CN107984992A - 一种可垂直起降的陆空两用运载器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可垂直起降的陆空两用运载器，包括车身、机翼、尾翼、动力系统、安全保障设备、能源系统。车身包括车体结构、车门、设备舱门、车轮、涵道、涵道电机固定杆；机翼为一对位于车身两侧的可折叠机翼，包括内段机翼、中段机翼、外段机翼、机翼折叠机构；尾翼包括垂尾、平尾及其收放机构；动力系统包括轮毂电机、螺旋桨电机、倾转电机、可收放螺旋桨、涵道螺旋桨；安全保障设备包含整机降落伞包、抗冲击座椅和安全气囊。本发明采用可折叠机翼和可收放螺旋桨，确保陆空两用运载器既可在陆地行驶及停放，又可快速执行飞行指令；采用倾转旋翼，既可垂直起降，又可高速巡航飞行，是一种很有前途的智能化装备。

Description

一种可垂直起降的陆空两用运载器

技术领域

本发明属于垂直起降飞机和通用汽车设计技术领域，具体涉及一种可垂直起降的陆空两用运载器。

背景技术

陆空两用运载器是一种既能在路上行，又能在天上飞的新型运载工具，近年来已引起国内、外科技界的关注。美国、德国、荷兰、以色列、斯洛伐克已先后研制出“飞行汽车”的样机，其中美国研制的Transition车型已获FAA的批准，即将投入市场，自称是未来个人汽车的最佳解决方案，售价40万美元之内；另一种TF-X可垂直起降的混合动力飞行汽车的缩比样机研制工作业已启动；荷兰花十几年研制出的PAL-V已在紧急救援机构首先开始使用。国内中航、西安美联航空公司、中北大学、南航等单位先后开展了基于旋翼的“飞行汽车”研究工作，动力多为油动，且起飞多需长距离跑道滑跑。因此，可垂直起降的陆空两用运载器是一个崭新的技术领域，也是一种很有前途的智能化装备，未来十几年或许能够揭开人类短途交通运输的崭新一页，成为解决城市交通拥堵的新途径，并形成颇具规模的新兴产业。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：本发明针对因重大交通事故、地震、泥石流等原因造成的道路阻断，为公安、消防、供电、医疗等部门，提供一种能垂直起降运送相关人员到目的地执行紧急任务(如交通疏导、供电设施修复和组织救援等)的运载器；或在漫长的边/海防、人烟稀少及陆路交通不便的地区，为武警、海关等部门执行反恐、巡逻、缉私等任务提供一种快速、便捷的运载器。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种可垂直起降的陆空两用运载器，包括车身、机翼、尾翼、动力系统、安全保障设备、能源系统，其中：

车身包括车体结构、车门、设备舱门、车轮、涵道、涵道电机固定杆，其中，车门和设备舱门分别与车体结构铰接，涵道位于车体结构尾部，涵道电机固定杆与车体结构固定连接；

机翼为一对位于车身两侧的可折叠机翼，包括内段机翼、中段机翼、外段机翼、机翼折叠机构。其中，外段机翼与中段机翼铰接，中段机翼与内段机翼铰接，内段机翼与车体结构固定连接，由机翼折叠机构作用于中、外段机翼实现可折叠机翼的展开与折叠；

尾翼包括垂尾、平尾及其收放机构，其中，垂尾与车体结构固定连接，平尾与车体结构铰接，由其收放机构控制平尾收起与展开；

动力系统包括螺旋桨电机、可收放螺旋桨、倾转电机、涵道螺旋桨、轮毂电机，其中，可收放螺旋桨包括可收放螺旋桨叶片、可收放螺旋桨桨毂、可收放螺旋桨伸缩杆，可收放螺旋桨叶片与可收放螺旋桨桨毂铰接，由收放螺旋桨伸缩杆控制可收放螺旋桨叶片的展开与收起；可收放螺旋桨固定连接在螺旋桨电机上；倾转电机固定连接在机翼顶端，左右两个螺旋桨电机分别与倾转电机的转轴固定连接，由倾转电机控制其旋转；一个螺旋桨电机连同涵道螺旋桨固定安装在车身尾部涵道内，用于起飞动力补充和整机姿态控制；轮毂电机固定安装在车体结构尾部，通过传动轴与车轮固定连接，控制车轮转速；

安全保障设备包含整机降落伞包、抗冲击座椅和安全气囊，其中，整机降落伞包固定安装在车体结构顶部，避免遇到紧急情况时有设备遮挡，当遇动力故障等紧急情况时可弹射到空中并打开降落伞，抗冲击座椅和安全气囊固定安装在车体结构内，用于保护驾驶员安全；

能源系统包括动力电池组和电池管理系统。其中，动力电池组和电池管理系统固定安装在车身的设备舱内，通过线缆给动力系统提供所需能源。

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器的车轮数量为三个且采用前三点式布局，可乘坐一人；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器采用可折叠机翼及可收放螺旋桨，既可折叠后在陆地正常行驶及停放，亦可快速展开执行飞行指令；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器的动力系统中的可收放螺旋桨和涵道螺旋桨采用的是三叶桨；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其机翼上两个螺旋桨电机旋转连接于机翼顶端，转轴为两电机连线；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器采用倾转旋翼，综合了直升机与固定翼飞机的特点，既可垂直起降、悬停作业，又可高速节能地巡航飞行，是一种很有前途的智能化装备；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，飞行过程中通过左右螺旋桨电机的倾转、差动倾转和转速差来控制陆空两用运载器姿态，不设置升降舵和方向舵等机构，有利于结构减重；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器的能源系统采用动力电池组供能，全电驱动，符合高效、绿色、环保的潮流；

进一步地，本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器的陆行—飞行—陆行状态转换过程如下：首先，陆空两用运载器在地面静止状态下展开机翼和平尾并锁定，可收放螺旋桨展开并锁定，左右倾转电机带动螺旋桨驱动电机旋转，使得螺旋桨平面与地面平行，然后螺旋桨电机驱动可收放螺旋桨转动，垂直起飞；待达到一定高度后，左右倾转电机开始带动螺旋桨电机向前进方向缓慢倾转直至与前进方向重合，过程中螺旋桨的拉力由垂直向上逐渐变为水平向前，运载器开始向前加速，机翼开始提供升力，螺旋桨的升力逐渐由机翼的升力替代，整个过程完成后运载器进入飞行模式。待到达目的地附近，左右倾转电机带动螺旋桨电机相对机翼开始向后旋转直至垂直，过程中螺旋桨的拉力由水平向前逐渐变为垂直向上，机翼提供的升力逐渐减小，机翼提供的升力逐渐由螺旋桨提供的升力替代，运载器开始减速直至悬停于目的地上空；整个过程完成后螺旋桨转速逐渐减小，飞机开始平稳下降直至着陆；然后，左右倾转电机带动螺旋桨驱动电机向前旋转，使得螺旋桨平面与地面垂直，可收放螺旋桨收起并锁定，机翼及平尾解锁并折叠至占地最小状态后锁定，整个过程完成后运载器进入陆行模式，可在陆地正常行驶及停放。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用可折叠机翼、可收放螺旋桨确保实现陆空两用，既可折叠后在地面正常行驶及停放，亦可快速展开执行飞行指令；

2、本发明采用倾转旋翼有利于推力矢量控制的实现既可实现垂直起降，又能提高平飞性能，同时取消升降舵、方向舵等可简化结构，减轻结构重量；

3、本发明采用两个螺旋桨电机做主要动力的同时还安装尾部涵道螺旋桨电机，以保证运载器飞行状态稳定、使用灵活、反应快速；

4、本发明采用全电驱动，符合高效、绿色、环保的潮流；

5、本发明配装安全气囊、抗冲击座椅及整机降落伞包等安全保障设备，且遇动力故障等紧急情况可自旋降落，安全性好。

附图说明

图1为本发明飞行状态示意图；

图2为本发明陆行状态示意图；

图3为本发明飞行状态的主视图；

图4为本发明飞行状态的俯视图；

图5为本发明飞行状态的侧视图。

图中附图标记含义为：1为车身，2为机翼，3为尾翼，4为动力系统，5为安全保障设备，11为车体结构，12为车门，13为设备舱门，14为车轮，15为涵道，16为涵道电机固定杆，21为内段机翼、22为中段机翼、23为外段机翼、24为机翼折叠机构，31为垂尾、32为平尾，33为收放机构，41为螺旋桨电机，42为可收放螺旋桨，43为倾转电机，44为涵道螺旋桨，45为轮毂电机，421为可收放螺旋桨叶片，422为可收放螺旋桨桨毂，423为可收放螺旋桨伸缩杆，51为整机降落伞包，52为抗冲击座椅，53为安全气囊。

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述。

如图1和图2所示为本发明一种可垂直起降的陆空两用运载器的飞行和陆行两种状态示意图，本发明为一种可垂直起降的陆空两用运载器，其主要结构包括车身1、机翼2、尾翼3、动力系统4、安全保障设备5、能源系统。

车身1包括车体结构11、车门12、设备舱门13、车轮14、涵道15、涵道电机固定杆16。其中，车门12和设备舱门13分别与车体结构11铰接，涵道15位于车体结构11尾部，涵道电机固定杆16与车体结构11固定连接；

机翼2为一对位于车身两侧的可折叠机翼，如图3所示，包括内段机翼21、中段机翼22、外段机翼23、机翼折叠机构24。其中外段机翼23通过机翼折叠机构24与中段机翼22铰接，中段机翼22通过机翼折叠机构24与内段机翼21铰接，内段机翼21与车体结构11固定连接；

尾翼3包括垂尾31、平尾32及其收放机构33。其中，垂尾31与车体结构11固定连接，平尾32通过其收放机构33与车体结构11铰接；

动力系统4包括螺旋桨电机41、可收放螺旋桨42、倾转电机43、涵道螺旋桨44、轮毂电机45。其中，可收放螺旋桨42包括可收放螺旋桨叶片421、可收放螺旋桨桨毂422、可收放螺旋桨伸缩杆423，如图4所示，可收放螺旋桨叶片421与可收放螺旋桨桨毂422铰接，可收放螺旋桨伸缩杆423一端与可收放螺旋桨叶片421铰接，另一端与可收放螺旋桨桨毂422铰接；可收放螺旋桨42固定连接在螺旋桨电机41上；倾转电机43固定连接在外段机翼23顶端，左右两个螺旋桨电机41分别与倾转电机43的转轴固定连接；一个螺旋桨电机41固定安装在涵道15内的涵道电机固定杆16上，涵道螺旋桨44固定安装在螺旋桨电机41上；轮毂电机45固定安装在车体结构11尾部，通过传动轴与车轮14固定连接；

安全保障设备5包含整机降落伞包51、抗冲击座椅52和安全气囊53，如图5所示。其中，整机降落伞包51固定安装在车体结构11顶部，避免遇到紧急情况时有设备遮挡，抗冲击座椅52固定安装在车体结构11内，安全气囊53固定安装在车体结构11内，位于抗冲击座椅52的正前方；

能源系统包括动力电池组和电池管理系统。其中，动力电池组和电池管理系统固定安装在车身1的设备舱内，通过线缆给动力系统提供所需能源。

本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器的陆行—飞行状态转换过程如下：

首先，陆空两用运载器在地面静止状态下展开机翼2和尾翼3并锁定。其中，外段机翼23在机翼折叠机构24的作用下绕连接轴向下旋转180度进行展开，同时，中段机翼22在机翼折叠机构24的作用下绕连接轴向上旋转90度进行展开；在机翼展开的过程中，外段机翼23和中段机翼22同时旋转，保证其不触及地面，待展开完成后机翼锁定以保证整体刚度；平尾32在其收放机构33的作用下绕连接轴向下旋转90度并锁定。随后，展开可收放螺旋桨42。其中，可收放螺旋桨叶片421在可收放螺旋桨伸缩杆423的作用下绕连接轴旋转90度展开并锁定。左右倾转电机43带动螺旋桨驱动电机41向后旋转90度，使得螺旋桨平面与地面平行；螺旋桨电机41驱动可收放螺旋桨42和涵道螺旋桨44高速转动，通过控制三个螺旋桨电机41实现平稳垂直起飞，其中，通过控制左右螺旋桨电机41倾转产生抬头和低头力矩，或借助涵道15内螺旋桨电机41的转速变化完成俯仰控制；通过左右螺旋桨电机41的转数差，给出滚转力矩；通过左右螺旋桨电机41的差动倾转，给出转向力矩；待到达一定高度后，左右倾转电机43带动螺旋桨电机41向前进方向缓慢倾转直至与前进方向重合，过程中可收放螺旋桨42的拉力由垂直向上逐渐变为水平向前，陆空两用运载器开始向前加速，机翼2开始提供升力，可收放螺旋桨42提供的升力逐渐由机翼2提供的升力替代，整个过程完成后陆空两用运载器进入飞行模式。

本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器由飞行—陆行的状态转换与陆行—飞行的状态转换顺序完全相反，转换过程如下：

首先，待到达目的地附近，左右倾转电机43带动螺旋桨电机41相对机翼2开始向后旋转直至垂直，过程中可收放螺旋桨42的拉力由水平向前逐渐变为垂直向上，机翼2提供的升力逐渐减小，机翼2提供的升力逐渐由可收放螺旋桨42提供的升力替代，陆空两用运载器开始减速直至悬停于目的地上空；整个过程完成后螺旋桨电机41驱动可收放螺旋桨42和涵道螺旋桨44转速逐渐减小，陆空两用运载器开始平稳下降直至着陆。然后，左右倾转电机43带动螺旋桨驱动电机41向前旋转，使得螺旋桨平面与地面垂直；可收放螺旋桨42解锁，可收放螺旋桨叶片421在可收放螺旋桨伸缩杆423的作用下收起直至紧贴螺旋桨电机41后锁定；机翼2及平尾3解锁并折叠，其中，外段机翼23在机翼折叠机构24的作用下绕连接轴向上旋转180度进行折叠，同时，中段机翼22在机翼折叠机构24的作用下绕连接轴向下旋转90度进行折叠；在机翼折叠的过程中，外段机翼23和中段机翼22同时旋转，保证其不触及地面，待折叠完成后机翼2贴紧车身1并锁定以保证陆地行驶安全；平尾32在其收放机构33的作用下绕连接轴向上旋转90度贴紧车身1并锁定。整个过程完成后陆空两用运载器进入陆行模式，可在陆地正常行驶及停放。

本发明所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器在遇到动力故障等紧急情况时，整机降落伞51可在操纵下弹射到空中并打开，着陆时抗冲击座椅52可吸收落地冲击，安全气囊53可弹出保护驾驶员安全，整机安全性好。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：包括车身、机翼、尾翼、动力系统、安全保障设备、能源系统，其中：

车身包括车体结构、车门、设备舱门、车轮、涵道、涵道电机固定杆，其中，车门和设备舱门分别与车体结构铰接，涵道位于车体结构尾部，涵道电机固定杆与车体结构固定连接；

机翼为一对位于车身两侧的可折叠机翼，包括内段机翼、中段机翼、外段机翼、机翼折叠机构，其中，外段机翼与中段机翼铰接，中段机翼与内段机翼铰接，内段机翼与车体结构固定连接，由机翼折叠机构作用于中、外段机翼实现可折叠机翼的展开与折叠；

尾翼包括垂尾、平尾及其收放机构，其中，垂尾与车体结构固定连接，平尾与车体结构铰接，由其收放机构控制平尾收起与展开；

动力系统包括螺旋桨电机、可收放螺旋桨、倾转电机、涵道螺旋桨、轮毂电机，其中，可收放螺旋桨包括可收放螺旋桨叶片、可收放螺旋桨桨毂、可收放螺旋桨伸缩杆，可收放螺旋桨叶片与可收放螺旋桨桨毂铰接，由收放螺旋桨伸缩杆控制可收放螺旋桨叶片的展开与收起；可收放螺旋桨固定连接在螺旋桨电机上；倾转电机固定连接在机翼顶端，左右两个螺旋桨电机分别与倾转电机的转轴固定连接，由倾转电机控制其旋转；一个螺旋桨电机连同涵道螺旋桨固定安装在车身尾部涵道内，用于起飞动力补充和整机姿态控制；轮毂电机固定安装在车体结构尾部，通过传动轴与车轮固定连接，控制车轮转速；

安全保障设备包含整机降落伞包、抗冲击座椅和安全气囊，其中，整机降落伞包固定安装在车体结构顶部，避免遇到紧急情况时有设备遮挡，抗冲击座椅和安全气囊固定安装在车体结构内，用于保护驾驶员安全；

能源系统包括动力电池组和电池管理系统，其中，动力电池组和电池管理系统固定安装在车身的设备舱内，通过线缆提供给动力系统所需能源。

2.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：车轮数量为三个且采用前三点式布局，可乘坐一人。

3.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：机翼采用上单翼布局，且可折叠机翼采用中、外两段机翼折叠方式，其中，中段机翼向下折叠，外段机翼向上折叠，折叠后可在陆地正常行驶及停放。

4.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：动力系统中的可收放螺旋桨和涵道螺旋桨采用的是三叶桨。

5.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：动力系统中的两个螺旋桨电机旋转连接于机翼顶端，转轴为两发动机连线。

6.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：采用倾转旋翼，综合了直升机与固定翼飞机的特点，既可垂直起降、悬停作业，又可高速节能地巡航飞行。

7.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：飞行过程中通过左右螺旋桨电机的倾转、差动倾转和转速差来控制陆空两用运载器姿态，不设置升降舵和方向舵等机构，有利于结构减重。

8.根据权利要求1所述的一种可垂直起降的陆空两用运载器，其特征在于：能源系统采用动力电池组供能，全电驱动，符合高效、绿色、环保的潮流。