CN113492965A - 飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞行器(10)，该飞行器具有以下特征：该飞行器(10)包括具有悬臂(11)的机身，该悬臂承载直升旋翼(14)并且具有凹陷。

Description

飞行器
技术领域
本发明涉及一种飞行器、尤其一种全电动的、可垂直地起飞和降落(verticaltake-off and landing，VTOL)的飞行器。
背景技术
VTOL在航空航天技术中跨语言地指如下任何类型的飞机、无人机或火箭，其能够基本垂直地且无需起飞和降落跑道的情况下升起和再次着陆。这个通称术语在下文中被广义地使用，其不仅包括带有机翼的固定翼飞机，而且同样包括旋翼飞机(如直升旋翼机、自转旋翼机、螺旋桨旋翼机)和混合式飞机(如复合式直升旋翼机或组合式旋翼机)以及可垂直升降的飞机。此外，还包括能够在特别短的距离内起飞和降落(short take-off andlanding，STOL)、在短的距离内起飞但垂直地降落(short take-off and verticallanding，STOVL)、或垂直地起飞但水平地降落(vertical take-off and horizontallanding，VTHL)的飞行器。
在EP 3140188 B1公开了一种VTOL，该VTOL具有：飞行控制系统，该飞行控制系统被设计为用于在悬停模式和水平飞行模式下对VTOL进行航空电子控制；机身，该机身包含发动机和飞行控制系统并且是以飞翼式布置方式设计的；VTOL前侧的螺旋桨盘，该螺旋桨盘与发动机相联接并且被设计成用于在悬停模式下提供竖直的推力并且在水平飞行模式下提供水平的推力，并且包括一对反向转动的螺旋桨，这对螺旋桨沿机身的中心轴线被紧固；以及多个可收缩的机翼，这些机翼可折叠地与机身相联接并且各自被设计成在悬停模式下在侧向安置在机身处并且在水平飞行模式下展开，以产生空气动力学的升力。
在气动弹性力学和飞行控制的领域，飞行器的自激振动通常是指颤振(flutter)。原则上飞机的所有部件或质量部都参与此振动；此振动在与飞机的弹性变形、飞机的质量分布以及在振动的空气动力学表面上不稳定的空气动力共同作用的情况下受刚性自由度(即平移和旋转)的影响。
已知用于降低颤振或提高临界速度(在该临界速度下，出现的颤振界定飞机的安全运行范围)的结构上的措施。由于在大多数情况下颤振会导致所涉及的构件破裂并且有时导致飞机坠毁，因此在设计阶段应特别注意这种现象。
尤其如果飞行器具有悬臂(arms)，驱动单元(例如带有螺旋桨的发动机)被紧固在该悬臂上，那么有针对性地调整动态的振动行为就给开发人员带来巨大的挑战。例如已知对称的管状型材，其在大多数情况下具有内置的、难以触及的布线。
根据现有技术，通过减小这种悬臂的被型材中心线包围的中空截面(例如通过对外部尺寸或壁厚度进行适配)，可以减小悬臂的扭转惯性力矩并且因此减小或以其他方式调整扭转模式。
发明内容
本发明提供一种下文所述的飞行器，尤其一种全电动的、按上述意义可垂直地起飞和降落的飞行器。
根据本发明的方案基于这样的认识，即：当振动模式与近似地或相同频率地振动的第二振动模式(例如偏转模式和扭转模式)谐振并且这些振动在结构上被叠加时，就会产生颤振。这些固有频率原则上由结构性决定并且取决于例如飞行速度而受到不同强度的刺激。尤其由悬臂承载的自由的螺旋桨或直升旋翼能够额外地被进动力刺激而引起颤振。
本发明的优点在于提高了在各种各样的(例如受可变的螺旋桨转速和风向影响的)飞行情况下飞行器的运转安全性。为此，本发明统一了结构强度的基本要求——例如确保防止滥用飞行操纵(misuse)——和对振动行为的稳健设计。即使在外部尺寸、壁厚度等方面受到结构上的限制(如设计者可能例如由于设计规定、强度规定或重量规定而承受这些限制)的情况下，也可以通过根据本发明引入功能性的凹槽或冲压部在遵守规定的情况下实现这样的设计。
构件谐振可以以这种方式有针对性地转移到非关键性的频率范围，在这些频率范围内在运行时不产生由发动机、气流等引起的永久刺激。由于在结构上防止了这些结构的在其谐振频率上的刺激，因此可以避免单独的构件提早疲劳或者甚至失效。
本发明的其他有利的设计方案在下文中给出。因此可以考虑对飞行装置的高安全性要求，其方式为以容易维修的方式将线缆铺设在悬臂的凹陷中。
在一个优选的实施方式中，这种凹陷位于悬臂的底侧。以这种方式，线缆可以在很大程度上免受在巡航时由风或流动的空气造成的外部影响(如直接的阳光辐射或刺激)。
此外，例如该飞行器可以配备有被折弯的或者甚至选择性地能够折弯的机翼。对应的变体增大了水平飞行中有效的机翼面积，而没有显著地扩展飞行器的占地面积。
此外，该飞行器能够具有可快速充电的电池系统，该电池系统提供用于垂直起降以及水平飞行的驱动能量并且可以实现对处于静止下的飞行器进行短暂的充电。
在此，为了驱动飞行器，可以使用不同尺寸的多个涵道螺旋桨(ducted fans)来代替自由旋翼，例如这些涵道螺旋桨在航空技术以外如从气垫船或风扇船(Sumpfbooten)中已知。在这种实施方式中，包围螺旋桨的柱形壳体由于叶片尖端处的湍流而能够明显减小推进损失。适合的涵道螺旋桨能够水平地或竖直地定向、在这两种位置之间可枢转地实施、或者出于空气动力学原因在水平飞行中由片(louvers)遮盖。此外可设想借助固定的涵道螺旋桨产生纯水平的推进。
最后，除了飞行器的优选完全自主的运行之外，在资格足够的情况下也考虑允许人类飞行员手动控制，这使得根据本发明的设备在操纵中被赋予最大可能的灵活性。
总体上，本申请在此提供下述1的技术方案，下述2-10为优选技术方案：
1.一种飞行器(10)，
其特征在于：
-该飞行器(10)包括具有悬臂(11)的机身，
-该悬臂(11)承载直升旋翼(14)，以及
-该悬臂(11)具有凹陷(12)。
2.根据上述1所述的飞行器(10)，
其特征在于以下特征中的至少一个特征：
-该悬臂(11)由金属板制成，以及
-该凹陷(12)是该金属板上的冲压部(12)或凹槽。
3.根据上述1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)包含线缆(13)，以及
-该线缆(13)从该机身沿该悬臂(11)延伸至该直升旋翼(14)。
4.根据上述3所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该线缆(13)包括控制线。
5.根据上述1至4之一所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)被设计成使得该悬臂(11)在互不相交的频率范围内具有本征模式。
6.根据上述5所述的飞行器(10)，
其特征在于该悬臂(11)的以下本征模式：
-10至15Hz下的第一模式，
-25至30Hz下的第二模式，
-70至85Hz下的第三模式，以及
-200至210Hz下的第四模式。
7.根据上述6所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该飞行器(10)具有滚动轴(X)、俯仰轴(Y)以及偏航轴(Z)，
-该悬臂(11)与该俯仰轴(Y)平行地延伸，
-该第一模式是关于该偏航轴(Z)的偏转；
-该第二模式是关于该滚动轴(X)的偏转；
-该第三模式是关于该俯仰轴(Y)的扭转，以及
-该第四模式与该俯仰轴(Y)平行地定向。
8.根据上述1至7之一所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该悬臂(11)具有闭合的中空截面。
9.根据上述1至8之一所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)位于该悬臂(11)的底侧。
10.根据上述1至9之一所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该悬臂(11)布置在该机身的机头侧。
附图说明
在附图中展示并且在下文中更详细地描述本发明的实施例。
图1示出飞行器的透视图。
图2示出悬臂的从下方的视图。
图3示出根据图2的处于A-A平面的悬臂的截面。
具体实施方式
图1示出根据本发明的飞行器(10)的优选设计方案的结构上的特征。两侧的悬臂(11)被拧接在机头上，这些悬臂在与俯仰轴平行的、彼此相反的方向上从机身突出并且各自承载直升旋翼(14)。
如图2可以看到，在本实施例中由金属板制成的悬臂(11)具有底侧的冲压部(12)。应理解的是，在替代性实施方式中替代于此可以设置有例如凹槽或其他的凹陷(12)，而不背离本发明的范围。
图3示出薄壁的悬臂(11)的闭合的中空截面。通过在底侧引入冲压部(12)可以调整扭转频率，而不会显著地影响关于X轴和Z轴的偏转模式。针对在10至15Hz(关于Z轴的偏转)、25至30Hz(关于X轴的偏转)、70至85Hz(关于Y轴的扭转)以及200至210Hz(沿飞机坐标系的Y轴)的互不相交的频率范围内的本征模式，凹陷(12)赋予悬臂(11)例如稳健的动力学设计。
此外，底侧上的冲压部(12)可以实现避风地铺设两条用于给发动机供电及控制发动机的控制线和电线。竖直的空气流和在向前飞行中的空气流都不刺激这条线缆(13)，从而降低了线缆破裂的风险。
此外，通过避风地安装可以省去额外的遮盖物，如在侧向地沿悬臂(11)铺设线缆的情况下可能需要的遮盖物。因此，在发生故障时就检查或更换而言可以非常容易且快速地触及线缆(13)。

Claims (10)

1.一种飞行器(10)，
其特征在于：
-该飞行器(10)包括具有悬臂(11)的机身，
-该悬臂(11)承载直升旋翼(14)，以及
-该悬臂(11)具有凹陷(12)。
2.根据权利要求1所述的飞行器(10)，
其特征在于以下特征中的至少一个特征：
-该悬臂(11)由金属板制成，以及
-该凹陷(12)是该金属板上的冲压部(12)或凹槽。
3.根据权利要求1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)包含线缆(13)，以及
-该线缆(13)从该机身沿该悬臂(11)延伸至该直升旋翼(14)。
4.根据权利要求3所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该线缆(13)包括控制线。
5.根据权利要求1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)被设计成使得该悬臂(11)在互不相交的频率范围内具有本征模式。
6.根据权利要求5所述的飞行器(10)，
其特征在于该悬臂(11)的以下本征模式：
-10至15Hz下的第一模式，
-25至30Hz下的第二模式，
-70至85Hz下的第三模式，以及
-200至210Hz下的第四模式。
7.根据权利要求6所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该飞行器(10)具有滚动轴(X)、俯仰轴(Y)以及偏航轴(Z)，
-该悬臂(11)与该俯仰轴(Y)平行地延伸，
-该第一模式是关于该偏航轴(Z)的偏转；
-该第二模式是关于该滚动轴(X)的偏转；
-该第三模式是关于该俯仰轴(Y)的扭转，以及
-该第四模式与该俯仰轴(Y)平行地定向。
8.根据权利要求1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该悬臂(11)具有闭合的中空截面。
9.根据权利要求1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该凹陷(12)位于该悬臂(11)的底侧。
10.根据权利要求1或2所述的飞行器(10)，
其特征在于：
-该悬臂(11)布置在该机身的机头侧。
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