CN111655576B - 具有后旋翼的固定机翼飞行器 - Google Patents

具有后旋翼的固定机翼飞行器 Download PDF

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Abstract

一种飞行器包括主机翼(其中主机翼是固定机翼)和在主机翼的后缘侧上向外延伸的主机翼旋翼(其中飞行器在至少一些时间内通过作用在主机翼上的空气动力升力而至少部分地保持在空中，并且飞行器在至少一些时间内通过由主机翼旋翼产生的空气流而至少部分地保持在空中)。

Description

具有后旋翼的固定机翼飞行器
背景技术
正在开发可在较小的占用面积的情况下起飞和着陆的新型飞行器。例如，这些飞行器可在不存在机场或跑道的区域中使用。一些这样的飞行器设计具有安装有旋翼的倾斜机翼(即可旋转机翼)。在竖直起飞期间，倾斜机翼处于一个位置(例如，其中旋翼取向成向下提供推力)。一旦飞行器上升到足够或期望的高度，倾斜机翼就旋转到另一个位置(例如，其中旋翼取向成旋转以向后提供推力)，并且飞行器能够以基本上向前的模式或方式更高效地飞行。为了竖直着陆，倾斜机翼再次旋转回到其原始位置。尽管倾斜机翼可飞行，但(作为示例)更高效(例如，其减少功率消耗和/或增加飞行范围)和/或具有更高的最大速度的新型飞行器将是合乎期望的。
附图说明
在以下详细描述和附图中公开了本发明的多种实施例。
图1是图示具有倾斜旋翼的前扫掠固定机翼多轴飞行器(multicopter)实施例的俯视图的示图。
图2A是图示在马达关闭的情况下的边界层厚度的实施例的仰视图的示图。
图2B是图示在马达开启的情况下的边界层厚度的实施例的仰视图的示图。
图3A是图示具有对应的升力矢量、推力矢量和阻力的倾斜机翼构造的示例的示图。
图3B是图示具有前缘安装式倾斜旋翼和对应的升力矢量、推力矢量和阻力的固定机翼构造的示例的示图。
图3C是图示具有后缘安装式倾斜旋翼和对应的升力矢量、推力矢量和阻力的固定机翼构造的实施例的示图。
图4是图示当主机翼上的后缘安装式倾斜旋翼关闭时产生的空气流的实施例的示图。
图5A是图示用于比较的前扫掠且渐缩的机翼和直机翼的实施例的示图。
图5B是图示具有前扫掠、渐缩的主机翼且无鸭翼的机翼构造的实施例的示图。
图5C是图示具有鸭翼和直主机翼的机翼构造的实施例的示图。
图5D是图示尾翼的实施例的示图。
图5E是图示附接到主机翼的顶部表面的挂架(pylon)的实施例的示图。
图6A是图示从悬停位置到巡航位置的起飞倾斜度改变的实施例的示图。
图6B是图示从巡航位置到悬停位置的着陆倾斜度改变的实施例的示图。
图7是图示速度-倾斜度示图的实施例的示图。
图8A是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的俯视图。
图8B是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的前视图。
图8C是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的侧视图。
图9A是具有V形尾翼的飞行器实施例的成角度视图。
图9B是具有V形尾翼的飞行器实施例的前视图。
图10是图示具有截短机身的多轴飞行器的实施例的示图，该多轴飞行器能够以魔毯模式飞行。
图11A是具有截短机身和尾翼的多轴飞行器实施例的俯视图。
图11B是具有截短机身和尾翼的多轴飞行器实施例的侧视图。
具体实施方式
本发明可以以许多方式实施，包括作为：过程；设备；系统；物质的组成；计算机程序产品，其体现在计算机可读的存储介质上；和/或处理器，诸如配置成执行存储在联接到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或者本发明可采取的任何其它形式可被称为技术。大体上，在本发明的范围内，可改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另外陈述，否则描述为配置成执行任务的诸如处理器或存储器的构件可实施为临时配置成在给定时间执行任务的通用构件或者被制造成执行任务的具体构件。如本文中所使用的，用语“处理器”是指配置成处理诸如计算机程序指令的数据的一个或多个装置、电路和/或处理核心。
下文提供了本发明的一个或多个实施例的详细描述以及图示本发明的原理的附图。结合这样的实施例描述本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖许多备选方案、修改和等同体。为了提供对本发明的全面理解，在以下描述中阐述了许多具体细节。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求书来实践本发明。出于清楚的目的，未详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，使得不会不必要地使本发明不清楚。
本文中描述了具有固定机翼的飞行器的多种实施例，旋翼在后缘上附接到固定机翼。在一些实施例中，飞行器包括：主机翼，其中主机翼是固定机翼；以及主机翼旋翼，其在主机翼的后缘侧上向外延伸，其中飞行器在至少一些时间内通过作用在主机翼上的空气动力升力而至少部分地保持在空中，并且飞行器在至少一些时间内通过由主机翼旋翼产生的空气流而至少部分地保持在空中。在一个示例中，飞行器使用来自(一个或多个)旋翼的向下推力来竖直地起飞(例如，其中几乎没有来自机翼的有用升力贡献)，并且然后转变到大部分向前的飞行方向(例如，其中使飞行器保持在空中的升力中的全部或几乎全部来自机翼)。在一些实施例中，总是存在来自两个来源的某种组合(例如，从来自(一个或多个)机翼的10%的升力和来自(一个或多个)旋翼的90%的升力到来自(一个或多个)机翼的90%的升力和来自(一个或多个)旋翼的10%的升力的任何情况，或中间的任何组合)。在一些实施例中，主机翼旋翼是倾斜旋翼，其能够在第一旋翼位置和第二旋翼位置之间旋转。在一些实施例中，主机翼是前扫掠机翼和/或是渐缩的。在一些实施例中，还存在可包括旋翼(例如，其可倾斜或可不倾斜)的鸭翼。以下附图图示了飞行器的多种实施例，并且如下文将更详细地描述的，多种飞行器特征使得飞行器能够在先前的飞行器设计上进行改善。
图1是图示具有倾斜旋翼的前扫掠固定机翼多轴飞行器实施例的俯视图的示图。在所示出的示例中，主机翼(100)是固定机翼，其以固定的方式或位置附接到机身(102)。换句话说，主机翼不是能够旋转的倾斜机翼。主机翼(100)也是前扫掠的(例如，相对于变桨轴线)。例如，对于具有鸭翼的飞行器实施例(如这里所示出的)，前扫掠角可大约为14°和16°之间的θ扫掠，或者对于没有鸭翼的飞行器实施例，前扫掠角可高达35°。
在该示例中，主机翼(100)具有附接到主机翼的后缘的六个旋翼(104)。为了清楚起见，这些旋翼有时被称为主机翼旋翼(例如，以将它们与附接到鸭翼的旋翼区分开)。自然地，这里所示出的旋翼的数量仅仅是示例性的，并且不旨在为限制性的。
除了六个主机翼旋翼之外，还存在附接到鸭翼(108)的两个旋翼(106)。这些旋翼有时被称为鸭翼旋翼。鸭翼比主机翼更薄，因此与主机翼旋翼不同，鸭翼旋翼附接到鸭翼的远端(与鸭翼的后缘形成对照)。
在该示例中的所有旋翼都是倾斜旋翼，这意味着它们能够在两个位置之间倾斜或以其它方式旋转。在该示例中，在飞行器的左手(即左舷)侧上的旋翼处于巡航(例如，向前飞行、面向后等)位置。参见例如鸭翼旋翼106的位置。在该位置，旋翼围绕(例如，基本上)纵向的旋转轴线旋转，使得旋翼提供(基本上)向后的推力。当旋翼处于该位置时，使多轴飞行器保持在空中的升力来自主机翼(100)和鸭翼(108)上方的空气流。在多种实施例中，倾斜旋翼的旋转范围可低至5度或高达95度，并且特定于设计和/或实施方式。
在飞行器的右手(即右舷)侧上的旋翼处于悬停(例如，竖直起飞和着陆、面向下等)位置。参见例如主机翼旋翼104的位置。在该第二位置，旋翼围绕(例如，基本上)竖直的旋转轴线旋转，使得旋翼提供(基本上)向下的推力。在该构造中，使多轴飞行器保持在空中的升力来自旋翼的向下的空气流。
一般来说，倾斜旋翼在取向成基本上向下输出推力时允许飞行器执行竖直起飞和着陆(VTOL)。该模式或构造(例如，关于飞行器作为整体飞行的方式和/或具体地关于倾斜旋翼的位置)有时被称为悬停。执行竖直起飞和着陆的能力允许飞行器在不存在机场和/或跑道的区域中起飞和着陆。一旦在空中，倾斜旋翼(如果期望)就改变位置，以(基本上)向后而不是向下输出推力。这允许飞行器以对于向前飞行来说更高效的方式飞行；该模式或构造有时被称为巡航。
鸭翼是有用的，因为它可首先失速(例如，在主机翼之前)，从而在失速时产生大量的变桨力矩并且没有很大的升力损失，而主机翼失速由于变桨力矩的改变而损失大量的升力(例如，使整个飞行器下降或坠落)。因此，与没有鸭翼的情况相比，在具有鸭翼的情况下，失速可能更温和(benign)。鸭翼失速行为与前扫掠机翼组合特别有益，因为主机翼的失速如果在机翼根部处则可产生不利的变桨力矩，并且如果在机翼末梢处则可产生大且危险的滚转力矩。此外，鸭翼可在低空速下产生升力，并且增加CLmax(即最大升力系数)，并提供支柱来保持鸭翼马达或以其它方式将鸭翼马达附接到支柱。
在一些实施例中，用于将旋翼附接到鸭翼和/或主机翼的挂架(110)包括某个铰链和/或旋转机构，使得倾斜旋翼可在所示出的两个位置之间旋转。可使用任何适当的铰链机构。例如，在超轻型飞行器的情况下，存在非常严格的重量要求，并且因此轻量解决方案可为合乎期望的。备选地，固定-倾斜解决方案也可用于满足非常严格的重量要求(如下文将更详细地描述的)。
在一些实施例中，飞行器被设计成使得主机翼(100)和鸭翼(108)能够提供足够的升力，以在紧急情况期间执行滑翔机式着陆(如果需要)。例如，一些超轻标准或规范要求在一个或多个旋翼失效的情况下安全着陆的能力，并且执行滑翔机式着陆的能力将满足该要求。将固定机翼用于主机翼(例如，与倾斜机翼形成对照)的一个益处是，不存在机翼卡在错误位置(例如，悬停位置)的危险，在该错误位置，由于不适合于滑翔机式着陆的机翼位置，滑翔机式着陆是不可能的。
具有后缘安装式倾斜旋翼的固定机翼的另一个益处是在从悬停位置到巡航位置或反过来的转变期间的失速行为(或缺乏失速行为)。在倾斜机翼的情况下，在转变期间，倾斜机翼的迎角改变，这使失速风险增加。具有后缘安装式倾斜旋翼的固定机翼不改变机翼的迎角(例如，即使旋翼关闭/开启或倾斜旋翼移位)。并且，该构造增加了主机翼上方的动态压力和循环两者，这显著改善了在转变(例如，从悬停位置到巡航位置或反过来)期间的行为。换句话说，与倾斜机翼(作为示例)相比，在具有后缘安装式倾斜旋翼的固定机翼的情况下，可更快和/或更高效地执行转变。
与倾斜旋翼(例如，与倾斜机翼形成对照)相关联的另一个益处是，较小的质量分数用于(一个或多个)倾斜致动器。也就是说，与用于倾斜机翼的单个重致动器相比，用于多个倾斜旋翼的多个致动器(仍然)包括较小的质量分数。倾斜旋翼还存在较少的失效点，因为与用于倾斜机翼的单个(且重的)致动器形成对照，存在多个致动器。另一个益处是，与倾斜机翼设计相比，固定机翼使得转变(例如，在巡航模式或位置和悬停模式或位置之间)更稳定和/或更快。
在一些实施例(这里未示出)中，旋翼是可变桨距螺旋桨，与巡航位置相比，当旋翼处于悬停位置时，可变桨距螺旋桨具有不同的叶片桨距。例如，与悬停位置(例如，参见旋翼104)相比，当处于巡航位置(例如，参见旋翼106)时，不同的叶片桨距(范围)可实现更高效的操作或飞行。当旋翼处于巡航位置(例如，参见旋翼106)时，将叶片桨距设置为“巡航桨距”(例如，大约26°)实现有利于巡航的小正面面积(例如，较低的阻力)。当旋翼处于悬停位置(例如，参见旋翼104)时，将叶片桨距设置为“悬停桨距”(例如，大约6°)实现有利于悬停的大桨盘面积。换句话说，一个叶片桨距可非常适合于巡航模式，但不适合于悬停模式，并且反之亦然。可变桨距螺旋桨的使用实现更好的(例如，总体)效率，从而造成更少的功率消耗和/或增加的飞行范围。
以下附图图示了与图1中所示出的示例性飞行器相关联的多种益处。
图2A是图示在马达关闭的情况下的边界层厚度的实施例的仰视图的示图。在该示例中，层流段(laminar run)线200a、202a和204a图示了在主机翼的多种区域处的层流段。在该示例中，假设飞行器正在巡航(例如，在基本上向前的方向上飞行)。如图1中那样，在该实施例中，主机翼旋翼(206)附接到主机翼(208)的后缘。下一幅图示出了在旋翼开启的情况下的边界层厚度。
图2B是图示在马达开启的情况下的边界层厚度的实施例的仰视图的示图。在该示例中，马达开启，并且旋翼具有30 m/s的出口空气流速度。在马达开启的情况下，朝向机翼的后部产生低压区域，这增加了主机翼上的层流段。参见例如对应于来自图2A的层流段线200a、202a和204a的层流段线200b、202b和204b。两组的比较图示了对于前两个位置(即，在200a/200b和202a/202b处)来说层流段已增加。由于来自鸭翼旋翼(210)的干扰，最后一个位置(即204a/204b)仅具有略微较长的层流段长度。
来自主机翼旋翼的阻力(更具体地，来自用于将主机翼旋翼附接到主机翼的挂架的阻力)隐藏在离开主机翼的空气流的尾流中。参见例如图2A，该图更清楚地示出了挂架(220)连接或以其它方式附接在层流段(222)的范围的大部分后面。在这里所示出的实施例的情况下，挂架还逐渐抑制主机翼的一些边界层厚度，这意味着挂架具有较低的单位表面面积阻力。与一些其它备选设计或构造相比，这改善了阻力。以下附图对此进行了更详细的描述。
图3A是图示具有对应的升力矢量、推力矢量和阻力的倾斜机翼构造的示例的示图。在该示例中，固定旋翼(300)以固定位置或角度附接到倾斜机翼(302)。这是上文中所描述的(一个或多个)飞行器实施例的一种备选布置。为了向后或向下引导由固定旋翼(300)产生的空气流，倾斜机翼(302)旋转。如这里所示出的，在该构造的情况下，在倾斜机翼的后缘处存在阻力(304)，这是不合期望的。
这里还示出了针对该构造的升力(306)和推力(308)，其中倾斜机翼示出为处于转变(例如，在巡航位置和悬停位置之间)的中间。如这里所示出的，升力(306)和推力(308)基本上彼此正交，这是低效的。换句话说，倾斜机翼在其转变期间是低效的。
图3B是图示固定机翼构造的示例的示图，该构造具有前缘安装式倾斜旋翼和对应的升力矢量、推力矢量和阻力。在该示例中，倾斜旋翼(320)附接到固定机翼(322)的前缘。这是上文中所描述的(一个或多个)飞行器实施例的另一种备选布置。还示出了针对该布置的对应的阻力(324)和推力(326)。在该构造的情况下，未产生有用的升力，并且因此这里未示出升力矢量。
图3C是图示固定机翼构造的实施例的示图，该构造具有后缘安装式倾斜旋翼和对应的升力矢量、推力矢量和阻力。在该示例中，倾斜旋翼(340)附接到固定机翼(342)的后缘。在该构造中，由于后缘安装式倾斜旋翼(例如，主要由于其挂架(未示出))而引起的阻力隐藏在离开主机翼的空气流的尾流中。照此，不存在阻力(至少由于倾斜旋翼(340)而引起的阻力)。
后缘安装式倾斜旋翼(340)相对于固定机翼(342)的位置还在固定机翼上方吸入空气(344)，在这之后，空气通过旋翼并向下转向或转弯。这种在机翼上方的流转向产生了这里所示出的相对大的诱导升力(346)。这里还示出了由于旋翼而引起的推力矢量(348)。注意，诱导升力(346)和推力(348)基本上在相同的方向上(即，两者都基本上指向上)，这是更高效的布置(包括在转变期间)。换句话说，与其它旋翼和机翼布置相比，使用具有后缘安装式倾斜旋翼的固定机翼在转变期间产生更小的阻力和改善的效率(例如，由于现在指向基本上相同的方向的升力和推力矢量)。例如，注意分别在图3A和图3B中的阻力304和阻力324以及在图3A中的升力306和推力308的正交位置。
以下附图更详细地图示了流转向的实施例。
图4是图示当主机翼上的后缘安装式倾斜旋翼关闭时产生的空气流的实施例的示图。在该示例中，示出了倾斜旋翼多轴飞行器(400)，但其中主机翼旋翼关闭以用于比较目的。在旋翼关闭的情况下，流入的空气流(402)和流出的空气流(404)在基本上相同的方向上移动。也就是说，空气流在其穿过旋翼时不会转向(例如，向下)。
多轴飞行器420示出了与多轴飞行器400相同的多轴飞行器，不同的是旋翼开启。在该示例中，流入的空气流(422)和流出的空气流(424)具有明显不同的方向，并且当空气流穿过所示出的示例性多轴飞行器的旋翼时，存在明显的空气流转向或转弯。如上文中所描述的，这诱导了明显的升力，这是合乎期望的，因为更少的功率被消耗和/或多轴飞行器的范围增加。
在该示例中，主机翼旋翼(426)处于悬停位置。如这里所示出的，这些旋翼略微变桨或以其它方式成角度(例如，其中主机翼旋翼的顶部略微指向前，并且底部略微指向后)。在该示图中，倾斜量示出为θ桨距(428)，并且在一些实施例中，倾斜量为大约90°的旋转范围或移动(例如，当处于巡航位置时从水平方向向上~ 3°(例如，为了最小的阻力)，并且当处于悬停位置时从水平方向向下~ 93°度，这产生~ 96°的旋转范围)。尽管旋翼的这种成角度或变桨对于发生流转向来说不是绝对必要的，但在一些实施例中，主机翼旋翼在某种程度上成角度或以其它方式变桨，以便增加或以其它方式优化流转向的量。在一些实施例中，鸭翼旋翼类似地变桨。注意，多轴飞行器420示出为处于机头向上的位置，并且因此竖直轴线(例如，相对于多轴飞行器)不垂直于地面和/或参考系。
在一些实施例中，当旋翼处于悬停位置时，旋翼(例如，主机翼旋翼和/或鸭翼旋翼)远离机身而滚转或以其它方式略微向外成角度。在一些实施例中，为了更大的偏航权限，这种滚转(例如，向外)为大约10°。
在一些实施例中，主机翼除了是前扫掠的之外还是渐缩的(例如，机翼朝向末梢向外变窄)。以下附图描述了多种机翼和/或尾翼实施例。
图5A是图示用于比较的直机翼和前扫掠且渐缩的机翼的实施例的示图。在所示出的示例中，机翼500是没有渐缩的直机翼(例如，机翼从机翼的中心到末梢是相同的宽度)。示例性旋翼(502)示出在直机翼(500)的后缘处。
由点划线指示的推力中心(504)由旋翼的放置或布置决定，并延伸通过主机翼旋翼(502)的中心。为了简单起见，在该示例中忽略鸭翼旋翼。升力中心基于机翼的形状。对于诸如机翼500的矩形机翼，由实线指示的升力中心(506)沿着机翼的中心延伸。空气动力中心的计算更复杂(例如，空气动力中心取决于机翼的横截面等)，并且由虚线指示的空气动力中心508是示例性的和/或对于该类型的机翼来说是典型的。
如这里所示出的，直机翼(500)及其对应的主机翼旋翼(502)的布置产生推力中心(504)，该推力中心相对地远离升力中心(506)以及空气动力中心两者。这种分离是不合期望的。更具体地，当主机翼旋翼(502)处于悬停位置时，如果推力中心(504)远离升力中心(506)，则转变(例如，在飞行器作为整体诸如从基本上向上飞行切换到基本上向前飞行或反过来的移动的背景下)将产生非常大的力矩，并且可使运载工具倾覆或阻止加速或稳定和/或需要巨大的和/或非最佳的推进系统。在巡航中，如果推力中心(504)远离升力中心(506)，则这并不重要(例如，由于推力力矩不仅更小，而且更容易被空气动力力矩平衡)，但这仍然是不合期望的。
相比之下，前扫掠且渐缩的机翼(520)及其沿着后缘的对应的旋翼(522)的布置产生彼此更接近的推力中心(524)、升力中心(526)和空气动力中心(528)。例如，机翼的前扫掠使旋翼向前不同的程度。这使推力中心向前移动(例如，朝向前缘且朝向其它中心)。机翼的渐缩阻止空气动力中心和升力中心由于前扫掠而向前(并且更重要地，远离推力中心)蠕动太多。例如，在没有渐缩的前扫掠机翼(未示出)的情况下，推力中心将向前移动与空气动力中心和升力中心大致相同的量，并且将造成三个中心之间的与这里在机翼520的情况下示出的相比而更多的分离。
前扫掠且渐缩的机翼的一些其它益处包括飞行员的可见度更好以及机身与主机翼的接合位置更好(例如，使得主机翼翼梁可在飞行员座椅后面经过，而不通过飞行员)。此外，渐缩减小了机翼力矩，并使马达的推力中心更接近于机翼与机身的附接部(如关于飞行方向而参考的)，因此存在更小的从机翼传递到机身的力矩、更短的尾桁(例如，这减轻了飞行器的重量)以及改善的桨距稳定性。
图5B是图示具有前扫掠、渐缩的主机翼且无鸭翼的机翼构造的实施例的示图。在该示例中，主机翼(530)是前扫掠的并且渐缩(例如，从机翼的中心到末梢)。末梢(532)是倒圆的，其中当最外侧旋翼(534)处于如这里所示出的悬停位置时，后缘依随该旋翼的形状或轮廓。从安全的角度来看，这可为有吸引力的，因为使主机翼环绕旋翼的前部(例如，在旋翼的叶片和主机翼的后缘之间具有相对小的间隙)使得主机翼能够充当用于最外侧旋翼(534)的至少前侧的护罩。在该示例中，存在10个主机翼旋翼(例如，包括旋翼534)，它们附接到主机翼(530)的后缘。
在该机翼构造中，不存在鸭翼。为了补偿鸭翼和/或鸭翼旋翼的缺乏，与存在鸭翼和/或鸭翼旋翼的情况相比，主机翼具有更大程度的前扫掠。例如，与存在鸭翼和/或鸭翼旋翼时的大约10°-15°形成对照，这里所示出的前缘或翼梁的θ扫掠可为大约20°或30°。
该类型的机翼构造在传感器放置或其它体积或结构要求使得将鸭翼附接到机身前体区域不可行的应用中是有吸引力的。该类型的机翼构造还具有如下的额外的益处：甚至在螺旋桨中的一个上的叶片脱落(例如，叶片粉碎和/或变成抛射体)的情况下，也向飞行员舱提供额外的保护，因为主机翼阻挡了与驾驶舱相交的叶片轨迹锥的大部分。在简单性和减少系统上的构件数量方面，该类型的机翼构造也可为有益的，并且在运载工具上的不同数量的旋翼的情况下(其中，由于封装原因，鸭翼是不合理的)可为有用的。
图5C是图示具有鸭翼和直主机翼的机翼构造的实施例的示图。在该示例中，存在具有附接到鸭翼的后缘的四个鸭翼旋翼(542)的鸭翼(540)。还存在具有附接到主机翼的后缘的六个主机翼旋翼(546)的直的主机翼(544)。升力中心、推力中心和空气动力中心(未示出)可彼此相对接近，其中升力中心和推力中心在空气动力中心的前面，所有这些都是合乎期望的性质或特性。
在机翼扫掠在结构上或从控制角度来看不利的应用中，或者在增加可用升力的同时要求紧凑的运载工具占用面积的应用中，以及在诱导阻力不重要的应用中，该类型的机翼构造是有吸引力的。额外的鸭翼面积有助于在向前飞行和转变中的额外的升力可用性，而额外的旋翼有助于在悬停期间增加升力。将额外的旋翼添加到鸭翼而不是主机翼允许推力中心向前移动，从而匹配由于鸭翼面积的增加而引起的空气动力中心的向前运动，前提是鸭翼具有小的面积。与通过按比例放大大的主机翼来增加升力表面面积相比，增加鸭翼面积允许运载工具翼展保持不变或更小。
图5D是图示尾翼的实施例的示图。在一些实施例中，飞行器包括尾翼(即，尾翼不是必要的)，并且该示图示出了尾翼的一个示例。在该示例中，尾翼(550)具有两个控制表面(552)，诸如襟翼。控制旋翼(554)在尾翼的后缘的中心处附接到尾翼的后缘。如这里所示出的，控制旋翼可取向成使得它向下推动空气。在多种实施例中，控制旋翼(554)是固定旋翼或倾斜旋翼。在一些实施例中，如果控制旋翼是倾斜旋翼，则将不存在前缘旋翼(556)。尾翼还包括附接到尾翼的前缘的两个尾翼旋翼(556)。在一些实施例中，前缘旋翼(556)是固定旋翼。
图5E是图示附接到主机翼的顶部表面的挂架的实施例的示图。存在多种将主机翼旋翼附接到主机翼的方式，并且这仅仅是一个示例。在该示例中，主机翼旋翼(560a/560b)附接到挂架(562)。挂架继而附接到主机翼(564)的顶部表面，其中，在挂架和主机翼之间存在间隙(566)。结果，在挂架(560)和主机翼(564)之间的间隙566处存在导管状效应。另外，使挂架从机翼的上表面偏移导致在机翼表面上的额外的升力和较低的阻力，代价是挂架蒙皮上的阻力增加。
如这里所示出的，旋翼(560a/560b)所在的挂架(560)的后部延伸超过主机翼(564)的后部。这允许有足够的空隙，以用于使旋翼在处于巡航位置(560a)、处于悬停位置(560b)或处于这两个极端中间的任何位置时旋转而不撞击主机翼。
如上文中所描述的，在一些实施例中，鸭翼旋翼(如果存在)和主机翼旋翼是倾斜旋翼，并且旋翼能够在两个位置之间切换(如果期望)，以用于更高效的飞行。(由此推出，可通过改变倾斜程度而不是仅在两个极端位置或终端位置之间倾斜来维持慢速飞行(例如，低于针对传统的固定机翼的失速速度)。)以下附图描述了旋翼在巡航位置和悬停位置之间的示例性倾斜度转变。
图6A是图示从悬停位置到巡航位置的起飞倾斜度改变的实施例的示图。在一些实施例中，示例性多轴飞行器在起飞(例如，基本上竖直地)之后不久执行这种转变。注意，这种倾斜度转变是任选的，并且飞行器可完全在旋翼处于悬停位置的情况下飞行(尽管低于最佳性能)。例如，如果倾斜动作存在风险，则可这样做，并且最好在较高的高度处采取该动作。
多轴飞行器600示出了在其已执行竖直起飞之后的示例性飞行器。在这里所示出的该状态下，主机翼旋翼和鸭翼旋翼处于悬停位置(例如，围绕基本上竖直的旋转轴线旋转，使得旋翼产生基本上向下的推力)。
然后，多轴飞行器从完全向上的移动方向转变到具有至少一定的向前运动的移动方向，其中旋翼保持在悬停位置，直到多轴飞行器到达开始转变的某个期望高度(602)。换句话说，运载工具首先转变，并且然后改变旋翼的倾斜度。在一个示例中，多轴飞行器开始从悬停位置到巡航位置的旋翼倾斜度改变的高度是足够高的高度，足以在转变期间发生故障的情况下存在恢复时间。在悬停位置和巡航位置之间切换旋翼是风险较高的时间，此时出现故障(例如，旋翼失效、旋翼卡住等)的可能性较高。尽管多轴飞行器可具有就位的用于恢复的系统和/或技术(例如，通过使剩余的旋翼输出更大的推力来补偿旋翼的脱落、展开降落伞等)，但这些系统和/或技术花费时间(即足够的高度)来工作。
从位置602起，多轴飞行器基本上向前飞行，并将倾斜旋翼从悬停位置(例如，其中基本上向下输出推力)移动到巡航位置。一旦处于巡航位置604，旋翼就围绕基本上纵向的轴线旋转，使得它们输出向后的推力。
图6B是图示从巡航位置到悬停位置的着陆倾斜度改变的实施例的示图。例如，示例性多轴飞行器可在竖直着陆之前执行这种转变。如同前面的转变一样，这种转变是任选的。例如，示例性多轴飞行器可将倾斜旋翼保持在巡航位置，并执行滑翔机式着陆(如果期望)，与竖直着陆形成对照。
多轴飞行器610示出了处于巡航位置的旋翼。当在基本上向前的方向上飞行时，倾斜旋翼从在610处示出的巡航位置移动到在612处示出的悬停位置。在倾斜旋翼处于悬停位置(612)的情况下，多轴飞行器伴随着一定的向前移动(至少在该示例中)而下降，以便使功率使用保持(较)低并在马达或其它构件失效的情况下保留更好的选择(例如，多轴飞行器可给旋翼加电并退出着陆过程或路径)，多轴飞行器下降到位置614，直到其最终着陆在地面上。
图7是图示速度-倾斜度示图的实施例的示图。在所示出的示图中，x轴示出飞行器的向前速度，并且y轴示出范围从(例如，最小)巡航位置(700)到(例如，最大)悬停位置(702)的倾斜度(例如，倾斜机翼或倾斜旋翼的位置或角度)。
利用实线边界示出并利用网格图案填充的第一操作包线(704)与倾斜机翼飞行器相关联。参见例如图4中的多轴飞行器400以及图3A中的倾斜机翼302和固定旋翼300。利用虚线边界示出并填充灰色的第二操作包线(706)与具有前扫掠且固定的机翼的飞行器(例如，可比较的飞行器)相关联，该前扫掠且固定的机翼具有后缘安装式倾斜旋翼。参见例如上文中所描述的实施例。
在这里所示出的示图中，倾斜旋翼操作包线(706)是倾斜机翼操作包线(704)的超集，这指示前一飞行器构造比后一飞行器构造更安全和/或更适于飞行，并且在可比较的倾斜位置处也能够飞行得更快和更慢。在固定机翼的情况下，机翼已经(和/或总是)指向(向前)行进的方向。当倾斜旋翼处于或接近(例如，最大)悬停位置(702)时，运载工具可几乎一直飞行直到失速速度(例如，V2)，而不必将马达倾斜直到巡航位置。注意，例如，倾斜旋翼操作包线(706)可一直保持在(例如，最大)悬停位置(702)处，直到V2。与倾斜机翼操作包线(704)相比，这大大增加了倾斜旋翼操作包线(706)的操作范围。注意例如倾斜机翼操作包线(704)上方的所有灰色区域。
可有助于针对处于或接近悬停位置的倾斜旋翼构造的扩展操作包线的另一个效应包括流转向(例如，参见图4)。在主机翼上方的流转向诱导一定的额外的升力。在一些实施例中，当处于正常悬停(例如，在最小倾斜位置700处)时，通过使主机翼旋翼从正下方以略微向后的角度倾斜来放大或优化这种流转向及其产生的升力。
相比之下，当倾斜机翼在(例如，最大)悬停位置(702)向上倾斜时，倾斜机翼呈现大的正面面积。结果，倾斜机翼不能够以任何种类的合适的速度向前飞行，直到处于或接近完全的(例如，最小)巡航位置(700)或几乎这样。
以下附图图示了具有倾斜旋翼的前扫掠固定机翼飞行器的更详细的实施例，包括一些上文中未描述的任选特征。
图8A是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的俯视图。在所示出的示例中，示例性多轴飞行器包括尾翼(800)，其具有三个翼型件：两个水平稳定器(802)和单个竖直稳定器(804)。主机翼的末梢(806)在该示例中是弯曲的。例如，这可有助于更好地捕获来自螺旋桨的末梢的强制空气流以及增加机翼的展弦比。对于给定的功率输入，这造成较低的诱导阻力和较高的可用升力。额外的益处是，在接近于结构而进行悬停操作时，保护螺旋桨叶片的末梢免受横向撞击。主机翼还包括肩部(808)，该肩部加宽了主机翼的连接到机身的部分，并在结构上有帮助。
图8B是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的前视图。图8B继续图8A的示例。如这里所示出的，鸭翼旋翼(820)定位成使得它们位于主机翼(822)(的平面)的下方。鸭翼旋翼的这种定位改善了巡航中的推力线，并减少了鸭翼旋翼(820)和主机翼(822)之间的相互作用。
图8C是具有三翼型件式尾翼的飞行器实施例的侧视图。如该视图示出的，鸭翼旋翼(840)定位成使得它们位于主机翼(842)(的平面)的下方。
图9A是具有V形尾翼的飞行器实施例的成角度视图。在该示例中，多轴飞行器具有V形尾翼(900)。V形尾翼(900)的一个益处是，它有助于避免主机翼旋翼(902)和尾翼(900)的表面之间的相互作用。以下附图示出了前视图，其更清楚地图示了这一点。
图9B是具有V形尾翼的飞行器实施例的前视图。图9B继续图9A的示例。如从该视图示出的，V形尾翼(910)随着其从机身向外延伸到机翼的末梢而上升到主机翼旋翼上方。结果，甚至当主机翼旋翼处于巡航位置(912)时，V形尾翼(910)也不在主机翼旋翼(912)的正后方和/或直接在主机翼旋翼(912)的尾流中。这使主机翼旋翼(912)和V形尾翼的表面(910)之间的相互作用最小化。
该视图还示出了(至少在该实施例中)悬停中的主机翼旋翼(914)略微向后且略微向外成角度或以其它方式倾斜。如上文中所描述的，这可为合乎期望的，因为这允许至少一些飞行器实施例以“魔毯模式”飞行，在该模式下，旋翼仍然处于悬停倾斜位置，但可转变到主要机翼承载的飞行。以下附图示出了这一点的示例。
图10是图示具有截短机身的多轴飞行器的实施例的示图，该多轴飞行器能够以魔毯模式飞行。如本文中所使用的，用语魔毯模式是指如下的模式：旋翼仍然处于悬停取向，但运载工具已被加速到由机翼产生大量的升力的空速。在魔毯模式下，运载工具速度可利用向前变桨来控制，并且高度可通过增加速度以提高效率和因此爬升率来控制，或者通过直接给旋翼增加推力来控制。在所示出的示例中，多轴飞行器具有带有两个鸭翼旋翼(1002)的鸭翼(1000)。主机翼(1004)是具有前扫掠的固定机翼，它具有附接到主机翼的后缘的六个主机翼旋翼(1006)。机身(1008)相对短，并且在本文中被称为截短机身。例如，注意，机身的端部(1010)仅延伸超过最后面的旋翼的端部(1012)一点点。在该特定实施例中，旋翼是固定的，并且不倾斜或以其它方式改变位置。
存在多种能够满足严格的重量要求(例如，超轻标准)的多轴飞行器实施例。在该方法中，截短机身短得多，并且本身不存在尾翼，这两者都降低了重量。固定旋翼(例如，与倾斜旋翼形成对照)的使用也降低了重量。尾翼的缺乏和截短机身还产生了较小的占用面积，这有助于运输(例如在拖车中)和起飞和/或着陆所需的空间量。
在一些实施例中，与倾斜度谱的巡航端形成对照，处于固定位置的旋翼更多地在倾斜度谱的悬停端上向后倾斜(例如，旋转轴线，其从水平方向以在20°至40°之间、包括20°和40°的角度向下倾斜)。例如，参见与固定旋翼(1022)相关联的旋转轴线(1020)，其中倾斜角在20°至40°之间，这对于魔毯模式来说是合适的和/或可接受的。例如，该旋翼位置(尽管是固定的)允许示例性多轴飞行器竖直地飞行(例如，不是由于机翼上的空气动力升力，而是由于由旋翼产生的空气流)以及向前飞行(例如，关闭机翼)。这种在(例如，主要和/或大部分)以机翼承载方式飞行时保持旋翼处于悬停式倾斜的能力或模式有时被称为飞行魔毯模式。注意，这种以魔毯模式飞行的能力不一定限于固定旋翼实施例。例如，上述倾斜旋翼实施例中的一些或全部可以以魔毯模式飞行(例如，其中倾斜位置是极端或最大悬停位置，或者这两个极端之间的某个倾斜位置)。
图11A是具有截短机身和尾翼的多轴飞行器实施例的俯视图。这里所示出的实施例与图10中所示出的先前的多轴飞行器实施例具有相似性，并且为了简洁起见，本文中未讨论共有的特征。与先前的示例不同，该实施例具有尾翼(1100)。机身(1102)是截短机身，因此尾翼(1100)和机身(1102)使用尾桁(1104)连接。
图11B是具有截短机身和尾翼的多轴飞行器实施例的侧视图。图11B继续图11A的示例。从该视图更清楚地示出了多轴飞行器的其它特征，包括尾翼上的水平控制表面(1106)和竖直控制表面(1108)以及雪橇状起落架(1110)。
尽管出于清楚理解的目的，已在一定程度上详细描述了前述实施例，但本发明不限于所提供的细节。存在许多实施本发明的备选方式。所公开的实施例是说明性的，而不是限制性的。

Claims (6)

1.一种飞行器，包括：
主机翼，其中所述主机翼是固定机翼；
主机翼旋翼，其在所述主机翼的后缘侧上向外延伸，其中：
所述飞行器在至少一些时间内通过作用在所述主机翼上的空气动力升力而至少部分地保持在空中；并且
所述飞行器在至少一些时间内通过由所述主机翼旋翼产生的空气流而至少部分地保持在空中；
截短机身；
鸭翼；以及
鸭翼旋翼，其附接到所述鸭翼，其中，所述主机翼旋翼和所述鸭翼旋翼两者都是具有旋转轴线的固定旋翼，所述旋转轴线从水平方向以在20°到40°之间、包括20°和40°的角度向下倾斜。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器具有两个鸭翼旋翼和六个主机翼旋翼。
3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述主机翼是前扫掠且渐缩的机翼。
4.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器包括：
两个鸭翼旋翼，其在第一高度处附接到所述鸭翼；以及
六个主机翼旋翼，其在高于所述第一高度的第二高度处附接到所述主机翼的所述后缘。
5.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：
所述主机翼是前扫掠且渐缩的机翼；并且
所述飞行器进一步包括：
两个鸭翼旋翼，其在第一高度处附接到所述鸭翼；
六个主机翼旋翼，其在高于所述第一高度的第二高度处附接到所述主机翼的所述后缘；以及
V形尾翼。
6.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于：
所述主机翼是渐缩机翼；并且
所述飞行器进一步包括：
两个鸭翼旋翼，其在第一高度处附接到所述鸭翼；
六个主机翼旋翼，其在高于所述第一高度的第二高度处附接到所述主机翼的所述后缘；以及
三翼型件式尾翼。
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