CN113525678B - 一种牵引-推进式倾转翼垂直起降载人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牵引‑推进式倾转翼垂直起降载人飞行器，可倾转前机翼设置于机身前端两侧，可倾转后机翼搭载于机身后部两侧；旋翼系统包括设置于机身前端由可倾转前机翼所搭载的牵引式前螺旋桨，和设置于可倾转后机翼且分别位于机身两侧的推进式后螺旋桨；尾翼设置于机身尾部；机身具备容纳至少两名乘客及操作系统的空间。该飞行器的尾翼提高了飞机在倾转过渡阶段以及巡航过程的稳定性和操纵性；多旋桨构成的多点对称动力布局，使得飞行器在垂直起降和悬停状态均具有足够的俯仰和滚转平衡余度，提高了整机的安全冗余度；相对独立的倾转机构使得飞行器在垂直起降和悬停状态具备更强的机动性能；旋翼环道提升了旋桨效率和高能转子安全性。
Description
技术领域
本发明属于倾转翼飞行器领域，具体涉及一种牵引-推进式倾转翼垂直起降载人飞行器。
背景技术
随着电池能量密度和功率密度的快速发展和相关产品的应用，以及电机输出功率的进一步提高，分布式电动力载人飞行器的开发和应用的时代条件已经日趋成熟。就分布式电动垂直起降载人飞行器领域而言，目前已知有四类布局：多旋翼、倾转旋翼、倾转翼和复合型。针对需要通过控制螺旋桨桨距来调整飞行姿态的飞行器如专利CN206087301U等多旋翼飞行器而言，其在姿态控制效率方面远不如气动舵面甚至式矢量动力单元。而可倾转旋翼布局的飞行器针对垂直方向的螺旋桨额外设置的结构支撑杆且无任何气动增生作用的结构对于载人飞行器这种对于结构重量需要严格把控的飞行器类型而言则显得多余。而类似将可倾转旋桨外置于机翼翼端的设计如美国鱼鹰系列则由于垂起降过程中旋桨向下的气流被巨大的机翼阻挡致使效率降低，同时也导致额外的翼载荷进而致使机翼结构重量因需增加强度而被动提高。虽然上述四类布局皆可实现垂直起降，但是考虑到载人机对于不同布局所导致的不同飞行阶段的能量消耗比重与无人机相比的巨大差异性，在兼顾巡航效率和悬停效率方面，倾转翼布局的垂直起降载人飞行器相较其它布局而言最有优势。
目前倾转翼布局的载人飞行器相较其它布局飞行器而言，研发较少。可见的多为牵引式动力（旋桨前置于机翼前方）的单翼倾转构型和无尾翼前后双翼倾转构型。上述这类构型的飞行器在整个机翼倾转过程中高能转子（高速旋转的螺旋桨）对驾驶人员及乘客安全产生较大的威胁。单翼倾转的构型在悬停方面的稳定性对整机重心和控制的要求极为苛刻。而针对尾翼的取消，虽然旋桨差动可以促成偏航力矩，但是其效率在较高速巡航过程中并不乐观，并且还需要额外消耗电池能量。
已知的前后翼布局的倾转翼飞行器如空客公司的Vahana飞行器，平均的将八个牵引式动力单元和螺旋桨设置在前后翼的前缘。整体飞行状态的偏航控制主要还是通过旋桨差动来实现的。而其在机翼倾转过程中，从后翼旋桨平面出发所形成±5°射线平面所形成的高能转子威胁区域并未完全被设计规避，使之对驾驶舱、舱门甚至驾驶员形成较大的威胁。该飞行器重点关注在倾转翼飞行器垂直起降和过渡阶段的可行性，并未充分考虑相关机动性和安全性要求。
目前单翼倾转飞行器仍然以牵引式为主，并主要为上单翼，虽然在高能转子威胁范围规避方面有较大的调整裕度，但是其高置的主翼使其所搭载旋桨在垂直起飞状态高悬于整机之上，对于地效的利用率并不理想，也间接导致其起飞状态的能量功耗更大。
发明内容
本发明针对多旋翼、复合翼和倾转旋翼飞行器布局的效率不足之处，综合考虑传统多旋翼悬停性能和固定翼巡航效率各自在布局上的优势，提出了一种通过机翼和螺旋桨组合同步倾转以实现多旋翼飞行模式到固定翼高效巡航模式的飞行器布局，同时保留固定翼布局中所具备的尾翼功能及滑跑起降能力；而通过布局前牵引式和后推进式分布式动力于前后可倾转机翼，使得螺旋桨的高能转子的倾转路径上规避机身驾驶员或乘客的关键部位，并且前后动力点上下错位，可以减少前后旋桨的气动干扰，而多旋翼模式下旋桨动力与地面靠近，则进一步提高了地效带来的增益；各倾转部件的独立性所展现的类矢量控制能力则进一步提升所述飞行器在多旋翼模式和固定翼模式下的机动能力。
为实现上述目标和解决前面所描述的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种牵引-推进式倾转翼垂直起降载人飞行器，包括机身、起落架、可倾转前机翼、可倾转后机翼、尾翼、旋翼系统、旋翼环道；所述可倾转前机翼设置于所述机身前端两侧，所述可倾转后机翼搭置于机身上部两侧；所述旋翼系统包括设置于所述机身前端由所述可倾转前机翼所搭载的牵引式前螺旋桨，和设置于所述可倾转后机翼且分别位于所述机身两侧的推进式后螺旋桨；所述尾翼设置于所述机身尾部，所述机身具备容纳至少两名乘客及操纵系统的空间。
进一步的，所述可倾转前机翼及其所搭载的所述前螺旋桨、所述旋翼环道同步倾转，所述可倾转后机翼及其所搭载的所述后螺旋桨、所述旋翼环道同步倾转，构成四个相对独立倾转部件并形成一维类矢量控制单元。
进一步的，四个所述倾转部件可分别独立倾转，倾转范围为0-90度。
进一步的，所述前螺旋桨置于所述可倾转前机翼的前下方，形成牵引式动力布局；所述后螺旋桨置于所述可倾转后机翼的后上方，形成推进式动力布局。
进一步的，根据最大起飞重量对于翼展和旋桨拉力的实际设计要求，每个所述可倾转前机翼搭载的前螺旋桨以及每个所述可倾转后机翼搭载的后螺旋桨的数量为一个或多个。
进一步的，所述飞行器具有三种变化构型：当所述飞行器处于垂直起降状态，四个所述倾转部件均同时垂直于机身轴线，形成多旋翼构型；当所述飞行器处于巡航状态，四个所述倾转部件均同时固定于设计安装角度，近乎与机身轴向水平以形成固定翼构型；当所述飞行器处于短距起降状态，前端两个所述倾转部件按照具体性能需求在15到45度的倾转角度范围内同时倾转，后端两个所述倾转部件保持固定翼构型状态。
进一步的，所述飞行器通过协同倾转四个所述倾转部件，完成所述飞行器从多旋翼构型到固定翼构型的转换；在巡航到垂直降落过渡过程中，所述飞行器通过协同倾转四个所述倾转部件，完成所述飞行器从固定翼构型到多旋翼构型的转换。
进一步的，所述飞行器在多旋翼构型和固定翼构型实施机动过程中具有两种额外的能力：在多旋翼构型中实施高效机动过程中，四个所述倾转部件可分别倾转需求角度，与控制舵面形成类矢量高效姿态控制；在固定翼构型中实施高效机动过程中，前端两个所述倾转部件可分别倾转需求角度，实现鸭翼和类矢量动力组合式操纵，后端倾转部件保持固定翼模式并通过翼载舵面辅助控制参与修正。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用倾转翼布局相较于其它垂直起降布局如倾转旋翼和复合型而言具备更优的悬停效率；而与多旋翼布局相比，具备固定翼构型飞行模式的倾转翼布局具备更优的巡航效率；
（2）采用前端牵引式与后端推进式分布式动力布局方案相较于其它倾转翼布局而言，在规避高能转子威胁区域上具备更大的几何设计裕度并能进一步满足乘客上下飞行器的空间需求；
（3）多旋桨所构成的多点对称动力布局，使得飞行器在垂直起降和悬停状态均具有足够的俯仰和滚转平衡余度，同时提高了整机的安全冗余度；螺旋桨环道的应用增加了高能转子包容性，进一步提高了安全性及旋桨气动效率；
（4）尾翼的保留使得飞行器在固定翼构型模式下的整体姿态稳定性和操纵性上具有更大的灵活性，提高了飞机在倾转过渡阶段以及巡航过程的稳定性和操纵性，减少不必要的动力变化输出以达到节省能量的目的；
（5）所具备的短距起降能力提高了运行适应性和灵活性，并且可以通过该能力节省运行所需能量；
（6）各倾转部件的独立性确保了飞行器在多旋翼构型和固定翼构型模式下的高效机动性。
附图说明
图1是本发明全机布局固定翼构型巡航模式效果示意图，其中按照发明内容所述划分为四个独立的倾转部件，每个倾转部件中涵盖旋桨、环道、电机布局规划空间及其各自所搭载的可倾转机翼，其中在1和2号倾转部件中的螺旋桨提供牵引式动力，3和4号倾转部件中的螺旋桨提供推进式动力。
图2是垂直起降状态多旋翼构型示意图，其中四个倾转部件均垂直于机身纵轴线，在多旋翼模式下的机动过程中，四个倾转部件均具备独立倾转能力。
图3是短距起降示意图，其中1和2号倾转机构同步倾转至需求角度，自由度为15到45度。在短距起降构型下的机动过程中，1和2倾转部件可独立倾转，3和4倾转部件则保持固定翼模式。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种牵引推进式组合动力-倾转翼垂直起降载人飞行器，如图1-3所示，包括机身1、起落架2、可倾转前机翼3、可倾转后机翼4、尾翼5、旋翼系统6、旋翼环道7；可倾转前机翼3设置于机身1前端两侧且由倾转电机驱动，可倾转后机翼4设置于机身1后部机尾前部两侧且由倾转电机驱动；旋翼系统6包括设置于机身1前端由可倾转前机翼3所搭载的两个牵引式前螺旋桨，和设置于可倾转后机翼4且分别位于机身1两侧的两个推进式后螺旋桨；尾翼5设置于机身1尾部具备传统尾翼功能；所述机身具备容纳至少两名乘客及操纵系统的空间。
特别地，以置于机身1前端两侧的可倾转前机翼3及其所搭载的前螺旋桨和旋翼环道7，置于机身1上方两侧的可倾转后机翼4及其所搭载的后螺旋桨和旋翼环道7，构成四个相对独立的倾转部件。每个倾转部件内的机翼、螺旋桨和环道及其它装置保持同步倾转，相对安装角度固定。
特别地，以机身轴线为水平线，以沿翼展方向轴线为倾转轴线，四个倾转部件具备独立的倾转能力且倾转范围为0到90度。
特别地，四个独立的倾转部件中，其搭载的置于机身1前下方的前螺旋桨为牵引式动力，置于机身1后上方的后螺旋桨为推进式动力；且前螺旋桨设置于可倾转前机翼3的前下方，后螺旋桨设置于可倾转后机翼4的后下方，在倾转部件区域范围内，安置于可倾转前机翼3、可倾转后机翼4可倾转部分的螺旋桨数量可根据最大起飞重量对于翼展和旋桨拉力的需求设计为一个或多个，本发明以搭载单个螺旋桨及附属旋翼环道为例但不并不限于该例。该设计从其前后倾转路径而言，极大的规避了机身主主体部位以及驾驶员，故而从布局上而言可有效规避高能转子威胁。
特别地，四个独立的倾转部件中，其所包括的旋翼环道装置具有进一步提升旋桨气动效率的功能，并且由于旋桨为高能转子，旋翼环道将其包容于一个具体空间内，在旋桨失效飞出时可起到阻挡其对机身或周围设施的破坏。
四个倾转部件内的机翼部分具备气动舵面以达到参与不同构型状态的飞行器姿态的目的。如图1、2、3所示，飞行器具备巡航、垂直起降和短距起降的三种飞行器姿态皆基于四个倾转部件的倾转角度的设置。
针对巡航、垂直起降和短距起降的三种飞行器姿态，本发明所述的牵引推进式组合动力-倾转翼垂直起降飞行器，可形成三种变化构型，包括多旋翼构型、固定翼构型、以及短距起降构型。当飞行器处于垂直起降状态，四个倾转部件均同时垂直于机身轴线，形成多旋翼构型，并通过所述前后螺旋桨差动及所述前后翼控制舵面构成多旋翼飞行器飞行操纵模式；当飞行器处于巡航状态，四个倾转部件均同时固定于设计安装角度，近乎与机身轴向水平以形成固定翼构型，所述机翼控制舵面构成俯仰、滚转操纵模式，所述尾翼构成偏航、俯仰操纵模式；当飞行器处于短距起降状态，前端两个倾转机构按照具体性能需求在15到45度的倾转角度范围内同时倾转，后端两个倾转部件保持固定翼构型状态，形成短距起降构型。
特别的，在垂直起飞到巡航过渡过程中，所述飞行器通过协同倾转四个可倾转部件，完成飞行器从多旋翼构型到固定翼构型的转换；在巡航到垂直降落过渡过程中，所述飞行器通过协同倾转四个可倾转部件，完成飞行器从固定翼构型到多旋翼构型的转换。
特别的，所述飞行器在多旋翼构型和固定翼构型实施机动过程中具有两种额外的能力：在多旋翼构型中实施高效机动过程中，所述四个倾转部件可分别倾转需求角度，与控制舵面形成类矢量高效姿态控制；在固定翼构型中实施高效机动过程中，所述前端两个倾转部件可分别倾转需求角度，实现鸭翼和类矢量动力组合式操纵，后端倾转部件保持固定翼模式并通过翼载舵面辅助控制参与修正。
本发明所述飞行器的完整的工作状态为：当飞行器在地面处于静止状态时，根据运行任务要求可划分为如图2或图3所示的垂直起飞构型和短距起飞构型，并根据情况选择垂直起飞或短距滑跑起飞；当飞行器达到一定高度后，由上述两种起飞构型通过倾转四个倾转部件或倾转1和2倾转部件至巡航构型即固定翼飞行模式如图1所示，此时尾翼参与飞行器的姿态控制；当飞行器准备降落时，根据着陆点情况和能量消耗情况选择垂直起降构型如图2所示或者短距降落构型如图3所示，并通过四个倾转部件或1和2倾转部件倾转至所需要构型以完成降落。
本发明所述飞行器的机动操纵通过所述的四个独立的倾转部件中的螺旋桨差动、其所搭载的气动舵面和尾翼根据不同飞行模式组合完成。在多旋翼飞行模式下，四个独立倾转部件及其内部搭载于机翼上的气动舵面通过旋桨滑流参与飞行姿态控制，较大的机动动作可以通过分别操纵四个倾转部件的倾转角来完成。在固定翼飞行模式下，后翼的气动操纵主要依靠搭载于机翼上的气动舵面，前翼则具备气动舵面和整体倾转的类矢量控制能力以加大机动效率。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。通过本发明所示的布局和说明书中披露的新特征或任何新的组后及方法或过程的步骤或任何形式的新组合，都属于本申请的保护范围。
Claims (2)
1.一种牵引-推进式倾转翼垂直起降载人飞行器，其特征在于，包括机身、起落架、可倾转前机翼、可倾转后机翼、尾翼、旋翼系统、旋翼环道；所述可倾转前机翼设置于所述机身前端两侧，所述可倾转后机翼设置于机身后部机尾前部两侧；所述旋翼系统包括设置于所述机身前端由所述可倾转前机翼所搭载的牵引式前螺旋桨，和设置于所述可倾转后机翼且分别位于所述机身两侧的推进式后螺旋桨；所述尾翼设置于所述机身尾部,所述机身具备容纳至少两名乘客及操纵系统的空间；
所述可倾转前机翼及其所搭载的所述前螺旋桨、所述旋翼环道同步倾转，所述可倾转后机翼及其所搭载的所述后螺旋桨、所述旋翼环道同步倾转，构成四个独立的倾转部件；
四个所述倾转部件可分别独立倾转，倾转范围为0-90度，实现飞行器的类矢量控制；
所述前螺旋桨置于所述可倾转前机翼之前，形成牵引式动力布局；所述后螺旋桨置于所述可倾转后机翼之后，形成推进式动力布局；所述前螺旋桨和所述后螺旋桨在倾转路径上规避机身驾驶员或乘客的关键部位，并且前后动力点上下错位，减少前后旋桨的气动干扰，而多旋翼模式下旋桨动力与地面靠近，提高了地效带来的增益；
所述飞行器具有三种变化构型：当所述飞行器处于垂直起降状态，四个所述倾转部件均同时垂直于机身轴线，形成多旋翼构型；当所述飞行器处于巡航状态，四个所述倾转部件均同时固定于设计安装角度，近乎与机身轴向水平以形成固定翼构型；当所述飞行器处于短距起降状态，前端两个所述倾转部件按照具体性能需求在15到45度的倾转角度范围内同时倾转，后端两个所述倾转部件保持固定翼构型状态；
所述飞行器通过协同倾转四个所述倾转部件，完成所述飞行器从多旋翼构型到固定翼构型的转换；在巡航到垂直降落过渡过程中，所述飞行器通过协同倾转四个所述倾转部件，完成所述飞行器从固定翼构型到多旋翼构型的转换；
所述飞行器在多旋翼构型和固定翼构型实施机动过程中具有两种额外的能力：在多旋翼构型中实施高效机动过程中，四个所述倾转部件可分别倾转需求角度，与控制舵面形成类矢量高效姿态控制；在固定翼构型中实施高效机动过程中，前端两个所述倾转部件可分别倾转需求角度，实现鸭翼和类矢量动力组合式操纵，后端倾转部件保持固定翼模式并通过翼载舵面辅助控制参与修正。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，每个所述倾转部件中的螺旋桨及其旋翼环道所构成的动力系统根据最大起飞重量的需求设计为一个或多个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231016 Address after: Building 1-1, North of Building 1, New Starting Point Venture Capital Industrial Park, Changtang Town, Shangyu District, Shaoxing City, Zhejiang Province, 312300 Patentee after: Beifei Zhihang (Zhejiang) Technology Co.,Ltd. Address before: 100191 No. 37, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road Patentee before: BEIHANG University |
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