CN106314762A - 一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，包括由上偏航侧翻稳定器和下偏航侧翻稳定器组成的偏航侧翻稳定器，上偏航侧翻稳定器的底端和下偏航侧翻稳定器的顶端分别转动连接在飞行器尾端的上下的飞行器对称面上，并能够围绕上下方向的轴独立转动，其中上偏航侧翻稳定器在飞机的质量中心之上，下偏航侧翻稳定器在飞机的质量中心之下；两个偏航侧翻稳定器尺寸和形状相同或近似。本发明的优点是：对称布置有助于对航空器的简单和平稳的控制。本发明位于带有牵引式机鼻螺旋桨的航空器的中心线上，以确保其充分利用航空推进器产生的滑流，在即使是低速飞行和悬停时，都能产生有效的侧翻和偏航控制。

Description

一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统

技术领域

本发明涉及一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，属于飞机控制系统的技术领域。

背景技术

从莱特兄弟时代，就已开始利用可转动的控制面作为飞机的控制系统。最早的飞机上使用的升降舵和方向舵分别控制飞机的俯仰和偏航/侧翻。这些飞机的侧翻和转向都很慢。翘曲机翼是由莱特兄弟发明的，首次实现了独立的飞机三轴控制，并增加了侧翻速率，减少了转弯半径。后来，格伦·柯蒂斯发明了飞机副翼aileron来控制侧翻，与翘曲机翼相比，是一个有显著的简化和改良的伟大发明。

此后，又有人发明了升降稳定器（stabilator），它是把水平稳定器的稳定功能和升降舵的俯仰控制功能结合的一个控制系统。然后又发明了升降副翼（elevon），它结合了升降舵和副翼的功能，通常用于飞翼机和混合翼身设计中。该升降副翼利用对称偏转差异来实现独立的俯仰和滚转控制。类似的，垂直全动尾翼也被发明了，实现了垂直稳定器和方向舵的功能的结合。

一些固定翼垂直起降（VTOL）飞机被形容为X-翼机，其上有四个可移动的控制表面，本质上是两个相邻的V-机尾。这些机型可能有四个铰接在固定稳定器上、可分别转动的独立控制面，类似于原始固定翼机的传统方向舵和升降舵。

方向舵和垂直全动机尾传统上不是作为一个有显著贡献的侧翻控制，因为传统上垂直尾翼比机翼短得多，过短的力矩臂导致无法进行有效的侧翻控制。对于较新的机身设计，包括低展弦比固定翼垂直起降飞机，侧翻惯量和抑制侧翻的气动阻力是非常低的，这样使得垂直尾翼表面作为主要侧翻控制成为可能，但这一技术从来没有实践过。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种用于飞机的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统。

本发明的技术方案是：一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，其特征在于，包括由上偏航侧翻稳定器和下偏航侧翻稳定器组成的偏航侧翻稳定器，上偏航侧翻稳定器的底端和下偏航侧翻稳定器的顶端分别转动连接在飞行器尾端的上下的飞行器对称面上，并能够围绕上下方向的轴独立转动，其中上偏航侧翻稳定器在飞机的质量中心之上，下偏航侧翻稳定器在飞机的质量中心之下；两个偏航侧翻稳定器尺寸和形状相同或近似。

所述的上偏航侧翻稳定器和下偏航侧翻稳定器能够分别向相同或不同的方向偏转，以产生相互补足的侧翻力矩或相反的侧翻力矩。

所述的上偏航侧翻稳定器和下偏航侧翻稳定器分别通过上下方向的转轴转动连接在飞行器尾端的上面和下面，该转轴分别通过一传动机构与设在飞行器尾端或机身内的马达传动连接。

本发明的优点是：当与俯仰舵或类似的俯仰控制装置相结合时，本发明可以实现航空器的全部三轴控制。对于垂直起飞和着陆的飞翼和低展弦比的混合翼身的航空器，本发明尤其具有利用价值。本发明的对称布置有助于对航空器的简单和平稳的控制。本发明位于带有牵引式机鼻螺旋桨的航空器的中心线上，以确保其充分利用航空推进器产生的滑流，在即使是低速飞行和悬停时，都能产生有效的侧翻和偏航控制。

附图说明

图1是本发明在垂直起降固定翼飞机上的立体结构示意图（静止或直飞状态）；

图2描述了通过偏航侧翻稳定器的对称偏转（两部分同向偏转）来控制飞机的偏航角度（图中为向左偏航）；

图3展示了通过偏航侧翻稳定器的差分偏转（两部分反向偏转）来控制飞机的侧翻角度（图中为向右侧翻）；

图4展示了通过偏航侧翻稳定器的上部或下部偏转90°获得的空中气动制动并对协助机身俯仰动作的示意图。

图5展示了通过偏航侧翻稳定器的差分偏转90°获得用于特技飞行的以暂时丧失偏航稳定性为代价的快速全面空中气动制动。

具体实施方式

参见图1，本发明一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，包括上偏航侧翻稳定器1和下偏航侧翻稳定器2，上偏航侧翻稳定器1的底端和下偏航侧翻稳定器2的顶端分别转动连接在飞行器尾端3的上下的飞行器对称面上，并能够围绕上下方向的轴独立转动，其中上偏航侧翻稳定器1在飞机的质量中心之上，下偏航侧翻稳定器2在飞机的质量中心之下；两个偏航侧翻稳定器尺寸和形状相同或近似。

所述的上偏航侧翻稳定器1和下偏航侧翻稳定器2能够分别向相同或不同的方向偏转，以产生相互补足的侧翻力矩或相反的侧翻力矩。

所述的上偏航侧翻稳定器1和下偏航侧翻稳定器2分别通过上下方向的转轴转动连接在飞行器尾端3的上面和下面，该转轴分别通过一传动机构（常规技术，未图示）与设在飞行器尾端3或机身内的马达（未图示）传动连接。

偏航侧翻稳定器的偏转能有效地改变其自身攻角，增加或减少作用于自身的空气动力的大小和方向。所产生的气动力将主要作用在纵向和横向方向，几乎没有垂直分量。因为偏航侧翻稳定器产生的等效合成气动力能够在其自身和飞机的质量中心之间产生在垂直方向和纵向方向上的力矩臂，所以能产生偏航、侧翻和俯仰的力矩。

偏航侧翻稳定器的中等对称偏转（即上偏航侧翻稳定器1和下偏航侧翻稳定器2同向偏转，如图2所示）将主要在横向方向产生近似相等的空气动力。纵向方向的力距臂较长，形成强大的偏航力矩，确保有效偏航控制。由于偏航侧翻稳定器在飞机质量中心上下两侧的近似对称分布，和其类似的大小、形状、和偏转角，该控制系统设计对造成偏航-侧翻耦合的可能几乎不存在。俯仰-偏航耦合也可以忽略不计，因为作为上下偏航侧翻稳定器产生的时间平均的诱导阻力将大致相等。偏航侧翻稳定器的中等差分偏转（如图3所示）将产生一个围绕机身轴线的旋转力矩（顺时针或逆时针）而造成机身向右或向左侧翻。

深度偏航侧翻稳定器偏转将导致其自身深度失速，产生一个较大的纵向时间平均空气动力。当两个偏航侧翻稳定器同时失速，将造成一个快速空气制动功能，同时有效偏航控制和稳定性（附图5）将暂时丧失。当上偏航侧翻稳定器1或下偏航侧翻稳定器2深度失速时（附图4），将引起一个非零俯仰力矩，其可以被对称升降副翼偏转增强或减弱，以造成一个快速的俯仰力矩，或快速空中气动制动。在这种情况下，偏航稳定性和控制将不会丢失，只会被减弱。

如上所述，本专利技术提供了一个全新的飞机控制概念，即集合垂直稳定器、方向舵和副翼的功能组合成一个称为偏航侧翻稳定器的新部件，用以增加偏航稳定性以及提供独立偏航和侧翻控制。偏航侧翻稳定器还可以与升降舵结合控制飞机的沿三轴线的全部旋转动作。

Claims (3)

1.一种飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，其特征在于，包括由上偏航侧翻稳定器（1）和下偏航侧翻稳定器（2）组成的偏航侧翻稳定器，上偏航侧翻稳定器（1）的底端和下偏航侧翻稳定器（2）的顶端分别转动连接在飞行器尾端（3）的上下的飞行器对称面上，并能够围绕上下方向的轴独立转动，其中上偏航侧翻稳定器（1）在飞机的质量中心之上，下偏航侧翻稳定器（2）在飞机的质量中心之下；两个偏航侧翻稳定器尺寸和形状相同或近似。

2.根据权利要求1所述的飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，其特征在于，所述的上偏航侧翻稳定器（1）和下偏航侧翻稳定器（2）能够分别向相同或不同的方向偏转，以产生相互补足的侧翻力矩或相反的侧翻力矩。

3.根据权利要求1所述的飞行器的侧翻、偏航和偏航稳定性的控制系统，其特征在于，所述的上偏航侧翻稳定器（1）和下偏航侧翻稳定器（2）分别通过上下方向的转轴转动连接在飞行器尾端（3）的上面和下面，该转轴分别通过一传动机构与设在飞行器尾端（3）或机身内的马达传动连接。