CN106005441B - 推力矩阵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种推力矩阵，其包括机体、设置于所述机体的多个动力单元和控制系统，所述控制系统控制所述多个动力单元向所述机体提供三维全向时变推进能力。在所述机体的空间一维或二维或三维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。本发明的推力矩阵可以实现如下效果：机体结构简单、运动自由度高、机动性强、敏捷性高、动力范围广、动力单元设计制造难度低、生产制造成本低、可靠性高、可维护性好、健康安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的动力系统与飞行器。
背景技术
传统动力系统随着性能要求的不断提高，其机体和动力装置的复杂程度、设计难度、制造成本和使用维护成本也越来越高。同时，动力装置的结构和功能对动力系统的运动能力和运动自由度也形成较大限制。此外，动力装置的可靠性对动力系统的安全性影响越来越明显。例如，现代的民用/军用飞行器的性能要求不断提高，造成航空发动机的设计难度、制造成本也越来越高。首先，传统航空发动机，例如大型涡轮风扇发动机，提高性能的基本手段包括增大风扇直径以提高涵道比、提高涡轮前温度、提高转速等，但这些手段均受到材料性能的限制。目前的航空发动机已经逐渐接近现有航空材料的极限，设计难度大，制造/使用成本高昂。其次，飞行器机体、发动机分开设计研发的弊端也导致飞行器机体对发动机的性能需求越来越苛刻，同时飞行器为了实现三维运动能力，其机体需要设置形状复杂的翼面和大量的机、电、液机构，导致机体的复杂程度越来越高。第三，军用飞行器对续航时间、作战半径、超机动性、垂直/短距起降、可靠性、可维护性等综合性能的要求日益提高，但传统航空发动机的技术路线很难同时满足所有的要求，极大地限制了飞行器的性能。第四，航空动力装置的可靠性问题造成飞行器的安全风险问题难以得到有效控制，大约65％的飞行器事故与动力装置有关。
近年来，分布式动力布局的动力系统开始受到广泛的关注。例如，分布式动力布局的飞行器，通过动力再分配，可以达到降低噪音、缩短起飞时间、降低油耗、增加航程等效果。但这仍然是在传统飞行器设计概念指导下的传统技术路线。虽然已有研究表明，分布式动力系统可以有效提高飞行器的性能，但局限于传统飞行器的设计概念，其性能提升空间有限。
发明内容
本发明的一个目的在于解决上述现有技术中的至少一个问题，提出一种新概念的推力矩阵。
本发明的另一目的在于解决传统动力系统的大型动力装置设计制造难度大、机体复杂、运动自由度约束度高等问题中的至少一个问题，而提供一种新概念的推力矩阵。
本发明的另一目的在于解决传统飞行器因动力装置故障造成的健康安全问题，提供一种新概念的推力矩阵(飞行器)。
本发明可以包括、但不限于如下方案。
本发明的一方面提供一种推力矩阵，其包括机体、设置于所述机体的多个动力单元和控制系统，所述控制系统控制所述多个动力单元向所述机体提供三维全向时变推进能力。
优选地，在所述机体的空间三维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
优选地，所述多个为六个或更多个。
优选地，在所述机体的空间二维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
优选地，所述多个为四个或更多个。
优选地，在所述机体的空间一维方向上设置所述多个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
优选地，所述多个为九个或更多个。
优选地，所述控制系统通过控制各个动力单元的工作状态，产生满足所述推力矩阵的各种运动和姿态所需的合力和合力矩。
优选地，所述机体包括设置有若干个所述动力单元的面向前/后方的表面、设置有若干个所述动力单元的面向侧方的表面和设置有若干个所述动力单元的面向上/下方的表面。
优选地，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元至少部分地嵌入到所述机体中。
优选地，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元设置在所述机体的冗余空间内。
优选地，所述多个动力单元包括仅用于向所述机体提供轴向力的若干个第一动力单元、仅用于向所述机体提供侧向力的若干个第二动力单元和仅用于向所述机体提供垂向力的若干个第三动力单元。
优选地，所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力和侧向力的若干个第四动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力和垂向力的若干个第五动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供侧向力和垂向力的若干个第六动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力、侧向力和垂向力的若干个第七动力单元。
优选地，所述第一动力单元设置于所述机体的面向前/后方的表面；并且 /或者
所述第二动力单元设置于所述机体的面向侧方的表面；并且/或者
所述第三动力单元设置于所述机体的面向上/下方的表面。
优选地，所述多个动力单元的数量为数十个或更多。
优选地，所述多个动力单元的数量为数百个或更多。
优选地，所述多个动力单元的数量为数千个或更多。
优选地，所述多个动力单元的数量大于满足所述推力矩阵正常工作时最佳性能所需要的动力单元的数量，形成性能和安全冗余。
优选地，所述多个动力单元包括产生单向或多向推进力的动力单元。
优选地，所述控制系统通过改变所述多个动力单元的打开或关闭状态来改变所述机体受到的力和力矩。
优选地，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元仅包括关闭状态和最优性能设计点工作状态这两个状态。
优选地，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元包括关闭状态和多于1个设计点工作状态。
优选地，所述多于1个设计点工作状态包括最大推力设计点工作状态、最低能耗设计点工作状态、最佳排放设计点工作状态。
优选地，所述推力矩阵包括用于监测所述动力单元的工作状态的传感器，所述传感器连接到所述控制系统。
优选地，所述多个动力单元包括微型涡轮喷气发动机、带矢量尾喷管的微型涡轮喷气发动机、微型涡轮风扇发动机、微型涡轮轴发动机、微型涡轮桨发动机、微型涵道风扇和微型电动机中的一种或多种。
优选地，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元安装到形成于所述机体中的动力单元安装部中。
优选地，所述多个动力单元中的若干个动力单元经由同一动力单元安装框架安装到所述机体。
优选地，所述推力矩阵包括若干个结构相同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个相同的动力单元安装到所述机体。
优选地，所述推力矩阵包括若干个结构不同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个动力单元安装到所述机体。
优选地，所述机体形成有用于向所述动力单元供给空气的进气孔。
优选地，所述机体的头部设置有用于向所述动力单元供给空气的进气孔；并且/或者所述机体的上部设置有用于向所述动力单元供给空气的进气孔。
优选地，所述推力矩阵为飞行器。
优选地，所述若干个为两个或更多个。
本发明的另一方面提供一种推力矩阵的制造方法，其尤其可以用于制造根据本发明的上述推力矩阵，该方法包括：提供机体；在所述机体的空间一维或二维或三维方向上均设置若干个动力单元；提供控制系统，所述控制系统用于控制所述动力单元的工作状态，以向所述机体提供三维全向时变推进能力；其中，根据所述机体的结构确定在所述机体的整体三维空间内有机布置的动力单元的位置与数量，实现动力单元在所述机体上的空间拓扑分布。
优选地，所述推力矩阵实施为飞行器，不在所述机体上设置传统飞行器结构中的用于改变机体运动方向和姿态的各向操作舵面。
本发明的再一方面提供一种推力矩阵的控制方法，其尤其可以用于控制本发明的上述推力矩阵，其中所述控制系统对全部动力单元进行统一实时控制，以提供三维全向时变推进能力。
优选地，所述控制方法包括如下步骤：
步骤S1：确定所述推力矩阵的实时三维动力和力矩需求；
步骤S2：根据所述三维动力和力矩需求，计算所述多个动力单元的理论工作状态；
步骤S21：根据优化条件计算所述多个动力单元的最优工作状态；
步骤S3：对比所述多个动力单元的最优工作状态和所述多个动力单元的实际工作状态，确定所述多个动力单元的工作状态调整方案；以及
步骤S4：对需要改变工作状态的动力单元发出相应指令，改变相应动力单元的工作状态。
优选地，通过如下方程来计算所述多个动力单元的理论工作状态：
轴向力方程：
侧向力方程：
升力方程：
滚转力矩方程：
俯仰力矩方程：
偏航力矩方程：
其中，n表示所述多个动力单元的数量，每个动力单元编号为i；
各动力单元安装在机体的轴向x、侧向y、垂向z三个方向上；
Fx是轴向力，即x方向上的力，Fy是侧向力，即y方向上的力，Fz是升力，即z方向上的力，Mx是滚转力矩，My是俯仰力矩，Mz是偏航力矩；
pi是第i个动力单元的工作状态；
P1×n是推力矩阵的动力单元的工作状态矩阵，为一维时变矩阵，pi是P1×n矩阵的元素；
lxi是第i个动力单元的推力方向向量在x方向上的分量，Fn×1是动力单元在 x方向上的方向矩阵；
lyi是第i个动力单元的推力方向向量在y方向上的分量，Sn×1是动力单元在 y方向上的方向矩阵；
lzi是第i个动力单元的推力方向向量在z方向上的分量，Ln×1是动力单元在 z方向上的方向矩阵；
rxi、ryi、rzi分别是第i个动力单元的空间位置向量在x、y、z方向上的分量；
Rn×1、Tn×1、Yn×1分别是动力单元相对x、y、z轴的力矩作用距离矩阵。
本发明的还一方面提供一种推力矩阵，其包括机体、设置于所述机体的多个动力单元和控制系统，所述控制系统用于控制所述多个动力单元向所述机体提供二维全向时变推进能力。
优选地，在所述机体的空间一维或二维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供二维全向时变推进能力。
优选地，所述机体包括彼此相交的至少两个表面，该至少两个表面上均设置有若干个动力单元。
优选地，所述多个动力单元包括仅用于向所述机体提供轴向力的若干个第一动力单元和仅用于向所述机体提供侧向力的若干个第二动力单元。
优选地，所述推力矩阵用于在陆地和/或水面在二维空间内行进。
应当理解，在本发明中，在机体的空间一维、二维或三维方向上均设置若干个动力单元，在同一“维”方向上设置若干个动力单元是指该若干个动力单元的安装方向相同或平行，例如，在动力单元为本申请中提到的各种发动机和/或涵道风扇和/或电动机的情况下，动力单元的安装方向相同或平行可以指它们的轴向相同或平行。
更具体地，在由相互垂直的x轴、y轴和z轴构成的三维空间座标系中，在机体的空间一维方向上设置若干个动力单元可以指若干个动力单元的安装方向沿着x轴方向或平行于x轴方向，安装位置可以在x轴、y轴、z轴方向上都不同；在机体的空间二维方向上均设置有若干个动力单元可以指若干个动力单元的安装方向沿着x轴方向或平行于x轴方向，并且若干个动力单元的安装方向沿着y轴方向或平行于y轴方向；在机体的空间三维方向上均设置有若干个动力单元可以指若干个动力单元的安装方向沿着x轴方向或平行于x 轴方向，若干个动力单元的安装方向沿着y轴方向或平行于y轴方向，并且若干个动力单元的安装方向沿着z轴方向或平行于z轴方向。当然，本发明也包括若干个动力单元的安装方向不与x轴、y轴和z轴相同或平行的情况，换言之，若干个动力单元的安装方向可以相对于x轴、y轴或z轴倾斜。
在多个动力单元沿机体的一维方向设置时，动力单元的数量优选为大于或等于9个。在多个动力单元沿机体的二维方向设置时，每一“维”方向上的动力单元的数量优选为两个或更多个，动力单元的数量优选为大于或等于 4个。在多个动力单元沿机体的三维方向设置时，每一“维”方向上的动力单元的数量优选为两个或更多个，动力单元的数量优选为大于或等于6个。可以通过打开或关闭不同位置的动力单元来改变机体受到的力和力矩。
本发明的推力矩阵可以实现如下效果中的至少一个效果：机体结构简单、运动自由度高、机动性强、敏捷性高、动力范围广、动力单元设计制造难度低、生产制造成本低、可靠性高、可维护性好、健康安全性高。
附图说明
图1是作为根据本发明的推力矩阵的一个示例的推力矩阵飞行器的示意性立体图。
图2是图1的推力矩阵飞行器的局部放大图。
图3是图1的推力矩阵飞行器的另一立体图。
图4是图1的推力矩阵飞行器的俯视图。
图5是图1的推力矩阵飞行器的仰视图。
图6是作为根据本发明的动力单元的一个实施例的微型涵道风扇的示意性立体图。
图7是作为根据本发明的推力矩阵的一个示例的推力矩阵飞行器的控制方法的流程图。
图8是根据本发明的推力矩阵的另一示例的示意图。
具体实施方式
本发明提出了推力矩阵这一新概念，其是以多个可产生推力的动力单元 (一般大于或等于4个，可以为数十个或更多，可多达数百个或更多、数千个或更多)为基本元素的动力系统，包括动力单元、机体和控制系统。动力单元为一种或多种可产生动力的装置，可根据动力系统的整体需要配备动力单元的类型、数量和安装位置。机体与动力单元采用融合设计，基于有机顶层规划和系统动力学设计，在机体的整体三维空间内有机布置动力单元的位置与数量，充分利用机体的冗余空间，实现动力单元在机体上的空间拓扑分布。控制系统基于先进控制理论及算法，统一实时控制动力单元的工作状态，通过动力单元的协同工作，产生满足动力系统各种运动和姿态所需的力和力矩，实现动力系统的三维全向时变推进能力。
应当理解，本申请中的动力系统并不是指用于向机器提供动力的装置或系统，而是指能够移动或运动的任何类型的机器或系统。
该推力矩阵的一个示例是推力矩阵飞行器。多个动力单元以空间拓扑结构布置在飞行器机体上，例如，在飞行器机体的三维方向上均布置若干个动力单元的情况下，通过控制系统控制各个纵向动力单元、横向动力单元和垂向动力单元的工作状态，灵活控制三维推力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩，实现飞行器机翼可控翼面环量，产生满足各种飞行姿态所需的推力、升力和力矩，并能实现垂直/短距起降。推力矩阵飞行器可解决传统飞行器大推力发动机设计制造难度大、发动机安全冗余不足、推力/升力/力矩约束度高、飞行器/发动机分开设计研发安装导致的性能约束等问题，实现具有高机动性、高敏捷性、结构简单、推力范围广、气动性能好、高可靠性、高可维护性、健康安全性高等优点。
推力矩阵飞行器的机体与动力单元安装结构融为一体，可以在三维方向上密排布置多个动力单元安装结构，动力单元安装结构的设置位置可充分利用机体的冗余空间。动力单元有机地布置于飞行器机体的空间领域内的动力单元安装结构上，对飞行器机体的空气动力学性能的不良影响小。
推力矩阵飞行器机体不需要布置传统飞行器结构中的用于改变机体受力方向和姿态的各向操作舵面，通过动力单元产生的三维时变合力，即可产生满足起飞、平飞、俯仰、偏航和滚转等运动和姿态所需要的推力、升力和力矩。
推力矩阵飞行器机体的翼型设计不需要考虑翼面失速攻角的限制，在不改变机翼几何构型的前提下，通过动力单元产生的三维时变合力，即可实现高速/低速翼型的转换。
推力矩阵飞行器机体的外形设计自由度高，由于动力单元可以有机地布置于机体的任何位置，所以机身和翼面可以按照实际使用需求和理想的空气动力学外形进行最优化设计，采用翼身融合技术，实现简化机体、降低机体重量、提高飞行器机体整体强度与刚度，具有系统复杂度低、结构重量轻、有效载荷大、飞行阻力小、机体强度高等特点。
构成推力矩阵的动力单元为可产生单向或多向推力的动力装置，一个推力矩阵可安装一种或多种动力单元，通过多个动力单元的协同工作提供三维全向时变推进能力。
推力矩阵的动力单元的工作状态可以只包括关闭状态和最优性能设计点工作状态，工作状态矩阵中对应位置的动力单元的工作状态取值为0或W1。动力单元的工作状态也可以包括关闭状态和多于1个(m个)设计点工作状态 (如最大推力设计点工作状态、最低能耗设计点工作状态、最佳排放设计点工作状态等)，工作状态矩阵中对应位置的动力单元的工作状态取值为0或Wj， 1≤j≤m。当推力矩阵的动力需求改变时，无需连续的调节各动力单元的推力大小，仅需离散的改变不同位置的动力单元的工作状态，动力单元始终在设计点工作，使得动力性、经济性、稳定性、健康安全性处于最优。同时，动力单元通过单点优化可形成更好的稳定工作裕度，提高其可靠性。
推力矩阵的动力单元的适用动力范围广，无需对动力单元进行全新设计，仅需改变动力单元的数量、位置和布局，即可适应推力需求大幅变化的各种产品和任务要求，大幅降低动力系统的研发设计难度和生产制造成本。
推力矩阵的多动力单元系统的性能和安全冗余性强，可在最佳性能动力要求的基础上，布置一定数量的冗余动力单元，对因故障或外力造成不能正常工作的动力单元进行实时替代，提高动力系统的健康冗余；同时推力矩阵自身即具备安全冗余特性，因为推力矩阵包含大量动力单元，即使部分动力单元损坏失效，仅会使推力矩阵丧失部分动力，仍可满足基本的动力要求。
推力矩阵的动力单元可以采用流水线进行标准化制造加工，有效保证动力单元产品的稳定性和一致性，降低生产成本。在维护和维修时，动力单元可快速安装、快速更换，提高使用效率。
总体而言，相比传统动力装置，推力矩阵的动力单元具有设计生产制造难度低、结构简单、性能效率高、适用范围广、使用成本低、可靠性高、安全性强、可维护性好的特点。
推力矩阵飞行器的动力单元的实施例一为单设计点微型涡轮喷气发动机。微型涡轮喷气发动机的工作状态只包括关闭状态和最优设计工作点。微型涡轮喷气发动机的设计和调试工作全部围绕该最优性能工作点开展，将微型涡轮喷气发动机在该点的性能发挥到极致，在提高发动机性能的同时，极大地降低了发动机的设计、生产、调试和维修难度，降低了相关费用。
推力矩阵飞行器的动力单元的实施例二为多设计点微型涡轮喷气发动机。微型涡轮喷气发动机的工作状态只包括关闭状态和少量设计工作点，其中设计工作点包括最大推力工作点、最优效率工作点、最佳排放工作点等，微型涡轮喷气发动机的设计和调试工作全部围绕这几个少量的工作点开展，根据各点的性能要求将微型涡轮喷气发动机在各点的性能发挥到极致，在降低了发动机的设计、生产、调试和维修难度的同时，丰富发动机的工作性能点。
推力矩阵飞行器的动力单元的实施例三为带矢量尾喷管的微型涡轮喷气发动机，在发动机尾喷管上安装导流系统，使高温高压燃气改变喷出方向，进而改变发动机的推力和力矩状态，产生多向推力和力矩。
推力矩阵飞行器的动力单元的实施例四为微型涵道风扇。微型涵道风扇可由其他发动机提供动力，也可由电力驱动。
推力矩阵飞行器的动力单元还可以为微型涡轮风扇发动机，也可以为微型涡轮轴发动机和微型电动机。
推力矩阵的控制系统基于先进控制理论及算法，对动力单元的工作状态进行统一实时控制。在动力系统运动过程中，控制系统根据所要执行的任务及当前的运动状态和姿态，计算动力系统的三维动力和力矩需求，给出动力单元的最优动力组合，判断需要改变工作状态的动力单元，向相应位置的动力单元发送指令，调整其工作状态，实时满足推力矩阵的运动和姿态需求。在局部动力单元发生故障或遭遇外部损坏而不能正常工作时，控制系统实时调整可用动力单元的最优动力组合，满足当时的基本运动和姿态需求。控制系统采用分布-集中式网络结构，在硬件和软件上进行多重余度设计，确保局部故障时可通过冗余系统进行控制。因此，推力矩阵的控制系统具有系统结构简单、效率高、实时性好、可靠性高、安全性好、适应性强等特点。
在一个示例中，可以通过如下方式实现推力矩阵飞行器的控制系统。
推力矩阵飞行器的控制系统基于先进控制理论及算法，对动力单元的工作状态进行监控和控制，实现三维时变推力、力矩的灵活控制。
令推力矩阵的动力单元的总数量为n个，每个动力单元编号为i。动力单元有机安装在推力矩阵的机体的轴向x、侧向y、垂向z三个方向上，安装位置中心点相对于推力矩阵中心点的位置向量为
动力单元可以是单向或多向推力，当其为单向推力时，其推力方向与安装方向同轴，当其为多向推力时，其推力方向可在安装方向的基础上变化，令动力单元的推力方向向量为
动力单元可以是单设计点或多设计点，令动力单元有m(m≥1)个设计工作点，在每个设计工作点上的推力大小为Wj，1≤j≤m，其中，m、j为正整数。
在飞行过程中，控制系统根据每一时刻所要执行的起飞、加速、俯仰、偏航、滚动等飞行任务，结合当前的飞行状态参数、受力状态参数、环境状态参数，实时计算出飞行器的三维推力和力矩需求，根据动力方程组计算推力矩阵动力单元工作状态矩阵P1×n，在求出的矩阵解中，依据给定的优化条件选出推力矩阵动力单元的最优工作状态矩阵，与现有动力单元工作状态矩阵进行比对，判断需要改变工作状态的动力单元，向相应位置的动力单元发送指令，调整其工作状态，实时满足瞬时飞行需要，完成相应的飞行任务。
计算推力矩阵动力单元工作状态矩阵P1×n的动力方程组如下：
轴向力方程：
侧向力方程：
升力方程：
滚转力矩方程：
俯仰力矩方程：
偏航力矩方程：
其中：
Fx是轴向力，即x方向上的力，Fy是侧向力，即y方向上的力，Fz是升力，即z方向上的力，Mx是滚转力矩，My是俯仰力矩，Mz是偏航力矩；
pi是第i个动力单元的工作状态，由有限个数值[0,Wj]构成；
P1×n是推力矩阵的动力单元的工作状态矩阵，为一维时变矩阵，pi是P1×n矩阵的元素；
lxi是第i个动力单元的推力方向向量在x方向上的分量，Fn×1是动力单元在x方向上的方向矩阵；
lyi是第i个动力单元的推力方向向量在y方向上的分量，Sn×1是动力单元在y方向上的方向矩阵；
lzi是第i个动力单元的推力方向向量在z方向上的分量，Ln×1是动力单元在 z方向上的方向矩阵；
rxi、ryi、rzi分别是第i个动力单元的空间位置向量在x、y、z方向上的分量；
Rn×1、Tn×1、Yn×1分别是动力单元相对x、y、z轴的力矩作用距离矩阵。
下面参照图1-7对根据本发明的推力矩阵飞行器及其控制方法作出进一步的说明。应当理解，该说明仅是示例性的，不用于限制本发明的范围。
作为本发明的一个示例的推力矩阵飞行器1包括机体2、设置于机体2的多个动力单元3和未示出的控制系统。多个动力单元3三维地布置于机体2，控制系统控制多个动力单元3向机体2提供三维全向时变推进能力。
更具体地，在机体2的头部设置有用于向动力单元3供给空气的进气孔4。进气孔4用于向机体2尾部的动力单元3提供空气。另外，机体2的上部也设置有用于向动力单元3供给空气的若干个进气孔5。若干个进气孔5在机体2的前后方向(即x轴方向)上并排布置。进气孔5用于向机体2下部的动力单元3提供空气。当然，进气孔的设置不限于此。
机体2的形状关于其纵向轴线(即x轴)对称。机体2的尾部包括面向后方的两个表面6和面向侧方的两个表面7。表面6和表面7上均安装有若干个动力单元3。
可选地，表面6沿着图1所示的yz平面延伸，因此，表面6中的动力单元3 可以用于向机体2提供轴向力。可选地，表面7沿着图1所示的xz平面延伸，因此，表面7中的动力单元3可以用于向机体2提供侧向力。优选地，表面6和表面7为平面。然而，可以理解，表面6和表面7也可以为曲面，特别是表面7。
机体2的尾部还包括位于两个表面6之间的两个表面8。在图示的示例中，表面8为相对于表面6倾斜的倾斜表面，并且表面8为平面。然而，可以理解，表面8也可以为曲面。
表面8中设置有若干个动力单元3。优选地，动力单元3沿着机体2的纵向布置，用于向机体2提供轴向力。当然，动力单元3也可以大致垂直于其所在的表面8布置，以向机体2提供轴向力和侧向力。
机体2的尾部还包括位于两个表面6的y方向上的外侧(横向外侧)的两个表面9。在图示的示例中，表面9为相对于表面6倾斜的倾斜表面，并且表面9为平面。然而，可以理解，表面9也可以为曲面。
表面9中设置有若干个动力单元3。优选地，动力单元3沿着机体2的纵向布置，用于向机体2提供轴向力。当然，动力单元3也可以大致垂直于其所在的表面9布置，以向机体2提供轴向力和侧向力。
机体2还包括下表面10，表面10中布置有若干个动力单元3。在图示的示例中，动力单元3在表面10中关于机体2的纵向对称地布置。表面10中的动力单元3沿着机体2的垂向(z方向)布置，用于为机体2提供升力。表面10的主要部分可以是平面。但是，本发明不限于此。表面10可以具有符合空气动力学或其它要求的合适的曲面。当然，其它表面也是如此。
在本申请中，表面“中”或“上”设置有动力单元并不仅表示动力单元 3直接放置在该表面上，而且包括动力单元至少部分地嵌入到机体2中。
可以由一个控制单元控制所有动力单元3，也可以由若干个控制单元分别控制部分动力单元3。这均属于本发明的控制系统的范围。
各动力单元3可以为相同类型的动力单元，也可以为不同类型的动力单元。在机体2上设置有不同类型的动力单元的情况下，可以由不同的控制单元控制不同类型的动力单元。图6示出了作为动力单元3的一个实施例的微型涵道风扇的示意性立体图。
可以由同一动力源(燃料源或电源)为所有动力单元3提供动力，也可以由分散地设置的若干个动力源为所有动力单元3提供动力。优选地，由一个动力源为多若干个动力单元3提供动力。
推力矩阵飞行器1可以包括用于监测动力单元3的工作状态的传感器，传感器连接到控制系统。
可以先在机体2中预设动力单元安装部，然而将动力单元3安装到动力单元安装部。各个动力单元3可以彼此独立地安装到机体2。可选地，若干个动力单元可以经由同一动力单元安装框架安装到机体2。推力矩阵飞行器1可以包括若干个结构相同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个相同的动力单元3安装到机体2。
可选地，推力矩阵飞行器1可以包括若干个结构不同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个动力单元3安装到机体2。
图示的推力矩阵飞行器1为飞机。该飞机可以是民机，也可以是军机。当然，本发明的飞行器不限于此。例如，本发明提到的飞行器可以包括火箭、宇宙飞船、航天飞机、卫星等。
下面参照图7来说明本发明的推力矩阵飞行器1的控制方法。
本发明的控制方法包括如下步骤：
步骤S1：确定飞行器的实时三维推力和力矩需求；
步骤S2：根据所述三维推力和力矩需求，计算多个动力单元的理论工作状态；
步骤S3：对比所述多个动力单元的理论工作状态和所述多个动力单元的实际工作状态，确定所述多个动力单元的工作状态调整方案；以及
步骤S4：对需要改变工作状态的动力单元发出相应指令，改变相应动力单元的工作状态。
可选地，在步骤S2和步骤S3之间包括步骤S21，即根据优化条件计算多个动力单元的最优工作状态。
更具体地，在上述步骤S1中，在飞行器的飞行过程中，控制系统根据每一时刻所要执行的任务并结合当前的飞行状态和受力状态，实时计算出飞行器的三维推力和力矩需求。例如，可以基于飞行器的飞行状态、飞行任务、受力状态、飞行器周围的环境参数等参数确定飞行器的三维推力和力矩需求。
在上述步骤S2中，根据上面给出的动力方程组计算推力矩阵的动力单元的工作状态矩阵P1xn。
在求出的动力单元的工作状态矩阵中，可以依据给定的优化条件选出推力矩阵动力单元的最优工作状态矩阵，即，在步骤S2和S3之间可以具有步骤 S21。这里，优化条件例如包括：使多个动力单元的工作状态改变最少，使飞行状态更稳定可靠。然而，优化条件不限于此。
另外，在步骤S2中，还可以考虑动力单元的实际工作状态。
然后，与现有工作状态矩阵进行比对，判断需要改变工作状态的动力单元，向相应位置的动力单元发送指令，调整其工作状态，实时满足瞬时飞行需要，完成相应的飞行任务。
当然，本发明的控制方法不限于此。例如，在一个示例中，可以将与预定飞行条件对应的动力单元工作状态控制方案存储在飞行器的控制系统中，该动力单元工作状态控制方案可以直接应用于飞行任务。可以根据实际飞行行为不断更新和/或修正上述动力单元工作状态控制方案。在该方法中，可以减少飞行中控制系统的数据处理量，实现快速反应。
本发明还提供一种推力矩阵的制造方法，其包括：提供机体；在所述机体的空间一维或二维或三维方向上均设置若干个动力单元；提供控制系统，所述控制系统用于控制所述动力单元的工作状态，以向所述机体提供二维或三维全向时变推进能力。
本发明还提供一种推力矩阵，其包括机体、设置于机体的多个动力单元和控制系统，多个动力单元一维或二维或三维地布置于机体，控制系统控制多个动力单元向机体提供二维或三维全向时变推进能力。
优选地，机体包括彼此相交的至少两个表面，该至少两个表面上均设置有若干个动力单元。
优选地，多个动力单元包括仅用于向机体提供轴向力的若干个第一动力单元和仅用于向机体提供侧向力的若干个第二动力单元。这种推力矩阵可以用于在陆地和/或水面在二维空间内行进。这种推力矩阵例如可以是类似于汽车或火车的车辆，也可以是在水面运动的船舶。
优选地，多个动力单元还包括仅用于向机体提供垂向力的若干个动力单元。这种推力矩阵可以用于在空中和/或水中在三维空间内行进。这种推力矩阵例如是飞机、火箭、宇宙飞船、卫星等在空中运动的机器，也可以是潜艇等在水中或水下运动的机器。
本发明的推力矩阵可以具有任意三维空间形状。动力单元有机布置于推力矩阵的机体内或机体上，并可根据动力需要调整安装数量和安装位置。
图8是根据本发明的推力矩阵的另一示例的示意图。在图8所示的推力矩阵100中，机体呈长方体状，其包括第一表面101、与第1表面101垂直的第二表面102、与第一表面101和第二表面102均垂直的第三表面103。在第一表面 101、第二表面102和第三表面103中均设置有若干个动力单元3。
在与第一表面101、第二表面102和第三表面103分别平行的表面中，也可以设置动力单元。
例如，在推力矩阵100用于在陆地行进的情况下，可以在第二表面102设置若干个动力单元3，用于为推力矩阵100提供前进时的推力，还可以在第三表面103和与第三表面103平行的表面设置若干个动力单元，用于为推力矩阵 100提供侧向力。
例如，在推力矩阵100用于在空气中或水中行进的情况下，可以在长方体的6个表面中的全部表面都设置若干个动力单元，用于为推力矩阵100提供三维全向推进力。
当然，图8所示的推力矩阵100的形状和动力单元3的排列方式仅是示例性的，本发明不限于此。
工业实用性
根据本发明，包括多个动力单元的推力矩阵具有固有的全方位推力/力矩能力，可以实现垂直/短距起降，并具有超机动性、超敏捷性、高可靠性、高健康安全性。
本发明的推力矩转可以应用于任意类型的动力系统，包括但不限于类似于汽车或火车的车辆，在水面运动的船舶，飞机、火箭、宇宙飞船、卫星等在空中运动的机器或系统，以及潜艇等在水中或水下运动的机器或系统。
Claims (34)
1.一种推力矩阵装置，其包括机体、设置于所述机体的多个动力单元和控制系统，
所述控制系统控制所述多个动力单元向所述机体提供三维全向时变推进能力，
所述多个动力单元的数量为数十个或更多，
所述多个动力单元中的部分或全部动力单元仅包括关闭状态和最优性能设计点工作状态这两个状态，所述控制系统通过改变所述多个动力单元的打开或关闭状态来改变所述机体受到的力和力矩，或者，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元包括关闭状态和多于1个设计点工作状态，所述多于1个设计点工作状态包括最大推力设计点工作状态、最低能耗设计点工作状态、最佳排放设计点工作状态，
当所述推力矩阵装置的动力需求改变时，不是连续地调节各所述动力单元的推力大小，而是使不同位置的动力单元的工作状态离散地改变，所述动力单元始终在设计点工作。
2.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
在所述机体的空间三维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
3.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
在所述机体的空间二维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
4.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
在所述机体的空间一维方向上设置所述多个动力单元，用于向所述机体提供三维全向时变推进能力。
5.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述控制系统通过控制各个动力单元的工作状态，产生满足所述推力矩阵装置的各种运动和姿态所需的合力和合力矩。
6.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述机体包括设置有若干个所述动力单元的面向前/后方的表面、设置有若干个所述动力单元的面向侧方的表面和设置有若干个所述动力单元的面向上/下方的表面。
7.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元中的部分或全部动力单元至少部分地嵌入到所述机体中。
8.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元中的部分或全部动力单元设置在所述机体的冗余空间内。
9.根据权利要求1所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元包括仅用于向所述机体提供轴向力的若干个第一动力单元、仅用于向所述机体提供侧向力的若干个第二动力单元和仅用于向所述机体提供垂向力的若干个第三动力单元。
10.根据权利要求9所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力和侧向力的若干个第四动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力和垂向力的若干个第五动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供侧向力和垂向力的若干个第六动力单元；并且/或者
所述多个动力单元还包括用于向所述机体提供轴向力、侧向力和垂向力的若干个第七动力单元。
11.根据权利要求9所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述第一动力单元设置于所述机体的面向前/后方的表面；并且/或者
所述第二动力单元设置于所述机体的面向侧方的表面；并且/或者
所述第三动力单元设置于所述机体的面向上/下方的表面。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元的数量为数百个或更多。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元的数量为数千个或更多。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元的数量大于满足所述推力矩阵装置正常工作时最佳性能所需要的动力单元的数量，形成性能和安全冗余。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元包括产生单向或多向推进力的动力单元。
16.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述推力矩阵装置包括用于监测所述动力单元的工作状态的传感器，所述传感器连接到所述控制系统。
17.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元包括微型涡轮喷气发动机、带矢量尾喷管的微型涡轮喷气发动机、微型涡轮风扇发动机、微型涡轮轴发动机、微型涡轮桨发动机、微型涵道风扇和微型电动机中的一种或多种。
18.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元中的部分或全部动力单元安装到形成于所述机体中的动力单元安装部中。
19.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元中的若干个动力单元经由同一动力单元安装框架安装到所述机体。
20.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述推力矩阵装置包括若干个结构相同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个相同的动力单元安装到所述机体。
21.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述推力矩阵装置包括若干个结构不同的动力单元安装框架，每个动力单元安装框架均用于将若干个动力单元安装到所述机体。
22.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述机体形成有用于向所述动力单元供给空气的进气孔。
23.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述机体的头部设置有用于向所述动力单元供给空气的进气孔；并且/或者
所述机体的上部设置有用于向所述动力单元供给空气的进气孔。
24.根据权利要求1至11中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述推力矩阵装置为飞行器。
25.根据权利要求2、3、6、9、10中任一项所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述若干个为两个或更多个。
26.一种根据权利要求1至25中任一项所述的推力矩阵装置的制造方法，其包括：
提供机体；
在所述机体的空间一维或二维或三维方向上均设置若干个所述动力单元；
提供控制系统，所述控制系统用于控制所述动力单元的工作状态，以向所述机体提供三维全向时变推进能力；
其中，根据所述机体的结构确定在所述机体的整体三维空间内有机布置的动力单元的位置与数量，实现动力单元在所述机体上的空间拓扑分布。
27.一种根据权利要求1至25中任一项所述的推力矩阵装置的控制方法，其特征在于，
所述控制系统对全部动力单元进行统一实时控制，以提供三维全向时变推进能力。
28.根据权利要求27所述的控制方法，其特征在于，
所述控制方法包括如下步骤：
步骤S1：确定所述推力矩阵装置的实时三维动力和力矩需求；
步骤S2：根据所述三维动力和力矩需求，计算所述多个动力单元的理论工作状态；
步骤S21：根据优化条件计算所述多个动力单元的最优工作状态；
步骤S3：对比所述多个动力单元的最优工作状态和所述多个动力单元的实际工作状态，确定所述多个动力单元的工作状态调整方案；以及
步骤S4：对需要改变工作状态的动力单元发出相应指令，改变相应动力单元的工作状态。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，
通过如下方程来计算所述多个动力单元的理论工作状态：
轴向力方程：
侧向力方程：
升力方程：
滚转力矩方程：
俯仰力矩方程：
偏航力矩方程：
其中，n表示所述多个动力单元的数量，每个动力单元编号为i；
各动力单元安装在机体的轴向x、侧向y、垂向z三个方向上；
Fx是轴向力，即x方向上的力，Fy是侧向力，即y方向上的力，Fz是升力，即z方向上的力，Mx是滚转力矩，My是俯仰力矩，Mz是偏航力矩；
pi是第i个动力单元的工作状态；
P1×n是推力矩阵装置的动力单元的工作状态矩阵，为一维时变矩阵，pi是P1×n矩阵的元素；
lxi是第i个动力单元的推力方向向量在x方向上的分量，Fn×1是动力单元在x方向上的方向矩阵；
lyi是第i个动力单元的推力方向向量在y方向上的分量，Sn×1是动力单元在y方向上的方向矩阵；
lzi是第i个动力单元的推力方向向量在z方向上的分量，Ln×1是动力单元在z方向上的方向矩阵；
rxi、ryi、rzi分别是第i个动力单元的空间位置向量在x、y、z方向上的分量；
Rn×1、Tn×1、Yn×1分别是动力单元相对x、y、z轴的力矩作用距离矩阵。
30.一种推力矩阵装置，其包括机体、设置于所述机体的多个动力单元和控制系统，
所述控制系统用于控制所述多个动力单元向所述机体提供二维全向时变推进能力，
所述多个动力单元的数量为数十个或更多，
所述多个动力单元中的部分或全部动力单元仅包括关闭状态和最优性能设计点工作状态这两个状态，所述控制系统通过改变所述多个动力单元的打开或关闭状态来改变所述机体受到的力和力矩，或者，所述多个动力单元中的部分或全部动力单元包括关闭状态和多于1个设计点工作状态，所述多于1个设计点工作状态包括最大推力设计点工作状态、最低能耗设计点工作状态、最佳排放设计点工作状态，
当所述推力矩阵装置的动力需求改变时，不是连续地调节各所述动力单元的推力大小，而是使不同位置的动力单元的工作状态离散地改变，所述动力单元始终在设计点工作。
31.根据权利要求30所述的推力矩阵装置，其特征在于，
在所述机体的空间一维或二维方向上均设置有若干个动力单元，用于向所述机体提供二维全向时变推进能力。
32.根据权利要求30或31所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述机体包括彼此相交的至少两个表面，该至少两个表面上均设置有若干个动力单元。
33.根据权利要求30或31所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述多个动力单元包括仅用于向所述机体提供轴向力的若干个第一动力单元和仅用于向所述机体提供侧向力的若干个第二动力单元。
34.根据权利要求30或31所述的推力矩阵装置，其特征在于，
所述推力矩阵装置用于在陆地和/或水面在二维空间内行进。
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