利要求1、2、4、5、6、7所述的任一复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿喷嘴（3）还设置有倾斜装置，所述的倾斜装置使所述调姿喷嘴（3）所喷出的气流可以朝所述复合式垂直起降飞行器的左、右方倾斜。

10.根据权利要求10所述的复合式垂直起降飞行器，其特征在于：所述的调姿喷嘴（3）设置为可以在产生水平推力的位置与产生垂直推力的位置之间进行倾转，所述的复合式垂直起降飞行器还包括使所述调姿喷嘴（3）倾转的倾转装置。