CN107074352A - 多侧转旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种多引擎飞行器(100),其包括一个底座(200),三个或更多的引擎(300)及一个或多个自由机翼(400)。每个自由机翼(400)通过轴连接机构(18)与所述底座相连接,所述连接可根据自由机翼上的空气流动方向而相应改变所述机翼的迎角。所述飞行器可配装控制面板A或运动控制设备。
Description
说明书
技术领域
本发明涉及一种带有三个或更多旋翼的多翼飞行器,其配装有可沿纵轴自由旋转的自由机翼,从而在水平飞行过程中为飞行器提供升力。
背景技术
近年来,垂直起飞后能水平飞行的飞行器的开发、制造和利用的涉及多领域的综合行业方兴未艾。所述飞行器即可是有人驾驶也可是无人驾驶,并有多个不同的名称如,VTOL(垂直起降)飞行器、多旋翼飞行器、侧转飞行器等。这类飞行器的特征在于具有几个引擎(螺旋桨或喷气式),实现飞行器的垂直起降。一旦飞行器升空,引擎的定位可进行调整,以推动飞行器的水平飞行。为表述清楚起见,本说明书中的飞行器特指“多旋翼飞行器”。多旋翼飞行器采用螺旋桨或喷气式引擎可实现起飞、盘旋及水平飞机。飞行器通过感应器和飞行控制计算机向飞机器的引擎和螺旋桨发送指令来控制及保持稳定。
多旋翼飞行器的一个优点是其能够垂直起降、在空中盘旋及水平飞行。
多旋翼飞行器的一个缺点是续航时间相对较短。这一缺陷的原因是引擎的一部分能量并用来维持其水平向前的飞行。因此有些多旋翼飞行器配装有机翼,以提高水平飞行的能量效率。有些多旋翼飞行器配装有以固定连接方式与机翼连接的引擎,因此引擎与机翼之间的角度是固定的,机翼旋转与引擎的旋转同步。在其他一些型号中,机翼和引擎与底座固定连接。上述飞行器的缺陷在于引擎和机翼以固定方式连接,在起降和盘旋过程中都会产生不利影响。当机翼与地面垂直(即引擎朝上,与直升机的功能相同)且风大时,就会出现阻力和不稳定。类似地,引擎和机翼均固定连接在底座上的飞行器在起飞、盘旋或降落时如出现后风或侧风,机翼就会产生负升力及/或阻力。这一缺陷导致能量损失(需要引擎增加作业),或出现使飞行器偏离垂直降落线或盘旋点等更严重的状况。例如当飞行器需要降落在建筑楼顶时,这一问题尤其严重,当正在降落时出现侧风就会导致飞行器偏离着陆点。
为增加飞行器的稳定性可采用执行器及各种机械装置,但同时因为增加了部件又降低了可靠性,当这些部件对于飞行至关重要时,其成为真正的危险因素。此外,上述装置重量较大从而缩短了最大飞行时间或降低了飞行器装载能力。相应地,本发明中的自由机翼可在其安装于多旋翼的纵轴上自由转动。自由机翼可由执行器控制也可不需要控制,其角度和产生的升力由其相对于气流决定。
现将各现有多旋翼飞行器存在缺陷的情况总结如下:(1)机翼固定安装于底座的飞行器在水平飞行时,其机翼与传统飞行器的功能相同。当飞行器盘旋(飞行器在空中相对于地面某个点固定不动)或降落(飞行器相对于地面某个点垂直下降)时如未出现大风,侧不会出问题。然而如出现侧风、阵风或后风,飞行器将偏离固定点,从而出现前述的问题。(2)机翼固定安装于引擎的飞行器的机翼和引擎相对于底座同步旋转:在水平飞行时,飞行器与传统飞机功能相同。然而在盘旋或降落时,引擎朝上,机翼与地面垂直,当出现任何方向的风时都会导致飞行器偏离所述固定位置。此外,这一缺陷还难以控制,因为移动机翼本身将导致引擎和机翼纠差之间的冲突。
附图说明
本发明的附图不是本发明及其申请的范围的限制。附图仅用于对本发明的说明,其仅构成本发明多个可能的实施例的其中之一。
图1A为处于水平位置的多旋翼飞行器,动力部件正在作业。
图1B为向前侧向飞行的多旋翼飞行器。
图2为带有一对自由机翼(400)的多旋翼飞行器(100)。
图3为处于水平飞行带有自由机翼(400)的多旋翼飞行器(100),动力部件正在作业。
图4为向右侧倾的多旋翼(1000)。
图5为向左侧倾的多旋翼(1000)。
图6-9为安装有自由机翼(4000)的多旋翼(1000)。5
发明详细说明
本发明涉及一种安装有自由机翼的多旋翼飞行器,这一设计一方面可提高飞行效率及节省能量,另一方面可避免机翼安装于底座或引擎的飞行器的缺陷。
多旋翼飞行器的稳定和控制通过感应器和飞行计算机操作引擎和螺旋桨来实现。例如,如果操纵人员想让飞行向前飞行,后引擎收到加速指令,而前引擎则收到减速指令。此时旋翼旋转并向前倾,在水平方向上给飞行器施加推力。由于向前飞行需要动能,飞行器为保持高度需要增加引擎动力,因此如图1A和1B所示飞行器在此状态时消耗更多的能量。如图1A所示,多旋翼飞行器(2)在水平位置盘旋。升力矢量(4)是引擎和螺旋桨(5)实施的全部动力,重力矢量(6)是飞行器(2)重力的中心。当这两种力量相等时,飞行器(2)处于平衡状态,即保持高度盘旋。
图1B向前侧向飞行(或逆风飞行)的飞行器(2),升力矢量(4)是引擎和螺旋桨(5)产生的合力,所述合力(4)可分成实现向前飞行的向前矢量(8)以及决定飞行器高度的矢量(10)。
可以看到当矢量(10)小于矢量(4)和矢量(6)时,飞行器将失去高度并下降。为了使飞行器保持高度,必须增加合力直到矢量(10)等于矢量(6),即飞行器的总重量。这样将实现平衡,使飞行器保护飞行高度。增加合力将导致能量浪费并缩短飞行时间。
本发明涉及如图2和图3所示的一种多旋翼飞行器(100),其包括一个底座(200),三个或更多的引擎(300),一个自由机翼(400)(或底座两侧的一对自由机翼。所述自由机翼(400)通过轴连接方式与底座(200)相连接。因此,自由机翼(400)和底座(200)的角度可通过执行器(500)或机翼上气流的力量进行调节。
在水平飞行单元(以后简称为“水平飞行”)时,自由机翼(400)为了产生升力,其必须与气流方向(14)产生一个具体的正迎角。由于底座(200)向前正对气流,因此自由机翼(400)不能始终固定于底座非常重要。否则将产生负角度,从而导致失去高度和能量损失。为使自由机翼相对于气流形成具体的正角度,可采用控制机翼转向的执行器或安装于机翼上的计算机控制的引擎。可选择的方案是,可采用不需要干涉的完全自由机翼(400),以自动与气流运动相对形成最佳的状态。这可通过机翼的结构实现,但会在多个飞行姿态中降低空气动力效率。
自由机翼(400)通过轴(18)与底座(200)连接,自由机翼可沿轴自由旋转。自由机翼(400)根据气流(14)实现自动稳定(或通过程控执行器实现稳定),增加向上升力,其可视为矢量(16)为引擎(300)产生的升力提供补充。
如图3所示,自由机翼可沿轴(18)自由旋转。矢量(16)为自由机翼产生的向上升力,其中心位于轴(18)后面,其产生的力矩(22)使机翼后缘沿轴(18)升起。机翼上的控制表面或机翼后缘的向上升起产生向下动力(26),其在向上力矩(22)相反方向产生力矩(24),直到实现平衡状态,机翼相对于气流实现稳定并产生升力。在盘旋时,飞行器(100)必须顶风,在飞行时,机翼应相对于气流收起。安装于飞行器的专用软件、飞行计算机以及感应器均用来在水平飞行时保持自由机翼(400)的定向。
根据前述说明及本专利申请的附图,可以理解到本发明涉及一种带有三个或更多以固定方式安装于飞行器(100)底座(200)的螺旋桨(300),螺旋桨(300)与底座之间的角度是固定的。此外,本发明涉及的飞行器(100)具有通过轴(18)连接于底座(200)的一个或多个自由机翼(400),机翼(400)与飞行器(100)的底座(200)之间的角度可以调节。机翼(400)的迎角可通过执行器(500)旋转机翼来实现,所述执行器可以是马达、螺旋桨或任何其他设备。可选的方案是,由于自由机翼(400)可以自由旋转,其迎角也可相对于自由机翼(400)上的气流来进行调节。在水平飞行时,机翼周围的水平气流调整机翼的迎角,使机翼(400)的升力矢量处于向上的方向。这增加了飞行器(100)的升力并减小了螺旋桨(300)作业所需的能量。本发明可通过为飞行器(100)增加两个自由机翼(400)来实施。此外,机翼(400)与底座(200)的轴连接(18)可实现机翼的360度无限制的旋转。
当飞行器(100)在侧风条件下盘旋、起飞或降落时,飞行器(100)可向风的方向侧转,以保持与地面固定点的位置,机翼可旋转至机翼(400)的前缘正对风向,这样可以在相当程度上减小阻力并避免飞行器(100)偏离地面固定点。如图所示,机翼的每一侧(左侧及右侧)可独立旋转,由于机翼的每一侧的阻力不同,这样可以实现多旋翼,尤其是在偏离轴上的控制,通过机翼的独立,相对于多旋翼和螺旋桨产生非常小的力矩,同样使多旋翼在大风条件下更加稳定。
自由机翼(400)可配装控制表面以实现机翼和飞行器升力的最佳和快速的控制。可选地,自由机翼(400)可配装限制装置以限制机翼旋转至轴(18)上的可能性。换句话说,为在低速状态下产生升力,机翼的后部不能升至超过一定角度。然而所述限制装置不能限制机翼在起飞、盘旋和降落过程中降低。
图4和图5为本发明多旋翼(1000)的第二个实施例。沿多旋翼飞行器(1000)垂直轴(1026)的旋转通常是顺时针旋转和逆时针旋转的螺旋桨(5000)产生的力矩差别的结果。为实现多旋翼的最佳控制,这些力矩相对较小。多旋翼(1000)包括一个底座(2000)和四个或更多的螺旋桨(5000)。底座(2000)包括一个主体(2100)和一对轴(2200)(2300),为解释起见,在说明书中称为“右轴”(2200)和“左轴”(2300)。
螺旋桨(5000)与所述轴的顶端连接,每条轴(2200)(2300)通过轴连接(1018)与主体(2100)连接。假设四个螺旋桨(5000)以同样的动力做向上作业,多旋翼(1000)将垂直上升,四个引擎(5000)处于同一水平面。
假如操作员想使多旋翼向右转,其可增加右轴(2200)上的螺旋桨的动力并减小同一轴(2200)上另一螺旋桨的动力。右轴(2200)将沿与主体(2100)相连接的轴(1018)旋转,在一个螺旋桨上升而其他螺旋桨下降的情况下,多旋翼将向右侧转。
如图4所示,由于右轴(2200)上的引擎(1014)和左轴(2300)上的引擎(1020)推力增大,多旋翼(1000)顺时针方向向右转(同时也可减小引擎1016和1022的推力),从而实现多旋翼沿主轴1026偏转。图5为多旋翼相对应地向左偏转的状态。
图6-9为本发明涉及的多旋翼(1000)的第三种实施例,其配装有与底座(2000)的主体(2100)以轴连接方式连接的自由机翼(4000)。
Claims (7)
1.一种多旋翼飞行器,其包括底座(2000),三个或更多的引擎(300)以及一个或多个自由机翼(400);其中自由机翼(400)以轴连接(18)与所述底座连接,所述机翼与底座的角度可根据机翼上的气流相应地调节;
2.一种多旋翼飞行器(100),其包括底座(2000),三个或更多的引擎(300),一个或多个自由机翼(400)及一个执行器(500);其中自由机翼(400)以轴连接(18)与所述底座连接,所述机翼与底座的角度通过所述执行器进行调节;
3.如权利要求1所述的多旋翼飞行器,其所述自由机翼控制表面包括控制表面或运动限制装置。
4.如权利要求2所述的多旋翼飞行器,其所述自由机翼包括控制表面。
5.一种多旋翼飞行器(1000),其包括一个底座(2000),四个或更多螺旋桨(5000);其中底座(2000)包括一个主体(2100)和一对轴(2200)(2300);其中每个轴的顶端均连接有一个螺旋桨(5000);其中所述一个或多个轴(2200)(2300)通过轴连接(1018)与主体(2100)连接;其中螺旋桨推力的相对变化实现飞行器的旋转。
6.如权利要求5所述的一种多旋翼飞行器,其还配装有通过轴连接与底座(2000)的主体(2100)连接的自由机翼(400)。
7.如权利要求1所述的多旋翼飞行器,其所述左边或右边的自由机翼的每一侧均可自由并独立地不限次数地进行360度旋转。
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