CN113460300B - 一种适用于单人飞行的运载设备 - Google Patents

Abstract

一种适用于单人飞行的运载设备，包括乘员舱、设备电池舱、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇，其中，所述乘员舱设置在设备电池舱上，所述设备电池舱内布置有智能飞行控制系统，所述设备电池舱、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇为融合设置，且所述智能飞行控制系统与倾转驱动机构连接，通过倾转驱动机构驱动机翼与电动涵道风扇倾转，进而使得运载设备具备多种飞行姿态模式且可快速完成姿态切换，同时具有多种飞行姿态下的悬停能力，且应用范围广，维护简单，对起降场地要求低。

Description

一种适用于单人飞行的运载设备

技术领域

本发明涉及飞行设备技术领域，尤其涉及一种适用于单人飞行的运载设备。

背景技术

随着工业化和城市化进程的加速，城市交通堵塞问题日益严峻，与此将单人飞行器作为个人交通工具，像鸟一样在空中飞行，将城市交通由二维平面引向三维空间，以构建城市空中走廊，缓解城市交通压力，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

现有的飞行器主要分为固定翼和垂直起降飞行器（如直升机和多旋翼）两大类，传统的固定翼有飞行速度快、能耗低、等优点，但是存在主翼和水平尾翼前后不连接，机翼结构强度不高，容易损坏，起降要求高，起降距离长缺点；传统的垂直起降飞行器，具有起降方便的优点，但是存在能耗大、安全系数低，负载能力差、水平飞行速度慢、容易坠机等缺点；目前可以垂直起降的轻型单人飞行器有头顶共轴式双旋翼方案、头顶单旋翼方案、喷气背包、火箭背带等，这些方案的共有优点是垂直起降，但共有的主要缺陷是无固定机翼，无法实现远距离平飞，航时和航程很短，飞行成本高；可以水平飞行的轻型单人飞行器如动力滑翔伞和动力三角翼飞机等，速度慢，航程短，无法垂直起降，因此上述两类轻型单人飞行器难以大规模普及。

还有类载人垂直起降飞行器，其利用滑轨主动改变驾驶员重心和飞行器重心二者的相对位置，使得整个系统（驾驶员和飞行器）的竖向重心与横向重心实现转换过渡，从而使飞行器的空中姿态可在垂直起降和水平飞行之间转换过渡，但这种方法的缺陷在于驾驶员重心和飞行器重心的相对位置不固定，易引发飞行时的重心不稳。

在军用领域，特种作战一直对作战工具有着很高的要求，单人飞行器可作为特种部队的利器，对目标进行低空隐蔽潜入和发动突然袭击，起到出其不意的袭击效果；同时低空潜入，可有效规避地面防御火力地雷、地堡、电网等，降低人员伤亡。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种适用于单人飞行的运载设备，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种适用于单人飞行的运载设备，包括乘员舱、设备电池舱、尾翼、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇，其中，所述乘员舱设置在设备电池舱上，所述设备电池舱内布置有降落伞舱、动力电池及智能飞行控制系统，所述尾翼设置在设备电池舱底部，所述设备电池舱两端对称设置有机翼，并在每个机翼翼尖设置有电动涵道风扇，所述智能飞行控制系统与倾转驱动机构连接，所述倾转驱动机构包括用于驱动机翼倾转的机翼旋转作动器和用于驱动电动涵道风扇倾转的涵道旋转作动器，且所述机翼旋转作动器设置在设备电池舱中部，所述涵道旋转作动器布置在机翼翼尖，通过倾转驱动机构驱动机翼与电动涵道风扇倾转，进而使得运载设备具备多种飞行姿态模式且可快速完成姿态切换，同时具有多种飞行姿态下的悬停能力。

在本发明中，所述乘员舱头部区域采用透明树脂材料制成并装配在设备电池舱上，以保证飞行时头部环境的舒适性和视野的开阔性，头部以下区域可根据使用需求配装全封闭乘员舱或半开放式乘员舱，当为全封闭乘员舱时，头部以下区域设置铰链对开门，采用复合材料制成，并通过快拆铰链铰接在设备电池舱上，方便乘员上下。

在本发明中，所述设备电池舱、机翼、电动涵道风扇及尾翼内分别设置有用于采集姿态信息的传感器，姿态信息包括飞行器姿态、翼面倾转角度、涵道倾转角度及转速等，且传感器与智能飞行控制系统连接。

在本发明中，所述尾翼即作为航向安定面，又是垂直起飞和降落的起落架，且尾翼上布置有微型舵面，并通过电子舵机驱动，参与飞行器多姿态飞行下的操纵。

在本发明中，设备电池舱、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇为融合设置，以保证结构件的综合利用，节省结构重量和设备舱空间，机翼旋转作动器布置在设备电池舱中部，通过贯穿式复合材料制成的转轴驱动机翼倾转；所述机翼翼尖布置有涵道旋转作动器，以驱动电动涵道风扇倾转，倾转驱动机构和电子舵机通过多路线缆接入至设备电池舱的智能飞行控制系统，智能飞行控制系统根据传感器分系统提供的姿态信息对机翼、电动涵道风扇的倾转和电动涵道风扇的转速、尾翼舵面等进行综合控制，以保证飞行器的飞行稳定。

在本发明中，所述运载设备的重心位置靠近机翼的倾转轴和电动涵道风扇的倾转轴，以实现多姿态的悬停飞行。

在本发明中，所述机翼旋转作动器与涵道旋转作动器为电力驱动，且采用多余度设计，通过多路电缆与智能飞行控制系统连接。

在本发明中，所述运载设备飞行模式如下：

1、垂直起降模式

运载设备利用尾翼完成地面支撑，电动涵道风扇与机翼均与机体方向保持一致，利用电动涵道风扇产生的推力直接起飞或降落，该模式可以降低运载设备的起降场地要求，具备较高的环境适应性；

2、俯卧飞行模式

该飞行模式与常规固定翼布局飞机类似，乘员朝下俯卧，机翼不进行倾转，本飞行模式下，运载设备可实现全速度包线的巡航飞行，智能飞行控制系统根据飞行速度综合控制电动涵道风扇功率及倾转角度、尾翼的舵面偏转以实现飞行稳定；当飞行速度较高，机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇不进行偏转，维持与航向一致，此时运载设备可实现迎风截面积最小，因而具有最高的巡航效率和最小的飞行阻力，适合快速飞行突进；当飞行速度不足，机翼产生的升力无法满足平飞要求时，电动涵道风扇进行向上倾转，以动力补充升力的不足；

3、直立飞行模式

此模式下，机翼旋转90°与机体垂直，此巡航模式下，乘员处于站立状态，具备较好的航向视野，因机体垂直迎风截面积增加较多，阻力增加较大，故最大飞行速度相对俯卧飞行模式有所降低，此模式与俯卧飞行模式类似，当飞行速度较高，机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇与机翼方向保持一致；当飞行速度不足以使机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇向上倾转，以动力补充升力的不足；

4、悬停模式

本运载设备的重心位置靠近机翼的倾转轴和电动涵道风扇的倾转轴，故依托强大的智能飞行控制系统实现多姿态悬停飞行；悬停模式下，飞行器的悬停动力完全依托电动涵道风扇的推力；

5、伞降模式

本运载设备在设备电池舱中部布置有降落伞舱，当出现飞行故障和危险飞行情况时，可抛出降落伞完成伞降着陆，提高运载设备的安全性和应急处理能力。

在本发明中，所述运载设备摒弃机械操纵系统，采用高度集成化的智能飞行控制系统和电力驱动的舵机及倾转驱动机构，结构采用整体成型的复合材料，并将高能量动力电池与结构综合设计，充分利用有限的结构空间，增大电池容量；智能飞行控制系统及电子舵机的运用，相比传统操纵系统节省大量重量和空间；上述措施的实施可有效解决现有飞行器的续航难题，使运载设备具备实用价值。

有益效果：本发明中运载设备可运用个人交通、飞行体验、旅游观光、特种作战等多个领域，相比现有的单人飞行器（气球、滑翔伞、旋翼机等）具有优异的飞行性能，具备多种姿态下的飞行、滑翔和悬停和自主控制飞行能力，且应用范围广，维护简单，对起降场地要求低。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的运载设备处于垂直起降模式正视图。

图2为本发明的较佳实施例中的运载设备处于垂直起降模式侧视图。

图3为本发明的较佳实施例中的运载设备处于垂直起降模式俯视图。

图4为本发明的较佳实施例中的运载设备处于俯卧飞行模式电动涵道风扇不偏转示意图。

图5为本发明的较佳实施例中的运载设备处于俯卧飞行模式电动涵道风扇向上倾转示意图。

图6为本发明的较佳实施例中的运载设备处于直立飞行模式电动涵道风扇与机翼方向一致示意图。

图7为本发明的较佳实施例中的运载设备处于直立飞行模式电动涵道风扇向上倾转示意图。

图8为本发明的较佳实施例中的运载设备处于悬停模式示意图。

图9为本发明的较佳实施例中的运载设备处于伞降模式示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1～9的一种适用于单人飞行的运载设备，包括乘员舱1、设备电池舱2、尾翼3、机翼4、倾转驱动机构5及电动涵道风扇6，其中，所述乘员舱1设置在设备电池舱2上，所述设备电池舱2内布置有降落伞舱、动力电池及智能飞行控制系统，所述尾翼3设置在设备电池舱2底部，所述设备电池舱2两端对称设置有机翼4，并在每个机翼4翼尖设置有电动涵道风扇6，所述智能飞行控制系统与倾转驱动机构5连接，所述倾转驱动机构5包括用于驱动机翼4倾转的机翼旋转作动器和用于驱动电动涵道风扇6倾转的涵道旋转作动器，且所述机翼旋转作动器设置在设备电池舱2中部，通过贯穿式复合材料制成的转轴驱动机翼4倾转，所述涵道旋转作动器布置在机翼4翼尖，以驱动电动涵道风扇6倾转，进而具备多种飞行姿态模式且可快速完成姿态切换，同时具有多种飞行姿态下的悬停能力。

在本实施例中，所述乘员舱1头部区域采用透明树脂材料制成并装配在设备电池舱2上，以保证飞行时头部环境的舒适性和视野的开阔性，头部以下区域可根据使用需求配装全封闭乘员舱或半开放式乘员舱，当为全封闭乘员舱时，头部以下区域设置铰链对开门，采用复合材料制成，并通过快拆铰链铰接在设备电池舱上，方便乘员上下；

所述设备电池舱2、机翼4、电动涵道风扇6及尾翼3内分别设置有用于采集姿态信息的传感器，姿态信息包括飞行器姿态、翼面倾转角度、涵道倾转角度及转速等，且传感器与智能飞行控制系统连接；

所述机翼旋转作动器与涵道旋转作动器为电力驱动，且采用多余度设计，通过多路电缆与智能飞行控制系统连接；

所述设备电池舱2、机翼4、倾转驱动机构5及电动涵道风扇6为融合设计，以保证结构件的综合利用，节省结构重量和设备舱空间，机翼旋转作动器布置在设备电池舱2中部，通过贯穿式复合材料制成的转轴驱动机翼4倾转；所述机翼4翼尖布置涵道旋转作动器，驱动电动涵道风扇6倾转；所述尾翼3即作为航向安定面，又是垂直起飞和降落的起落架，并在尾翼3上布置有微型舵面，通过电子舵机驱动，电子舵机与智能飞行控制系统连接，进而参与单人飞行器多姿态飞行下的操纵；上述倾转驱动机构5和电子舵机通过多路线缆接入至设备电池舱2的智能飞行控制系统，智能飞行控制系统根据传感器分系统提供的姿态信息对机翼4、电动涵道风扇6的倾转和电动涵道风扇6的转速、尾翼3舵面等进行综合控制，以保证飞行器的飞行稳定。

本运载设备飞行模式如下：

1、垂直起降模式

垂直起降模式姿态如图1所示，单人飞行器利用尾翼3完成地面支撑，电动涵道风扇6与机翼4均与机体方向保持一致，利用电动涵道风扇6产生的推力直接起飞或降落，该模式可以降低运载设备的起降场地要求，具备较高的环境适应性；

2、俯卧飞行模式

该飞行模式与常规固定翼布局飞机类似，乘员朝下俯卧，机翼4不进行倾转，本飞行模式下，运载设备可实现全速度包线的巡航飞行，智能飞行控制系统根据飞行速度综合控制电动涵道风扇6功率及倾转角度、尾翼3的舵面偏转以实现飞行稳定；当飞行速度较高，机翼4产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇6不进行偏转，维持与航向一致，此时运载设备可实现迎风截面积最小，因而具有最高的巡航效率和最小的飞行阻力，适合快速飞行突进，此时飞行姿态如图4所示；当飞行速度不足，机翼4产生的升力无法满足平飞要求时，电动涵道风扇6进行向上倾转，以动力补充升力的不足，此种飞行姿态典型状态如图5所示；

3、直立飞行模式

此模式下，机翼旋转90°与机体垂直，此巡航模式下，乘员处于站立状态，具备较好的航向视野，因机体垂直迎风截面积增加较多，阻力增加较大，故最大飞行速度相对俯卧飞行模式有所降低，此模式与俯卧飞行模式类似，当飞行速度较高，机翼4产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇6与机翼4方向保持一致，其飞行姿态如图6所示；当飞行速度不足以使机翼4产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇6向上倾转，以动力补充升力的不足，此种飞行姿态典型状态如图7所示；

4、悬停模式

本运载设备的重心位置靠近机翼4的倾转轴和电动涵道风扇6的倾转轴，故依托强大的智能飞行控制系统实现多姿态悬停飞行；悬停模式下，飞行器的悬停动力完全依托电动涵道风扇6的推力，典型的悬停姿态如图1、图8所示；

5、伞降模式

本运载设备在设备电池舱2中部布置有降落伞舱，用于应急状态紧急着陆，当出现飞行故障和危险飞行情况时，可抛出降落伞完成伞降着陆，提高运载设备的安全性和应急处理能力，其工作模式如图9所示；

以上为本运载设备的典型飞行模式，但本运载设备的设计理念，使本运载设备具备多种飞行姿态，其姿态飞行能力远大于以上飞行模式，如俯卧飞行模式下机翼4倾转至与航向一致，电动涵道风扇6航向倾转，同时提供航向推力和向上升力；垂直起降模式下，使电动涵道风扇6向前倾转，提供航向推力和向上升力，均可完成向前爬升飞行等。

Claims (8)

1.一种适用于单人飞行的运载设备，包括乘员舱、设备电池舱、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇，其特征在于，所述乘员舱设置在设备电池舱上，所述设备电池舱内布置有智能飞行控制系统，所述设备电池舱、机翼、倾转驱动机构及电动涵道风扇为融合设置，所述设备电池舱两端对称设置有机翼，并在每个机翼翼尖设置有电动涵道风扇，所述倾转驱动机构包括用于驱动机翼倾转的机翼旋转作动器和用于驱动电动涵道风扇倾转的涵道旋转作动器，且所述机翼旋转作动器设置在设备电池舱中部，通过贯穿式复合材料制成的转轴驱动机翼倾转，所述涵道旋转作动器布置在机翼翼尖；所述智能飞行控制系统与倾转驱动机构连接，通过倾转驱动机构驱动机翼与电动涵道风扇倾转，进而使得运载设备具备多种飞行姿态模式且能够快速完成姿态切换，同时因运载设备的重心位置靠近机翼的倾转轴和电动涵道风扇的倾转轴，故具有多种飞行姿态下的悬停能力；

运载设备飞行模式包括垂直起降模式、俯卧飞行模式、直立飞行模式、悬停模式及伞降模式，具体飞行模式如下：

垂直起降模式

运载设备利用尾翼完成地面支撑，电动涵道风扇、机翼均与机体方向保持一致，利用电动涵道风扇产生的推力直接起飞或降落；

俯卧飞行模式

该飞行模式与常规固定翼布局飞机类似，乘员朝下俯卧，机翼不进行倾转，本飞行模式下，运载设备能够实现全速度包线的巡航飞行，智能飞行控制系统根据飞行速度综合控制电动涵道风扇功率及倾转角度、尾翼的舵面偏转以实现飞行稳定；当飞行速度较高，机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇不进行偏转，维持与航向一致，此时运载设备实现迎风截面积最小，因而具有最高的巡航效率和最小的飞行阻力，适合快速飞行突进；当飞行速度不足，机翼产生的升力无法满足平飞要求时，电动涵道风扇进行向上倾转，以动力补充升力的不足；

直立飞行模式

此模式下，机翼旋转90°与机体垂直，此巡航模式下，乘员处于站立状态，具备较好的航向视野，因机体垂直迎风截面积增加较多，阻力增加较大，故最大飞行速度相对卧式飞行模式有所降低，此模式下飞行时，与俯卧飞行模式类似；当飞行速度较高，机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇与机翼方向保持一致；当飞行速度不足以使机翼产生的升力满足平飞要求时，电动涵道风扇向上倾转，以动力补充升力的不足；

悬停模式

因运载设备的重心位置靠近机翼的倾转轴和电动涵道风扇的倾转轴，故依托智能飞行控制系统实现多姿态的悬停飞行；悬停模式下，运载设备的悬停动力完全依托电动涵道风扇的推力；

伞降模式

当出现飞行故障和危险飞行情况时，抛出降落伞完成伞降着陆。

2.根据权利要求1所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述机翼旋转作动器与涵道旋转作动器为电力驱动。

3.根据权利要求2所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述机翼旋转作动器与涵道旋转作动器采用多余度设计，并通过多路电缆与智能飞行控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述设备电池舱底部设置有尾翼。

5.根据权利要求4所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述尾翼上布置有微型舵面，并通过电子舵机驱动，且电子舵机与智能飞行控制系统连接。

6.根据权利要求4所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述设备电池舱、机翼、电动涵道风扇及尾翼内分别设置有用于采集姿态信息的传感器，且传感器与智能飞行控制系统连接。

7.根据权利要求1所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述乘员舱头部区域采用透明树脂材料制成并装配在设备电池舱上，头部以下区域配装全封闭乘员舱或半开放式乘员舱。

8.根据权利要求1所述的一种适用于单人飞行的运载设备，其特征在于，所述设备电池舱中部布置有用于应急状态紧急着陆的降落伞舱。

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