CN106232473A - 飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞行器，其包括机身(1)、多个螺旋桨单元(3)和机翼(5)，螺旋桨单元相对于机身(1)枢转，机翼可至少部分地相对于机身(1)并且独立于螺旋桨单元(3)枢转。

Description

飞行器
本发明涉及替代的垂直起落(VTOL)飞行器，其可垂直地起飞和着陆，呈现悬停状态，围绕任何空间轴线旋转，在空中沿任何方向运动，并且在向前飞行中以比已知的直升机和四轴飞行器/多轴飞行器高的效率达到更高的飞行速度。根据本发明的飞行器基本上由飞行器机身组成，在飞行器机身上的多个螺旋桨单元、优选地3个至10个螺旋桨单元可围绕垂直于螺旋桨的旋转轴线的轴线而独立于彼此进行枢转。在进一步优选的实施例中，飞行器机身补充有可枢转的机翼单元，机翼单元在向前飞行中为飞行器提供与平面飞行器类似的飞行特征。
实施为具有四个螺旋桨单元的四轴飞行器(例如，KR 101199536、EP 2497555(D’Haeryer Frederic)、US 2011/0299732(Jonchery Claire)、WO 2013/1445078(CallouFrancois)、KR 20120065546(Joo Byung Kyu)、KR100812756(Kang Min Sung)、KR100812755(Kang Min Sung)、CZ 26152(Klekner Ota)、CN 20132236591(Chen Jiayan)、RU2500577(Kuzmich Borzenko Jakov))或者具有多于四个螺旋桨单元的多轴飞行器的飞行器对应于现有技术，其中各螺旋桨单元分别刚性地连接到飞行器。每个螺旋桨的推力和旋翼扭矩是变化的，并且飞行器由螺旋桨转速或螺距的变化控制。因此，飞行器可以限定的方式垂直起飞和着陆，围绕垂直轴线旋转，或者围绕横向轴线枢转，并且在限定的方向上飞行。在这种情况下，在向前飞行中经由螺旋桨产生垂直升力，并且成比例的力分量通过整个飞行器围绕限定角度的倾斜而用于实际的向前飞行。此类系统具有以下缺点，即，相对小比例的力可用于向前飞行并且具有与其关联的较低的向前飞行速度和/或低效率。
从KR 20120060590(Jung Seul)已知一种配置，其中螺旋桨单元可相对于飞行器的垂直轴枢转90°，使得飞行器可借助于机架的自由旋转的各轮沿限定的方向在地面上移位。在飞行状态中，根据该说明书，经由螺旋桨单元以已知的方式生成垂直升力。
从CN 103359283(Xian Bin)已知一种配置，其中飞行器实施为具有三个螺旋桨单元，所述螺旋桨单元可附加地进行枢转。
从DE 202013008284(Siegfried)已知一种具有四个旋翼的配置，其中三个较小的旋翼布置在较低平面中，而一个较大旋翼布置在位于较低平面上方的平面中。借助于在较小旋翼下方的附加导流单元，并且/或者经由较小旋翼的枢转运动，飞行器可附加地在限定的飞行方向上受控。
从ES 2326201(Porras Vila)已知一种四轴飞行器配置，其显示四个刚性布置的螺旋桨单元和在螺旋桨单元下方的四个可枢转的导流单元，使得螺旋经的气流可被控制朝向前方或者朝向后方。然而，导流单元不适合作为机翼。
从US 5,000,398(Rashev Michael S.)已知一种飞行器配置，其中，使用刚性布置的旋翼单元生成垂直升力，并且可使用附加发动机生成向前推力。提供飞行器的机身用于容纳较大的负载(例如，飞行器)，但不存在实际意义上的机翼。
从US 5,419,514(Ducan Tery A.)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行器机身，飞行器机身具有四个机翼，其中，可枢转地实施的导管风扇布置在机翼中的每个的端部上。机翼刚性地连接到飞行器机身。
从EP 2 690 012(Fink Axel)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行器机身并且具有四个机翼，其中，近似地在飞行器机身上的质量重心中设置有主旋翼，可枢转地实施的导管风扇(Mantelpropeller，有罩的风机)布置在机翼中的前两端中的每个上。机翼刚性地联接到飞行器机身。
从EP 2 690 011(Fink Axel)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行器机身并且具有四个机翼，其中，近似地在飞行器机身上的质量重心中设置有主旋翼，螺旋桨在飞行方向上刚性地布置在机翼的前部较大机翼中的每个上。机翼刚性地联接到飞行器机身。
从EP 2 690 010(Fink Axel)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行器机身并且具有两个机翼，其中，近似地在飞行器机身上的质量重心中设置有主旋翼，机翼经由双重机身连接，推力螺旋桨刚性地布置在机翼的后部机翼中的每个上。机翼刚性地连接到飞行器机身。
从EP 2 666 718(Eglin Paul)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行前机身并且具有四个机翼，其中，近似地在飞行器机身上的质量重心中设置有实施为同轴旋翼的主旋翼，螺旋桨在飞行方向上刚性地布置在机翼的前部较大机翼上。机翼刚性地连接到飞行器机身。
从RU 2502641(Durov Dmitrij Sergeevich)已知一种飞行器配置，其由平行布置的两个飞行器机身构成并且具有两个机翼，其中三个旋翼布置在飞行器机身上，导管风扇刚性地布置在机翼的后部机翼上并且生成向前推力。机翼刚性地连接到飞行器机身。
KR 20130126756(Kroo Ilan)已知一种飞行器配置，其实施为具有飞行器机身并且具有四个机翼，其中，多个串联布置的垂直螺旋桨横向地布置在飞行器机身上，螺旋桨刚性地布置在机翼的后部两个机翼中的每个上。机翼刚性地连接到飞行器机身。
从CN 103318410(Wang Jin)已知一种飞翼设计，其实施为具有两个可枢转的螺旋桨并且可执行垂直起飞和着陆并且还向前行进。
从US 20130327879(Scott Mark W.)已知一种飞行器设计，其实施为具有主旋翼和尾旋翼的直升机，尾旋翼可围绕其旋转轴枢转。可枢转的尾旋翼稳定飞行器悬停状态，并且可在飞行方向上另外地生成水平推力。
从RU 2500578(Nikolaevich Pavlov Sergej)已知一种飞行器设计，其实施为具有飞行器机身，具有两个螺旋桨单元，并且具有在后部区域中的两个可枢转机翼，其中，近似地在飞行器机身上的质量中心中设置有主旋翼，螺旋桨单元关于飞行器机身横向地布置在前部区域中并且与飞行方向平行，以用于向前推力。
从WO 2003/029075(Milde Karl F.Jr.)已知多种飞行器布置，其中刚性机翼布置在飞行器机身上，并且多个导管风扇分别连接到机翼或者集成到机翼，这些风扇导管附加地实施为具有导流单元。
从DE 1481620(Lariviere Jan Soulez)已知一种飞行器，其中两个刚性机翼布置在飞行器机身上，可枢转的导管风扇布置在飞行器机身中的每个的端部上，所述导管风扇实现垂直起飞和着陆还有向前飞行，但不能实现从悬停状态到向前飞行的平稳过渡。
从US 8,016,226(Wood Victor A.)已知一种飞行器，其由具有集成的刚性机翼的飞行器机身组成，其中，四个可枢转安装的导管风扇集成到机翼中，并且提供副翼和升降舵，以用于向前飞行中的稳定。在该配置中，刚性机翼在垂直爬升中引起高流阻。
从US 8,152,096(Smith Frick A.)已知一种飞行器配置，其由具有刚性机翼的飞行器机身组成，并且附加地在机身上和在飞行器前部部分中的两个附加机翼上装备有可枢转的导管风扇。在该配置中，刚性机翼在垂直爬升中引起高流阻并且导致不稳定。
从US 6,892,980(Kawai Hideharu)已知一种飞行器配置，其由飞行器机身和两个横向细长的刚性机翼结构组成，其中，机翼机构形成四个拐角，可枢转的喷射发动机布置在拐角中的每个上。在第二实施例变型中，多个向下取向的发动机布置在常规客机的翼根中。在该配置中，刚性机翼在垂直爬升中引起高流阻并且导致不稳定。
从US 3,335,977(Melitz Ludwig F.)已知一种飞行器配置，其中，两个刚性机翼布置在飞行器机身上，可枢转的导管风扇布置在刚性机翼中的每个的中间区域中，所述导管风扇实现垂直起飞和着陆还有向前飞行，但不能实现从悬停状态到向前飞行的平稳过渡。
从US 3,360,217(Trotter John C.)已知一种飞行器配置，其中，四个刚性机翼布置在飞行器机身上，可枢转的导管风扇布置在刚性机翼中的每个的端部上，所述导管风扇实现垂直起飞和着陆还有向前飞行，但不能实现从悬停状态到向前飞行的平稳过渡。附加的喷气式发动机集成在后部机翼中以用于向前飞行。
AT 503689(Naderhirn Michael)已知一种飞行器，其由刚性飞翼机身组成，刚性飞翼机身具有集成到机翼中的三个可枢转的发动机。
从US 3,084,888(Hertel H.)已知一种飞行器配置，其中，两个刚性机翼和多个发动机布置在飞行器机身上，所述刚性机翼和发动机可枢转并且实现垂直起飞和着陆还有向前飞行。
从DE 1926568(Nachod James Henning)已知一种飞行器配置，其中，两个刚性机翼布置在飞行器机身上，可枢转的螺旋桨位于飞行器机身的端部上，并且用于向前推力的发动机布置在飞行器的尾部区域中，使得垂直起飞和着陆还有向前飞行是可能的，但不能从悬停状态平稳地过渡到向前飞行。
US 20130256465(Smith Dudley E.)已知一种飞行器配置，其中，两个刚性机翼布置在飞行器机身上，可枢转的旋翼布置在飞行器机身的端部上，所述旋翼实现垂直起飞和着陆还有向前飞行，但不能实现从悬停状态到向前飞行的平稳过渡。
从WO 2005/037644(Dzerins Peteris)已知一种飞行器配置，其实施为具有可枢转布置的螺旋桨的多轴飞行器，使得垂直起飞和着陆还有向前飞行是可能的，但不能滑翔飞行，因为不存在机翼单元。
从DE 102011113731(Euer Hartmut)已知一种飞行器配置，其中，两个刚性机翼布置在飞行器机身上，刚性机翼支撑可枢转的发动机，并且进一步地，可枢转的发动机在后部区域中设置在飞行器机身上，使得垂直起飞和着陆还有向前飞行得以实现，并且还实现从悬停状态到向前飞行的平稳过渡。
从EP 2 669 195(Euer Hartmut)已知一种飞行器配置，其中，多个驱动旋翼布置在飞行器机身上的枢转臂上，驱动旋翼实现垂直起飞和着陆还有向前飞行，并且驱动旋翼在第二位置中压抵于机身或机翼，或者容纳在机身或机翼中，并且所述飞行器实施成具有垂直和侧向尾部单元以用于飞行阶段中的稳定。在另一实施例变型中，机翼可围绕横向于飞行器的纵向轴线的轴线进行枢转。
所有已知的飞行器配置均具有以下缺点：在向前飞行中缺少效率，并且/或者缺乏围绕每根空间轴线的完整360°可操纵性，并且/或者缺少从悬停状态到向前飞行的稳定过渡。
本发明的目的为限定一种飞行器，该飞行器可垂直起飞和着陆，呈现悬停状态，围绕每根空间轴线旋转，在空中沿任何方向运动，并且在向前飞行中以比已知的直升机和四轴飞行器/多轴飞行器高的效率来实现更高的飞行速度。该飞行器在起飞期间和在着陆期间将尽可能地紧凑。在螺旋桨单元由于部件故障或缺乏燃料而发生故障的情况下，该飞行器将通过自动旋转能力可实现安全着陆。
根据本发明，该目的这样来达到，即机翼可至少部分地相对于飞行器机身并且独立于各螺旋桨单元枢转。
由于多个螺旋桨单元经布置使得它们可相对于刚性的飞行器机身枢转，并且独立地生成的推力矢量可在任意方向上被引导，推力矢量的方向近似地平行于在向前飞行中的飞行方向对齐。在机身上另附加设置机翼的情况下，在向前飞行中生成所需的升力，并且相对于已知直升机和四轴飞行器/多轴飞行器在向前飞行中达到更高的效率。在进一步优选的实施例变型中，各机翼可围绕旋转轴枢转，使得在垂直爬升(垂直起飞)中和/或在着陆操纵期间可达到更高的效率和精度。
螺旋桨单元的数目为3个至10个，因而，与在高于临界飞行速度的飞行姿态中才实现稳定性的、仅具有两个螺旋桨单元的替代的飞行器相比，使得在垂直起飞和垂直着陆期间，在悬停状态中，并且在从悬停状态到向前行进或从向前行进到悬停状态的过渡范围中，稳定飞行姿态分别都是可能的。
此外，使用更大数目的螺旋桨单元，可以更好地容忍单个螺旋桨的故障。
螺旋桨单元优选地设置在机翼内。螺旋桨单元在机翼内的布置实现对飞行器的空气动力学的针对性影响。
分别在总体飞行器结构内或在机翼内替代地提供的各螺旋桨单元的布置实现与障碍物的适度碰撞，而无损坏飞行器的风险(例如，接触岩墙、对接在垂直墙上、飞过建筑物间的小开口、例如窗户……)。
螺旋桨单元在保护框架内的布置在与障碍物的适度碰撞情况下增加了飞行器的安全性，而且实现了在操作中能够接触飞行器，而无对人员造成伤害的风险。
在优选的实施例变型中，螺旋桨单元可布置成使得它们可相对于飞行器机身枢转一枢转角度，该枢转角度为从中间位置起在两个方向上大约90°。因此，除垂直起飞和着陆以及在向前飞行中以外，推力反向是可能的，这一方面极大地改善了敏捷性，另一方面还实现了吸到固定下层表面上。
螺旋桨单元可围绕枢转轴线相对于飞行器机身枢转，枢转轴线平行于飞行器的横向轴线布置，并且这独立地适用于每个单独的螺旋桨单元，使得最极端的飞行操纵和具有极小转向半径的转向得以实现。
对飞行器的敏捷性和可操纵性的辅助可这样来达到，即螺旋桨单元相对于飞行器机身万向地进行安装。
故障安全性的增加或飞行器复杂度的降低这样来实现，即螺旋桨单元被电驱动并且可单独被控制。
通过电源实现到单独的推进器单元的简化电力传输是可能的。由于当前典型的电蓄能器(电池)的有限电容和高重量，所以在进一步的实施例变型中提供混合电源，混合电源由燃料电池或用于生成电能的内燃机和发电机组成。
有人驾驶飞行器和无人驾驶飞行器两者的里程和使用时间具有极大的重要性，为此还提供了太阳能电池以用于生成电能。
借助于通过至少一个内燃机驱动的螺旋桨单元，在飞行器上具有自主供电的里程和使用时间会是有利的。
一方面增加的飞行器敏捷性以及另一方面在向前飞行中的高效率通过以下这样成为可能，即机翼可相对于飞行器机身围绕一轴线枢转，所述轴线相对于飞行器的横向轴线平行布置或者成锐角布置，并且在经济的向前飞行中，可以一调整角度来调整机翼，所述调整角度以最佳升力实现最小可能的流阻。
通过使得机翼布置成它们可折叠而可提供在极度狭窄的空间中起飞和着陆并且还有特别小的雷达标记。
比使用已知的直升机/四轴飞行器/多轴飞行器到达更高的高度通过以下这样成为可能，即机翼可移动到螺旋状的枢转位置，在此位置中，在飞行器围绕其垂直轴和/或围绕平行于垂直轴(但在飞行器外部)的轴旋转的情况下，生成垂直升力，以借助低能源使用进行爬升(类似于鹰在空中“盘旋”)。
本发明将在下文基于图1至图5进行更详细地描述：
图1示出根据本发明的飞行器，其包括飞行器机身1、外部保护框架2(不是绝对需要)、多个、优选是4个螺旋桨单元3、用于每个螺旋桨单元3的枢转单元4、飞行方向6，该飞行方向6可通过螺旋桨单元的位置和飞行器围绕垂直轴线7、横向轴线8和纵向轴线9的可能的旋转运动来限定。
图2示出根据本发明的飞行器，其具有螺旋桨单元3的枢转单元4和枢转构件4′，其中枢转角度可大于+/-180°。
图3示出根据本发明的实施例变型的飞行器的俯视图，其具有机翼5，机翼5为刚性的，或者根据进一步的实施例变型，机翼5可沿枢转轴5′枢转一枢转角度5″，其中枢转角度5″优选地在+/-90°的范围内。飞行器位于向前行进中的飞行方向6上，并且螺旋桨单元3在飞行方向上对齐。
图4示出根据本发明的根据图3的飞行器的侧视图。机翼5通过调整角度5″与飞行方向相反地进行调整，以用于生成最佳升力。
图5示出根据本发明的处于最佳向前飞行中的飞行器，其具有已被调整的机翼5，这些机翼5布置在飞行器机身1上。螺旋桨单元3和枢转单元4可由保护框架2进行保护。飞行器机身1和保护框架2可具有空气动力学形状。
图6示出根据本发明的飞行器，其具有横向折叠的机翼，用于特别小的外部尺寸，例如正如在极小空间中的着陆操纵所需的那样。
图7示出根据本发明的飞行器，其具有在相反方向上调整的机翼，使得飞行器可被设置为围绕垂直轴线旋转，以类似于螺旋桨进行垂直移动，或者在螺旋桨单元发生故障的情况下可同时被设置为在垂直方向上的自由下落的向下方向6中围绕垂直轴线进行旋转，并且在利用旋转能量时可以及时的方式吸收机翼倾斜的抵抗作用所造成的撞击。
图8示出根据本发明的在进一步的实施例变型中的飞行器，其中单独的飞行器单元3直接布置在机翼上，该飞行器具有折叠机翼，用于在起飞过程期间或在小空间中的安全着陆期间稳定地站立在地面上。
图9示出根据本发明的在根据图8的进一步实施例变型中的飞行器，其中各个单独的螺旋桨单元3直接布置在机翼上，并且机翼在起飞过程之后已经展开。
图10示出根据本发明的在根据图8的进一步实施例变型中的飞行器，其中各个单独的螺旋桨单元3直接布置在机翼上，并且机翼在起飞过程之后的向前飞行中已经展开，其中飞行器在该起飞阶段中的行为类似于具有低流阻的传统平面飞行器(例如，动力滑翔机)。
本发明的基本方面还在于飞行器可实施为无尾部或稳定表面。

Claims (16)

1.一种飞行器，所述飞行器具有飞行器机身(1)和多个螺旋桨单元(3)并且具有机翼(5)，所述螺旋桨单元布置成使得它们相对于所述飞行器机身(1)可枢转，所述机翼能至少部分地相对于所述飞行器机身(1)并且独立于所述螺旋桨单元(3)枢转，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)设置在机翼(5)内或者在所述飞行器机身(1)内。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，设置有3个至10个螺旋桨单元(3)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)分别具有保护框架。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)能相对于所述飞行器机身(1)枢转一枢转角度，所述枢转角度为从中间位置开始在两个方向上约为90°。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)围绕一枢转轴线相对于所述飞行器机身(1)可枢转，所述枢转轴线平行于所述飞行器的横向轴线布置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)相对于所述飞行器机身(1)万向地安装。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)为电驱动的，并且优选地提供太阳能电池以用于生成电能。
8.根据权利要求7所述的飞行器，其特征在于提供混合电源，所述混合电源由燃料电池或用于生成电能的内燃机和发电机构成。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述螺旋桨单元(3)通过至少一个内燃机驱动。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述机翼(5)围绕一轴线相对于所述飞行器机身(1)可枢转，所述轴线相对于所述飞行器的横向轴线平行布置或成锐角布置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述机翼(5)以可折叠的方式布置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述机翼(5)能运动到螺旋状的枢转位置中，在该枢转位置中，在所述飞行器围绕其垂直轴线旋转期间生成升力。
13.根据权利要求1至13中任一项所述的飞行器，其特征在于，在单独的驱动单元发生故障的情况下，通过所述机翼(5)的共同枢转和所述飞行器的垂直下沉，使得所述飞行器进入自动旋转，并且在地面上的撞击能通过以下方式缓和，即所述机翼在与第一枢转相反的方向上以及时的方式进行调整，并且通过所述旋转能生成升力。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的飞行器，其特征在于，螺旋桨单元(3)能刚性的或可移动的方式布置在所述机翼(5)上。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器能借助于所述机翼在所述地面上呈现稳定的站立。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的飞行器，其特征在于，具有折起的机翼的所述飞行器能垂直起飞，并且能在所述悬停状态中将所述机翼(5)展开，其中所述飞行器优选地能从所述悬停状态过渡到稳定的向前飞行，并且在最低流阻的情况下能呈现高的飞行速度。
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Application publication date: 20161214

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