CN116635298A - 具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器 - Google Patents

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Abstract

本申请主要涉及一种由呈翼型形状的机身(02)和四个具有相同翼型形状的机翼(10)组成的固定翼飞行器，其气动机翼特性有助于飞行器升力和减小飞行器阻力，使得飞行器具有更大的有效载荷和更长的航程。

Description

具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器
技术领域
多年来，飞机制造商更倾向于固定翼、单发或双发飞机，因为这些飞机制造相对简单且经济，从而降低了运行成本。
垂直起降飞行器被称为"垂直起降(VTOL)"机器，但其动力相对较高，导致高耗能、低速度和飞行范围小。
在VTOL方面，直升机一直主导市场，原因在于其在发展历程中所占据的一系列优势和机遇。甚至航空工业的政治问题以及客户需求都将直升机视为短距离移动和垂直起降的工具。
因此，本发明涉及一种应用于飞机的创新技术，其机身与机翼相融合的配置(Blended Wing Body)是基于飞机气动设计中定义的机翼模型及其飞行条件。机翼和机身的形状都是基于一个独特的配置，该配置是以相应的翼型为基础。因此，机身具有机翼的气动特性，有助于提供升力并最小化飞机的阻力。
本发明采用的配置为四发式，其四翼各端分别安装一套旋翼系统。每个组合可在水平位置和垂直位置之间纵向旋转，可以是电动式(导管风扇)或涡轮螺旋桨、喷气式，可以有人也可以无人驾驶。
这些推进器可以集体或独立改变其牵引力，以及旋转，以改变飞机的飞行速度和运动：纵向，俯仰(pitch)，航向，偏航(yaw)和侧向，滚转(roll)，围绕飞机轴线系统，实现垂直起降，悬浮(或滑翔)以及水平飞行。
前两个和后两个推进器都具有独立或集体的纵向转动能力。这对于飞行控制非常重要，因为这里设计的飞机没有稳定和控制的移动表面。整个飞机的控制基于四个推进器的矢量和旋转，这将在后面进一步解释。
本发明涉及一种具有固定翼、垂直起降的飞行器，可以有人也可以无人驾驶，可执行多种任务，包括区域监测、航空摄影测量、农业、快递和搜索等。
它具有混合型飞行器的特点，因为它具备VTOL功能，可以远程操控，具有无人机特性，同时允许水平飞行、巡航、长距离飞行、悬停、垂直起降等。它既具有VTOL无人机的特点，也具有直升机以及固定翼飞机的特点，后者由于翼的升力可以最大限度地减少推进力，从而在一定速度下克服阻力长距离飞行。
它具有将四翼与机身集成的独特结构，根据该项目的航空翼型进行配置，从而优化气动系数。简而言之，这种飞机具有灵活性：可以垂直或水平起降，节省燃料；可短距离滑行，使用推进器垂直慢速飞行，或在相同条件下，进行倒飞。此外，它还能像固定翼飞机一样正常水平飞行，由四个推进器的牵引力驱动。
现有技术
美国专利US 7159817，分布式推力和控制的垂直起降(VTOL)飞行器，展示了一种具有垂直起降(VTOL)推进系统的飞行器。飞机包括机身、VTOL推进系统、至少一个前部推进器、用于VTOL推进系统和前部推进器的电源、前后机翼以及覆盖两翼之间空间的一系列附加纵梁。VTOL推进系统包含多个VTOL单元(包括发动机、发动机控制器和螺旋桨)，并沿着每个纵梁以间隔分布的方式固定。VTOL单元仅用于垂直飞行或悬停，随着飞机向前飞行速度的增加和相应的机翼升力，它们将被关闭。在向前飞行过程中，VTOL螺旋桨可进行关节操作，使飞机具有低阻力配置。本发明适用于任何规模的有人或无人驾驶飞机。
美国专利US 7159817 B2，具有三翼和六个可倾斜推进单元的VTOL飞机，展示了一种具有至少三个机翼和至少六个推进单元的飞机，每个推进单元从相邻的两个推进单元径向排布，呈相等或基本相等的角度。从上面看时，至少六个推进单元共同位于飞机接近重心周围的对称或者基本对称位置。可以选择使用或不使用垂直稳定器。若不使用垂直稳定器，可通过使用至少六个推进单元的差动推力来实现水平飞行过程中的偏航控制。垂直飞行过程中的偏航控制可由多个偏航控制面板提供。若无偏航控制面板，垂直飞行过程中的偏航控制可通过使用差动倾斜推进单元角度来实现。
现有技术的不足之处
众所周知，VTOL飞行器的一大缺点是在进行水平飞行时，由于没有机翼，需要大量动力才能保持在空中，从而减少了这类飞机的航程。
另一方面，固定翼飞机在水平飞行时能最大限度地减少燃料消耗，但不能实现垂直起降。此外，这些飞机的机身很多时候对飞行性能贡献甚微，也是产生阻力的主要原因。
其他具有水平飞行能力的VTOL飞机方案拥有两个独立的推进系统，一个用于VTOL功能，另一个用于水平飞行，这会导致飞机重量增加、成本上升、续航能力降低以及载荷能力减少，因为在大部分飞行过程中，其中一个推进系统将处于闲置状态，仅仅增加了飞机的重量。
还有一些具备固定翼的VTOL飞机方案，在有水平飞行能力的同时使用了常见于航空领域的传统机身，而没有充分利用具有航空气动力学翼型结构的降低阻力及产生升力的优势。
此外，还有一些方案使用传统的控制面来实现飞机的机动性，这会增加飞机的成本、重量和复杂性，并降低其可靠性，因为活动部件的数量较多。
发明内容
如今，随着制造技术的进步、更好的推进器、电池和更优越的电子控制系统，具备四个马达推进器的VTOL型飞行器(带有机翼)变得越来越具有吸引力，因为它们结合了许多显著优势：垂直起降能力、滑翔、倒飞、更高的水平速度以及，与无机翼的VTOL飞行器相比，有更多的飞行航程。
目前的飞机模型符合技术创新的标准，具有两个主要的飞行动力学优势：VTOL起飞与更多的航程和速度相结合。
这里提出的飞机是一种新颖的概念，其机身与机翼集成在一起，根据飞行气动力学翼型进行设计，正如我们将在本文档后面看到的那样。此决定机身轮廓的气动力翼型是根据飞机性能的规格来选择的。
因此，这是一种具有直升机和固定翼飞机飞行特性的混合型飞机，也就是说，它具有利用四个推进器在垂直位置产生的空气浮力飞行或将其改为水平位置飞行的能力。
具有固定翼的飞机通过上下翼表面之间压差产生的空气浮力飞行，这种压差是由气动力学翼型产生的。在这种空气动力学配置中，机翼不仅有助于在最小阻力下增加升力，而且具有相同轮廓的机身也为所提出的飞行器带来了比同类飞行器更多的优势。安全性是另一个关键因素，因此在本发明中，机翼和机身产生的高升力是一个突出的项目。
当飞机处于垂直起飞和着陆状态时，旋翼轴垂直于地面，使飞机像直升机一样飞行，并可以执行所有特有的机动。
当达到预定的飞行高度和速度时，旋翼轴可以向前倾斜，呈水平状态，然后变为将飞机水平向前拉动的推进器。在这种固定翼和水平推进器的状态下，飞机可以以较高速度飞行，达到更远的距离，因为与低阻力相结合的升力最大程度地减少了推进器的负担。
传统上，飞机的机身通常是由一个圆筒或类似的几何形状构成的，例如椭圆体，带有双翼(鸭翼或前后翼组合)或者三翼(单翼)。在所提议的模型中，机身是基于适当的航空翼型设计的，这种设计与机翼一起组成了适合于横向飞行的空气动力学配置，从而减少了推进力的需求。
飞机的中心线是根据项目中定义的翼型设计的。这种形状一直延伸到机翼的尖端，形成一个由相同翼型生成的单一结构。此外，由于机身和机翼都是由翼型定义的，所以有效地减少了阻力，从而在水平飞行过程中显著节省了燃料的消耗。
由于结构更加坚固，因此可以在更严酷的条件下使用，因为它不具有移动的飞行控制表面，而且其结构配置允许滑翔，更加安全。
附图说明
为了更好地理解本发明的特点并根据其优选实践实现，本描述附有一组图纸，这些图纸以示例性但不限制性的方式展示了以下内容：
图1-展示了基于翼型生成的飞机模型配置。
图2-展示了飞机的推进器处于垂直位置。
图3-展示了飞机的推进器处于垂直位置。
图4-展示了飞机主要组件的细节。
图5-展示了飞机传动系统的示意图。
图6-展示了飞机指挥和控制系统的示意图。
图7-展示了推进器的旋转方向。
图8-展示了一个翼型。
图9-展示了飞机的推进器处于倾斜位置(倾斜推进)。
具体实施方式
因此，本发明涉及一种如图2所示的混合动力飞行器，具有垂直起降(VTOL)功能，通过集成固定翼(10)和相应的推进器(35)来设计机身(02)，可垂直升降操作飞行器，能悬停、进行水平巡航飞行，然后返回垂直飞行以垂直降落。由于其多功能性，该飞行器还可以在短距离跑道(STOL-Short Take-off and Landing)上起飞和降落。此种选择能在起飞和降落过程中减少燃料消耗。
在垂直飞行过程中，推进器(35)被垂直定向以进行垂直起飞(图2)。当进行水平巡航飞行时，飞行器可以将其推进器(35)置于水平位置(图3)。飞行器还能在低速滑翔飞行中，将推进器(35)保持垂直或稍微倾斜的位置(图9)。
推进器(35)被放置在机翼(10)的末端，该飞行器没有控制表面，从而使其在空气动力学上更为高效，最大程度地减小了阻力。
相应的推进器(35)可独立操作，以产生联合或差动推力，使用旋转和/或翻转控制，以实现俯仰、偏航及滚转等机动，以及垂直位移。
本发明的飞行器专利还包括四个子系统，分别由：图1所示的航空气动翼型的机身(02)，机翼组件(10)，推进器组件(35)和飞行指挥和控制系统(41，图6)组成。
飞机的机头(01)，即机身前部，是由构成机身的气动翼前缘(94)相接的三维形状；而机尾(05)，即机身后部，则由构成机身(02)的这些气动翼后缘(98)的三维形状定义。
在机身(02)内部，安装有四个相同的电机(30)用于控制推进器(35)的旋转，及电池(40)和其他必要的机械和附件以进行飞行。
根据图5，前翼(10a和10b)安装在机身(02)左右两侧，这个位置是根据基本气动力学计算得出的。同样根据图5，在机身(02)后端，设有后翼(10c和10d)，它们与传统固定翼飞机略有不同，因为其混合特性要求它们有更大的面积以稳定VTOL和水平飞行两种状态的飞机。每个翼都有自己的推进器(35)和扭矩传动系统。
此外，飞机还配备了两个垂直稳定器(06)和(07)，以鳍状设计安装在机身(02)上部，以便在水平飞行时更好地进行侧向稳定。
内部结构可容纳四个电机(30)，每个推进器(35)各一个；驱动器(42)，负责控制推进器(35)旋转的精密电机(30)；电池组(40)或燃料箱(用于喷气推进)和其他附件。
顶部设有两个盖板：一个较小的后盖板(04)，用于检查后部附件；一个较大的前盖板(03)，用于检查前部附件和放置有效载荷。这两个盖板都易于操作。起落架系统，由一个前起落架和两个后起落架组成，使飞机可以进行VTOL或STOL降落。
本方案包括一个由机身(02)与固定翼(10)相结合的空中飞行器，前翼组(10a和10b)和后翼组(10c和10d)组成，以及机尾(05)，由构成机身(02)的剖面的尾缘(98)勾勒出的轮廓。这些机翼是由轻盈且耐用的材料制成，其结构经过传统的设计和制造，以满足飞行项目的要求。
主梁(33)贯穿每个机翼的传动轴(34)，该传动轴将机身内(02)每个机翼上精密旋转电机(30)产生的扭矩传递到相应的推进器(35)。每个电机(30)由其相应的驱动器(42)独立控制，响应飞行控制中心(41)的指令。整个电气系统由一组电池(40)供电。
传动轴(34)负责将精确的转矩传递给各自的推进器，位于每个翼的纵梁(33)内部，以满足翼端的相应推进器(35)和位于飞机机身(02)的电机(30)。
这是一个由位于每个翼的纵梁(33)上的传动轴(34)枢纽支撑的机制，通过轴承(32)支撑以实现无摩擦力的旋转。因此，推进器(35)具有纵向旋转能力，以满足飞行控制中心(41)定义的飞行类型所需姿态变化。联接系统(31)确保传动轴(34)与相应的电机(30)连接。
推进系统如图04、05和06所示，包括由四个推进器单元(35)组成的推进组合。为了消除由推进器旋转产生的扭矩，以提高飞机的稳定性，右侧的推进器与左侧推进器的旋转方向相反，以抵消翼尖涡旋的气动效应。由飞行控制中心(41)控制的每个推进器(30)旋转调整，可产生同时或独立的所需牵引力。
如图02所示，在起飞和着陆过程中，四个推进器(35)处于垂直位置，对应于克服重力(起飞)所需的牵引力，或者较小(着陆的情况)，或等于重力(滑翔所需条件)的力，所有推进器的牵引力由飞行控制中心确定。推进器(35)还能执行反推操作，即飞机可倒飞，推进器的角度超过90度。
飞行控制中心(41)控制四台电机(30)和推进器(35)的牵引力。由电机(30)驱动的旋转控制可以独立进行，这允许推进器(35)进行单独、两两(左右)或同时精确定位，从而提高稳定性和姿态，尤其是在滚转过程中。此外，飞行控制中心(41)单独或组合(两两)或同时控制推进器(35)的牵引力，使飞机可以执行预定的机动和飞行。
飞行控制中心(41)负责整个飞机的起飞、降落、滑翔及飞行操作，包括导航和控制系统，如陀螺仪与加速度计，完成飞机的任务和飞行稳定性，即飞机的速度、执行转弯及三轴坐标(偏航、俯仰和滚转)的稳定性。
本发明的一个特点是，没有通过可动表面进行控制，机翼是固定的，没有可移动的控制表面。该控制系统通过控制四个推进器(35)的牵引力，以集体或单独的方式操作，并以独立的方式单独或者同时控制这四个推进器(35)的旋转位置。因此，在垂直和水平飞行过程中，通过飞行控制中心(41)集体或单独控制每个推进器的牵引力和旋转位置，提供偏航、俯仰和滚转控制。
本专利中所述的飞行器能执行各种不同类型的机动。在水平巡航飞行过程中，飞行控制中心(41)将四个推进器(35)同时设置为水平牵引和位置，以足够且有效地克服飞机的阻力，达到所需速度。
当本发明付诸实践时，可在某些构造和形式细节方面进行修改，不影响明确体现权利要求范围内的基本原则。因此，应理解所使用的术语是为了描述而非限制。

Claims (7)

1.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是
机身(02)与固定机翼一体成型，基于航空气动翼型生成轮廓，前机翼(10a和10b)和后机翼(10c和10d)安装在机身(02)两侧，根据项目的基本条件和特征进行定位。
2.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是
一种混合飞行器，机身(02)由航空气动翼型塑造而成，包括四个固定机翼，具有垂直起降(VTOL)或短跑道起降(STOL)，滑翔，垂直、前进和倒飞以及水平飞行能力；并且不具备移动式空气动力学飞行控制表面，如副翼、升降舵、方向舵和襟翼。
3.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是
推进器(35)能独立旋转、倾斜，并集体或单独施加牵引力，允许在俯仰(pitch)、航向、偏航(yaw)和横向上调整姿态，绕飞机轴系进行滚转(roll)，以及垂直起降、滑翔(或平飞)与水平飞行。
4.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是
不具备可移动的飞行控制表面，所有的机动都是通过安装在机翼末端的推进器来实现。
5.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是推进器以与左侧推进器相反的方向旋转，以抵消其旋转产生的扭矩效应和翼尖涡旋效应。
6.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是具有四个
精密旋转电机(30)用于独立地控制及定位推进器，每台电机通过传动轴机构(34)连接到相应的推进器(35)，每台精密旋转电机(30)都有相应的驱动器(42)，由飞行控制中心(41)进行控制。
7.具机身和机翼集成在气动翼型中的垂直起降飞行器，其技术
背景预示了一种具有四个推进器的垂直起降飞机，其特点是具有一套起落架组，如所述，允许垂直起降(VTOL)以及短跑道起降(STOL)。
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