CN108569394A - 一种控制飞行器稳定的方法及飞行器的构造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制飞行器稳定的方法及飞行器的构造，硬件设备包括下洗气流生成器(31)、科恩达效应碟形壳体(32)、配重舱(33)，具体来说飞行器是以纵向中轴线(中轴线与海平面垂直)为轴的旋转对称结构，并通过优化飞行器的布局，使飞行器的重心设置在升力等效中心的正下方。当飞行器在空中平衡悬停时，由于飞行器的重心低于升力等效中心，飞行器的任何偏离平衡位置的扰动都将提高重心，因此这种状态的平衡是稳定平衡。所以不论飞行器受扰动如何摇摆，总是不会倾覆，并通过所受重力自行回到平衡稳定位置。

Description

一种控制飞行器稳定的方法及飞行器的构造

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种控制飞行器稳定的方法及飞行器的构造，所述飞行器为利用科恩达效应的碟形飞行器。

技术背景

科恩达效应(Coanda Effect)也叫康达效应亦称附壁作用。流体(水流或气流)由离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。根据牛顿第三定律，物体施与流体一个偏转的力，则流体也必定要施与物体一个反向偏转的力。

利用科恩达效应制作碟形飞行器的方案有两种，一种是英国工程师杰奥夫·哈顿方案，采用伞形壳体顶端布设单旋翼风扇结构，提供下洗气流，利用科恩达效应产生升力，在壳体外表面安置特定角度的导流片用于抵消扭力，在伞形壳体边缘均匀布设四块副翼，用于实现飞行器平衡和飞行方向控制。另一种方案是在杰奥夫·哈顿方案的基础上，将其方案中的单旋翼风扇换成共轴双旋翼风扇提供下洗气流，有效地避免了扭力问题。

现有技术方案的缺点：飞行器的飞行控制系统需时时采集飞行器姿态数据，控制飞行器保持姿态平衡，极大地增加了飞行器的控制难度；平衡控制机构不断动作也损耗了大量能量。

发明内容

发明内容包括方法的创新以及基于方法创新的构造改进。

一种控制飞行器稳定的方法，硬件设备包括下洗气流生成器、科恩达效应碟形壳体、配重舱，飞行器的重心设置在升力等效中心的正下方。

上述的一种控制飞行器稳定和飞行的方法，所述下洗气流生成器包括桨叶系统，桨叶系统采用共轴反桨双旋翼布局方法或者采用多旋翼共面、均匀环形布局方法。

一种飞行器的构造，包括下洗气流生成器、科恩达效应碟形壳体、配重舱，所述下洗气流生成器包括整流管、桨叶系统。

所述的一种飞行器的构造中的整流管，整流管的进气口和出气口均采用喇叭口设计，进气口处的喇叭大口迎向进气气流方向，出气口处的喇叭口大口背向进气气流方向。

所述的一种飞行器的构造中的配重舱为辅助设备安放舱，位于飞行器中轴线上，飞行器的近地侧。

一种飞行器的构造，所述桨叶系统采用共轴反桨双旋翼布局方法时，两个螺旋桨中轴线重合，包括一个正螺旋桨和一个反螺旋桨，两个螺旋桨转向相反。

所述的一种飞行器的构造中的科恩达效应碟形壳体，采用扇面分区法，将碟形壳体均匀分割成扇面，扇面的个数为大于三的偶数，每个扇面安置可开合的闸门。

所述的一种飞行器的构造中的可开合的闸门采用开合门装置或者百叶窗装置。

一种飞行器的构造，桨叶系统采用多旋翼共面均匀环形布局方法时，旋翼个数为大于三的偶数，相邻的两个桨叶为一个正螺旋桨和一个反螺旋桨，各螺旋桨以飞行器中轴线为轴形成环形阵列。

所述的一种飞行器构造中的各螺旋桨之间设有纵向隔流装置，用于将科恩达效应碟形壳体均匀的分割成独立的扇形区块，防止相邻螺旋桨工作时产生的气流相互干扰。

本发明的有益效果：

飞行器的稳定性较现有技术有巨大提高。具体来说飞行器是以纵向中轴线(纵向中轴线与海平面垂直)为轴的旋转对称结构，并通过优化飞行器的布局，使飞行器的重心设置在升力等效中心的正下方。当飞行器在空中平衡悬停时，由于飞行器的重心低于升力等效中心，飞行器的任何偏离平衡位置的扰动都将提高重心，因此这种状态的平衡是稳定平衡。所以飞行器不论受扰动如何摇摆，总是不会倾覆，并通过所受重力回到平衡稳定位置。(类似不倒翁原理，更类似降落伞原理)，可以省略飞行器的水平方向的姿态平衡控制系统，极大地提高了飞行器的稳定性。

上述的升力等效中心：在无风且可开合的闸门全处于紧闭状态；飞行器的碟形壳体利用科恩达效应产生实际升力，实际升力的矢量和大小记作为F，方向记作d；在飞行器的纵向中轴线找一个点，对这个点施加大小为F方向为d的力，若施加的力对飞行器的效果等效于实际升力的效果，那么这个点叫做升力等效中心。

飞行器的可操控性较现有技术有巨大突破，基于重心低于升力等效中心的结构布局，通过采用共轴反桨双旋翼布局方法，结合在碟形壳体四周布设可开合的导气口，实现在碟形壳体上产生不均匀但可控的升力，使飞行器自旋和朝固定方向飞行。

上述的飞行效果，也可通过采用多旋翼共面均匀环形布局方法实现，具体来说就是通过改变相应侧旋翼的转速实现改变与之对应侧的升力。

附图说明

图1所示为一种不倒翁，箭头的起点(11)为不倒翁的重心，箭头表示了不倒翁受力的方向；提供一种任何扰动都将提高重心，并终自行回归平衡的模型。

图2所示为一个匀速下降的降落伞系统，箭头(21)的起点表示降落伞系统的等效升力点(也可叫等效阻力点)，箭头(21)方向为升力方向；箭头(22)的起点表示降落伞系统的重心，箭头(22)的方向代表降落伞系统所受重力方向，重力和升力大小相等方向相反；提供一种任何扰动都将提高重心，并最终自行回归平衡的模型。

图3所示为一种飞行器的构造，截去了1/4科恩达效应碟形壳体，下洗气流生成器中的桨叶系统采用共轴反桨双旋翼布局方法。

图3中包括下洗气流生成器(31)、科恩达效应碟形壳体(32)、配重舱(33)，其中下洗气流生成器(31)包括整流管(311)、共轴反桨双旋翼桨叶(312)；科恩达效应碟形壳体(32)包括升力壳体(321)、可开合的闸门(322)；配重舱中集成了支持飞行器飞行的基础设备。

图4所示为一种飞行器的构造，截去了1/4科恩达效应碟形壳体，下洗气流生成器中的桨叶系统采用多旋翼共面、均匀环形布局方法。

图4中包括下洗气流生成器(41)、科恩达效应碟形壳体(42)、配重舱(43)，其中下洗气流生成器(41)包括整流管(411)、环形布局的共面多旋翼(412)；配重舱中集成了支持飞行器飞行的基础设备。

图5为采用共轴反桨双旋翼方案时的原理图，图中中轴线上的黑色五角星点表示等效升力中心，空心三角形表示飞行器重心。

其中图1、图2用于描述外界扰动使重心提高并最终回到平衡稳定的模型，图3用于描述实施方式一；图4用于描述实施方式二。

在图3与图4中标注的阿拉伯数字含义是，左起第一个数字代表第几幅附图，左起第二个代表一个整合系统，左起第三个代表整合系统下的子系统。以标注412为例，其含义为：是第4幅附图中，下洗气流生成器(41)中的环形布局的共面多旋翼(412)，(注：本文附图数，整合系统数，给出的整合系统下的子系统个数均未超过10个)。

具体实施方式一

以下实施例将结合附图3对本发明进一步说明。

参见附图3，包括下洗气流生成器(31)、科恩达效应碟形壳体(32)、配重舱(33)，

其中下洗气流生成器(31)包括整流管(311)、共轴反桨双旋翼桨叶(312)。

其中科恩达效应碟形壳体(32)包括升力壳体(321)、可开合的闸门(322)，附图中可开合的闸门采用的百叶窗构造，数目为4套且以均匀环形阵列布局。

其中配重舱中集成了支持飞行器飞行的基础设备。

下洗气流生成器(31)，采用共轴反桨双旋翼布局，提供下洗气流。通过调整两桨叶的转速差实现控制飞行器的自旋。当需要飞行器悬停时，两个旋转的螺旋桨产生的扭力大小相等方向相反实现平衡；当需要转向时，则减小或增加对应螺旋桨的转速，产生可控的扭力，实现可控自旋。

下洗气流生成器(31)生成的气流经整流管(311)的出气口，喷向科恩达效应碟形壳体(32)的上表面，由于科恩达效应，则使碟面产生升力，升力的矢量和大小记作F，方向为远离科恩达效应碟形壳体(32)的凸侧，等效升力点记作点d，d点在飞行器的中轴线上。

整流管(311)将共轴反桨双旋翼包裹住，整流管(311)两端均为喇叭口设计；整流管(311)远离科恩达效应碟形壳体(32)一端的喇叭大口迎向进气气流方向，靠近科恩达效应碟形壳体(32)一端的喇叭大口背向进气气流方向。

科恩达效应碟形壳体(32)上设有可开合的闸门(322)。

可开合的闸门(322)不低于3套，且以飞行器纵向中轴线为轴形成环形阵列。

可开合的闸门(322)可采用开合门装置或者百叶窗装置，附图3中选用的是百叶窗装置，数目为4套且以均匀环形阵列布局。也可用开合门装置代替百叶窗装置，若用开合门装置的方案，则门框嵌在碟形壳体内，门面为部分碟形壳体。

飞行器工作方式：在无风条件下，飞行器需要空中悬停时，共轴反桨双旋翼扭力平衡，可开合的闸门(322)处于紧闭状态。

若空中悬停的飞行器需要朝某个方向飞行，以朝东边飞行为例，则打开离东边最近的可开合的闸门(322)，由于破坏了科恩达效应壳体东侧的完整性，减小了东侧的升力，使飞行器受到的升力矢量和偏向东边，实现向东边飞行；其他方向可用单套或多套联动的可开合的闸门(322)作如上述操作，实现定向飞行。

具体实施方式二

以下实施例将结合附图4对本发明进一步说明。

参见附图4，包括下洗气流生成器(41)、科恩达效应碟形壳体(42)、配重舱(43)，

其中下洗气流生成器(41)包括共面多旋翼(411)、整流管(412)、纵向隔流装置(413)。

图中选用的是4个旋翼组成的共面多旋翼系统，相邻两旋翼的桨型相反，即为一个正旋翼和一个反旋翼。

相邻两旋翼之间安置有纵向隔流装置(413)，为防止相邻旋翼(也称螺旋桨)工作时产生的气流相互干扰。图中共有4块纵向隔流装置(413)，组成了一个十字叉，也可在旋翼下安装导流槽代替纵向隔流装置(413)，。

整流管(412)将共面多旋翼系统包裹住，整流管(412)两端均为喇叭口设计；整流管(412)远离科恩达效应碟形壳体(42)一端的喇叭大口迎向进气气流方向，靠近科恩达效应碟形壳体(42)一端的喇叭大口背向进气气流方向。

共面多旋翼系统产生下洗气流喷向科恩达效应碟形壳体(42)，高速的气流流过科恩达效应碟形壳体(42)的上表面，利用科恩达效应产生升力。

如图，在飞行器的下侧设有配重舱(43)，配重舱(43)中集成了支持飞行器飞行的基础设备。

飞行器工作方式：以附图4的配置为例，为方便描述，将图中四个旋翼按相图中的相对位置记作上旋翼、下旋翼、左旋翼、右旋翼(下旋翼靠近壳体截去处)，图中处于对侧的螺旋桨桨型相同，相邻的相反，即上旋翼和下旋翼桨型相同，左旋翼和右旋翼桨型相同。

无风条件下实现悬停：上旋翼和下旋翼的转速及转向相同，产生扭力大小记作A，方向记作a；左旋翼和右旋翼的转速及转向相同，产生的扭力大小记作B，方向记作b；其中A与B大小相同，a与b方向相反。则飞行器产生与纵向中轴线平行的升力，因重心低于等效升力点，因而飞行器不用水平方向的平衡控制就可实现平衡悬停。

实现飞行：以飞行器朝左侧飞行为例。上旋翼和下旋翼的转速及转向相同，产生扭力矢量和大小记作C，方向记作c；左旋翼和右旋翼产生扭力矢量和大小也为C，方向与c相反；但左旋翼转速低于右旋翼，使飞行左侧升力小于右侧，进而使飞行器产生的升力矢量和偏向左侧，实现飞行器朝左侧飞行。

最后需要说明的是：以上实施例仅用于阐明本发明的技术方案，省略了对所属领域的技术人员显而易见的细节描述，并非用于对本发明的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明原理和范围的任何修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种控制飞行器稳定的方法，硬件设备包括下洗气流生成器、科恩达效应碟形壳体、配重舱，飞行器的重心设置在升力等效中心的正下方。

2.如权利要求1所述的一种控制飞行器稳定和飞行的方法，所述下洗气流生成器包括桨叶系统，桨叶系统采用共轴反桨双旋翼布局方法或者采用多旋翼共面、均匀环形布局方法。

3.一种飞行器的构造，包括下洗气流生成器、科恩达效应碟形壳体、配重舱，所述下洗气流生成器包括整流管、桨叶系统。

4.如权利要求3所述的一种飞行器的构造，所述整流管，整流管的进气口和出气口均采用喇叭口设计，进气口处的喇叭大口迎向进气气流方向，出气口处的喇叭口大口背向进气气流方向。

5.如权利要求4所述的一种飞行器的构造，所述配重舱为辅助设备安放舱，位于飞行器中轴线上，飞行器的近地侧。

6.一种飞行器的构造，所述桨叶系统采用共轴反桨双旋翼布局方法时，两个螺旋桨中轴线重合，包括一个正螺旋桨和一个反螺旋桨，两个螺旋桨转向相反。

7.如权利要求6所述的一种飞行器的构造，所述科恩达效应碟形壳体，采用扇面分区法，将碟形壳体均匀分割成扇面，扇面的个数为大于三的偶数，每个扇面安置可开合的闸门。

8.如权利要求7所述的一种飞行器的构造，所述可开合的闸门采用开合门装置或者百叶窗装置。

9.一种飞行器的构造，桨叶系统采用多旋翼共面均匀环形布局方法时，旋翼个数为大于三的偶数，相邻的两个桨叶为一个正螺旋桨和一个反螺旋桨，各螺旋桨以飞行器中轴线为轴形成环形阵列。

10.如权利要求9所述的一种飞行器构造，各螺旋桨之间设有纵向隔流装置。