CN112607030B - 一种组合式垂直起降飞行器及其起降方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种组合式垂直起降飞行器及其起降方法。组合式垂直起降飞行器包括：任务飞行器(1)、拉索(2)和运载飞行器(3)，其中，起飞和降落阶段，拉索(2)上端与运载飞行器(3)的机身(301)下的吊挂点连接，拉索(2)下端与任务飞行器(1)的吊挂点(111)连接，通过运载飞行器(3)带动任务飞行器(1)起飞和降落。能够在没有跑道的情况下，实现飞行器的垂直起飞、水平高速飞行和垂直降落；兼具直升机飞行器垂直起降和固定翼飞行器高速飞行的优点。

Description

一种组合式垂直起降飞行器及其起降方法

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种组合式垂直起降飞行器及其起降方法。

背景技术

传统垂直起降飞行器如直升机、倾转旋翼飞机。直升机由旋翼产生升力起飞，飞行后通过控制旋翼小幅度倾斜，产生向前飞行的拉力，实现直升机前飞，但受旋翼气动效率的影响，所能达到的前飞速度低。倾转旋翼飞机，其旋翼可在竖直和水平方向范围内倾转；起飞时，旋翼处于竖直状态产生向上的升力，实现飞机垂直起飞；起飞后，旋翼倾转至水平状态产生向前的拉力，实现飞机的前飞；这种飞机的倾转机构非常复杂且重量大，所以有效任务载重的重量效率低；且由于旋翼需要兼顾垂直起飞和前飞两种工况，故其旋翼效率很低；还有起飞时的动力远大于前飞所需的动力，给发动机的设计和寿命带来了很大的难度。

发明内容

发明目的：提供一种组合式垂直起降飞行器及其起降方法，以在没有跑道的情况下实现任务飞行器的高速飞行。

技术方案：

第一方面，提供了一种组合式垂直起降飞行器，包括：任务飞行器1、拉索2和运载飞行器3，其中，起飞和降落阶段，拉索2上端与运载飞行器3的机身301下的吊挂点连接，拉索2下端与任务飞行器1的吊挂点111连接，通过运载飞行器3带动任务飞行器1起飞和降落。

进一步地，运载飞行器3为多旋翼飞行器，包括机身301、至少四个旋翼302以及至少四个悬臂303，其中，至少四个旋翼302分散布置在机身301的周围，并且分别通过悬臂303与机身301连接。

进一步地，任务飞行器1上方设置有吊挂装置110，其中，吊挂装置110包括拉杆101、后拉索102、左拉索103、右拉锁104以及吊挂点111，拉杆101、后拉索102、左拉索103、右拉锁104汇于吊挂点111。

进一步地，拉杆101的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心前方，且在飞行器对称面上，拉杆101可绕该起吊点转动；后拉索102的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心后方，且在飞行器对称面上，后拉索102可绕该起吊点伸长缩短；左拉索103、右拉锁104的下部交点分别对称安装在两侧机翼的起吊点上，该起吊点的航向位置位于飞行器重心附近，左拉索103、右拉锁104可绕该起吊点伸长缩短。

进一步地，拉索2为能自由弯曲的绳索，拉索2的拉伸载荷大于任务飞行器1重量的1.5倍。

第二方面，提供了一种组合式垂直起降飞行器的起飞方法，包括：

将任务飞行器1和运载飞行器3通过拉索2连接在一起；

使运载飞行器3起飞，在运载飞行器3飞行至任务飞行器1上方时，通过拉索2将任务飞行器1吊离地面进入悬停状态；

任务飞行器1吊离地面进入悬停状态之后，使运载飞行器3前倾，拖曳任务飞行器1加速前飞；

在任务飞行器1达到飞行器的最小前飞速度时，使任务飞行器1的动力装置131开机；

任务飞行器1的动力装置131开机后，使任务飞行器1与拉索2断开；

进一步地，还包括：任务飞行器1与拉索2断开之后，运载飞行器3返回地面。

第三方面，提供了一种组合式垂直起降飞行器的降落方法，其特征在于，包括：

运载飞行器3以任务飞行器1的最小前飞速度维持前飞状态；

任务飞行器1从运载飞行器3正后方接近运载飞行器3，并将吊挂点111与拉索2连接；

在拉索2将任务飞行器1和运载飞行器3连接后，运载飞行器3加大马力前飞，同时任务飞行器1的动力装置131关机，由运载飞行器3拖曳任务飞行器1减速前飞；

任务飞行器1减速至悬停状态后，使运载飞行器3垂直下降直到任务飞行器1降落至地面时。

有益效果：

本发明的一种组合式垂直起降飞行器，可以再没有跑道的情况下，实现飞行器的垂直起飞、水平高速飞行和垂直降落；兼具直升机飞行器垂直起降和固定翼飞行器高速飞行的优点；运载飞行器和任务飞行器分离后，由任务飞行器单独执行任务，相对传统垂直起降飞行器，将垂直起降模块分离，可以将任务飞行器设计的更加精巧，降低空机重量，提高任务飞行器的使用效率。

附图说明

图1为本发明的组合式垂直起降飞行器结构示意图；

图2为任务飞行器的结构示意图。

图3为组合式垂直起降飞行器初始起飞阶段示意图。

图4为组合式垂直起降飞行器垂直上升准备阶段的示意图。

图5为组合式垂直起降飞行器垂直上升的示意图。

图6为组合式垂直起降飞行器前飞状态的示意图。

图7为任务飞行器前飞状态下吊挂装置结构示意图。

图8为任务飞行器与运载飞行器分离状态的示意图。

图9为任务飞行器接近运载飞行器的状态示意图。

其中，任务飞行器1、拉索2、运载飞行器3、拉杆101、后拉索102和左拉索103、右拉锁104、机翼121和动力装置131、吊挂点111、吊挂装置110、机身301、旋翼302、悬臂303

具体实施方式

为了实现在没有跑道的情况下实现任务飞行器的高速飞行。本发明提供了一种组合式垂直起降飞行器。

在本发明可能的实施例中，组合式垂直起降飞行器由任务飞行器1、拉索2和运载飞行器3组成。任务飞行器1为固定翼飞行器，运载飞行器3为多旋翼飞行器。起飞时，运载飞行器和任务飞行器连接在一起，构成一个整体的组合式飞行器，由运载飞行器的旋翼提供垂直起飞所需的升力；起飞后组合式飞行器前倾至前飞状态，该过程任务飞行器的发动机开机，由两者同时提供向上的升力和向前飞行的动力；当组合飞行器达到固定翼最小飞行速度时，进入分离阶段，运载飞行器和组合飞行器之间断离，形成两个独立的飞行器，运载飞行器可返回机场，由任务飞行器单独执行任务；当任务飞行器返回时，运载飞行器进入倾斜前飞状态并达到固定翼最小飞行速度，任务飞行器保持同速并进行空中对接；对接后，组合飞行器后倾至垂直状态，任务飞行器关机，由运载飞行器的旋翼提供升力实施垂直降落。

下面结合附图详细说明。

如图1，一种组合式垂直起降飞行器，由任务飞行器1、拉索2和运载飞行器3组成。如图2，任务飞行器1为固定翼飞行器，其基本组成与常规固定翼飞行器相同，包含机翼121、吊挂装置110和动力装置131，吊挂装置110包含拉杆101、后拉索102和左拉索103、右拉锁104。拉杆101、后拉索102和左拉索103、右拉锁104汇于吊挂点111。拉杆101的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心前方，且在飞行器对称面上，拉杆101可绕该起吊点转动。后拉索102的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心后方，且在飞行器对称面上，后拉索102可绕该起吊点伸长缩短。左拉索103、右拉锁104的下部交点分别对称安装在两侧机翼的起吊点上，该起吊点的航向位置位于飞行器重心附近，左拉索103、右拉锁104可绕该起吊点伸长缩短。

运载飞行器3为多旋翼飞行器，在一个可能的实施例中，由机身301、8个旋翼302和8个悬臂303组成。8个旋翼302分散布置在机身301的周围，通过悬臂303与机身301连接。8个旋翼302产生升力，实现运载飞行器3垂直上升、悬停和前飞。拉索2为柔性高强度的钢丝绳，拉索2的拉伸载荷大于任务飞行器1重量的1.5倍；拉索2上端与运载飞行器3的机身301下的吊挂点连接，拉索2下端与任务飞行器1的吊挂点111连接。

组合式垂直起降飞行器起飞过程可分为5个阶段：

起飞阶段1：地面状态下，任务飞行器1和运载飞行器3通过拉索2连接在一起，如图3；

起飞阶段2：运载飞行器3起飞后，飞行至任务飞行器1上方，如图4，通过拉索2将任务飞行器1吊离地面进入悬停状态，如图5；

起飞阶段3：运载飞行器3前倾，拖曳任务飞行器1加速前飞，如图6和7，该阶段任务飞行器1的前飞速度低，机翼121产生升力不足，无法全部克服飞行器的重力，拉索2提供的拉力克服飞行器的重力和前飞受到的阻力；

起飞阶段4：当任务飞行器1达到飞行器的最小前飞速度时，任务飞行器1的动力装置131开机，产生向前的拉力，以克服飞行器前飞受到的阻力；

起飞阶段5：任务飞行器1的动力装置131开机后，拉索2与吊挂点111分离，任务飞行器1继续前飞执行飞行任务，运载飞行器3返回地面，如图8。

组合式垂直起降飞行器降落过程可分为5个阶段：

降落阶段1：任务飞行器1执行完飞行任务返航时，运载飞行器3起飞待命，以任务飞行器1的最小前飞速度维持前飞状态；

降落阶段2：任务飞行器1从运载飞行器3正后方以最小前飞速度接近运载飞行器3，如图9，并将吊挂点111与拉索2连接；

降落阶段3：拉索2将任务飞行器1和运载飞行器3连接后，运载飞行器3加大马力前飞，同时任务飞行器1的动力装置131关机，由运载飞行器3拖曳任务飞行器1减速前飞；

降落阶段4：任务飞行器1减速前飞时，任务飞行器1的前飞速度低，机翼121产生升力不足，无法全部克服飞行器的重力，拉索2提供的拉力克服飞行器的重力和前飞受到的阻力；

降落阶段5：任务飞行器1减速至悬停状态后，运载飞行器3缓慢垂直下降，将任务飞行器1降落至地面，随后运载飞行器3降落至任务飞行器1附近的地面。

本发明提出的组合式垂直起降飞行器，可以再没有跑道的情况下，实现飞行器的垂直起飞、水平高速飞行和垂直降落；兼具直升机飞行器垂直起降和固定翼飞行器高速飞行的优点；运载飞行器和任务飞行器分离后，由任务飞行器单独执行任务，相对传统垂直起降飞行器，将垂直起降模块分离，可以将任务飞行器设计的更加精巧，降低空机重量，提高任务飞行器的使用效率。

Claims (1)

1.一种组合式垂直起降飞行器的起飞和降落方法，其特征在于，组合式垂直起降飞行器，包括：任务飞行器(1)、拉索(2)和运载飞行器(3)，其中，任务飞行器(1)为固定翼飞行器，起飞和降落阶段，拉索(2)上端与运载飞行器(3)的机身(301)下的吊挂点连接，拉索(2)下端与任务飞行器(1)的吊挂点(111)连接，通过运载飞行器(3)带动任务飞行器(1)起飞和降落，运载飞行器(3)为多旋翼飞行器，包括机身(301)、至少四个旋翼(302)以及至少四个悬臂(303)，其中，至少四个旋翼(302)分散布置在机身(301)的周围，并且分别通过悬臂(303)与机身(301)连接，旋翼(302)产生升力，实现运载飞行器(3)的垂直上升、悬停和前飞，任务飞行器(1)上方设置有吊挂装置(110)，其中，吊挂装置(110)包括拉杆(101)、后拉索(102)、左拉索(103)、右拉锁(104)以及吊挂点(111)，拉杆(101)、后拉索(102)、左拉索(103)、右拉锁(104)汇于吊挂点(111)，拉杆(101)的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心前方，且在飞行器对称面上，拉杆(101)可绕该起吊点转动；后拉索(102)的下部交点安装在机身上方的起吊点上，该起吊点位于飞行器重心后方，且在飞行器对称面上，后拉索(102)可绕该起吊点伸长缩短；左拉索(103)、右拉锁(104)的下部交点分别对称安装在两侧机翼的起吊点上，该起吊点的航向位置位于飞行器重心附近，左拉索(103)、右拉锁(104)可绕该起吊点伸长缩短，拉索(2)为能自由弯曲的绳索，拉索(2)的拉伸载荷大于任务飞行器(1)重量的1.5倍，拉索(2)为钢丝绳，

所述组合式垂直起降飞行器的起飞方法包括：

将任务飞行器(1)和运载飞行器(3)通过拉索(2)连接在一起；

使运载飞行器(3)起飞，在运载飞行器(3)飞行至任务飞行器(1)上方时，通过拉索(2)将任务飞行器(1)吊离地面进入悬停状态；

任务飞行器(1)吊离地面进入悬停状态之后，使运载飞行器(3)前倾，拖曳任务飞行器(1)加速前飞；

在任务飞行器(1)达到飞行器的最小前飞速度时，使任务飞行器(1)的动力装置(131)开机；

任务飞行器(1)的动力装置(131)开机后，使任务飞行器(1)与拉索(2)断开，任务飞行器(1)与拉索(2)断开之后，运载飞行器(3)返回地面；

所述组合式垂直起降飞行器的降落方法包括：

运载飞行器(3)以任务飞行器(1)的最小前飞速度维持前飞状态；

任务飞行器(1)从运载飞行器(3)正后方接近运载飞行器(3)，并将吊挂点(111)与拉索(2)连接；

在拉索(2)将任务飞行器(1)和运载飞行器(3)连接后，运载飞行器(3)加大马力前飞，同时任务飞行器(1)的动力装置(131)关机，由运载飞行器(3)拖曳任务飞行器(1)减速前飞；

任务飞行器(1)减速至悬停状态后，使运载飞行器(3)垂直下降直到任务飞行器(1)降落至地面时。