CN117022644B - 一种垂直起降飞行器及其飞行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直起降飞行器及其飞行方法，属于飞行器技术领域，包括：框翼，其包括合围形成矩形框架结构的上翼段、下翼段、左垂翼、右垂翼，左上翼侧、左下翼侧、右上翼侧、右下翼侧，所述上翼段和所述左垂翼通过左上翼侧连接，所述下翼段和所述左垂翼通过左下翼侧连接，所述上翼段和所述右垂翼通过右上翼侧连接，所述下翼段和所述右垂翼通过右下翼侧连接，所述框翼固定连接固定支架，所述上翼段和所述下翼段在所述框翼向前飞行时产生升力，所述左垂翼和所述右垂翼在所述框翼向前飞行时引起偏航方向稳定；本发明通过在框翼的固定支架上安装可转动的主舱体,并在上舱室底部安装转动盘，采用矢量推力，可以满足飞行器多方式飞行需求。
Description
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种垂直起降飞行器及其飞行方法。
背景技术
垂直起降飞机诞生于让飞机能突破跑道的限制、实现自由起落的革命性理念，垂直起降飞行器，在空中飞行或在陆地上行驶，从一辆公路汽车变身为一架飞机，因而垂直起降常常与垂直起降飞行器相结合。
现有的垂直起降飞行器设计简单，无法满足多方式的飞行及陆行需求。
发明内容
因此，本发明提出的一种垂直起降飞行器及其飞行方法。
一方面，为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种垂直起降飞行器，其包括：
框翼，其包括合围形成矩形框架结构的上翼段、下翼段、左垂翼和右垂翼，左上翼侧、左下翼侧、右上翼侧、右下翼侧，上翼段和左垂翼通过左上翼侧连接，下翼段和左垂翼通过左下翼侧连接，上翼段和右垂翼通过右上翼侧连接，下翼段和右垂翼通过右下翼侧连接，框翼固定连接固定支架，上翼段和下翼段在框翼向前飞行时产生升力，左垂翼和右垂翼在框翼向前飞行时引起偏航方向稳定；
推进机构，其连接在所述固定支架上，所述推进机构包括多个螺旋桨和/或多个涵道风扇，为所述框翼飞行提供动力；
主舱体，其安装在所述固定支架的中部；
多个车轮，其位于所述框翼的内部，所述车轮铰接在所述框翼上；
操控机构，其安装在所述主舱体内，所述操控机构电性连接所述推进机构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述推进机构包括12个螺旋桨和/或多个涵道风扇，12个螺旋桨和/或多个涵道风扇分布在所述固定支架的前后两端。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述主舱体由隔板划分为上舱室和下舱室，所述主舱体铰接在所述固定支架上。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述主舱体与所述固定支架通过转动轴连接，所述主舱体与所述固定支架之间还连接有机电机构，所述机电机构与所述操控机构电性连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述主舱体的两侧设置有连接支点，所述连接支点上设置有限位机构，所述限位机构与所述操控机构电性连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述上翼段和所述下翼段位于所述车轮处皆设有车轮壳，所述车轮壳外侧设置有遮罩板，所述遮罩板包括依次相邻排布的遮罩板前页、遮罩板中页和遮罩板后页。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述上翼段、所述下翼段、所述左垂翼和所述右垂翼上皆安装有保险杠。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述框翼的前端安装有保护罩。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述上翼段和所述左垂翼通过左上翼侧连接，所述下翼段和所述左垂翼通过左下翼侧连接，所述上翼段和所述右垂翼通过右上翼侧连接，所述上翼段和所述右垂翼通过右下翼侧连接。
另一方面，为了实现上述目的，本发明采用了如下方法：一种垂直起降飞行器的飞行方法，其包括如下步骤：
垂直起降飞行器行驶到起飞点，上舱室底部转盘(20)由汽车纵向向汽车飞行方向(X轴)转动90度，操作员和乘客随之转动，面朝飞行方向做好起飞前准备；
所述垂直起降飞行器垂直平稳上升到50-100米的安全高度，其中，所述垂直起降飞行器处于垂直定向飞行状态，使用电子速度控制器来单独控制每个所述螺旋桨的转速，从而产生差速推力，此刻，多个所述螺旋桨提供稳定的矩阵矢量推力，所述垂直起降飞行器垂直平稳上升到50-100米的安全高度，耗时约1分钟；
框翼向飞行方向逐步旋转0-90°，其中，所述电子速度控制器使靠近上翼段111的螺旋桨产生的推力R1大于靠近下翼段112的所述螺旋桨产生的推力R2，即R1>R2，从而带动框翼1绕主舱体2两连接支点7的连线，向飞行方向逐步旋转0-90°，框翼1转动的最大角度，取决于所述上翼段111和所述下翼段112产生的升力大小，当所述垂直起降飞行器能够保持水平飞行时，控制系统将停止转动，此间，所述垂直起降飞行器呈弧线上升；
所述垂直起降飞行器向前保持水平飞行，其中，升力由上翼段111及下翼段112产生，多个所述螺旋桨中的一部分，提供动力以确保所述垂直起降飞行器向前飞行。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，通过在框翼的固定支架上安装可转动的主舱体,在上舱室底部安装转动盘，并采用矢量推力,因而可以满足飞行器多方式飞行和陆行需求。
附图说明
图1为一种垂直起降飞行器的整体结构示意图。
图2为一种垂直起降飞行器的整体结构示意图。
图3为一种垂直起降飞行器中框翼的结构示意图。
图4为一种垂直起降飞行器中上下翼段的结构示意图。
图5为一种垂直起降飞行器中上舱室的结构示意图。
图6为一种垂直起降飞行器的控制框图。
图7为一种垂直起降飞行器的飞行方法的流程图。
图8为一种垂直起降飞行器的飞行方法的飞行过程示意图。
图例说明：
1、框翼；111、上翼段；112、下翼段；113、左垂翼；114、右垂翼；115、左上翼侧；116、左下翼侧；117、右上翼侧；118、右下翼侧；12、固定支架；13、推进机构；19、保险杠；2、主舱体；211、上舱室；212、下舱室；20、上舱室转动盘；21、中控台水平截面线；22、主舱体中心水平截面线；23、操控机构显示屏；24、方向盘；25、中控台；26、空调；27、上舱室转动盘圆心；3、车轮；31、顶面；32、底面；33、翼肋；34-36、纵梁；7、连接支点；9、车轮壳；10、遮罩板；101、遮罩板前页；102、遮罩板中页；103、遮罩板后页。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种垂直起降飞行器，包括：
框翼1，其包括合围形成矩形框架结构的上翼段111、下翼段112、左垂翼113、右垂翼114，左上翼侧115、左下翼侧116、右上翼侧117、右下翼侧118，所述上翼段111和所述左垂翼113通过左上翼侧115连接，所述下翼段112和所述左垂翼113通过左下翼侧116连接，所述上翼段111和所述右垂翼114通过右上翼侧117连接，所述下翼段112和所述右垂翼114通过右下翼侧118连接，所述框翼1固定连接固定支架12，所述上翼段111和所述下翼段112在所述框翼1向前飞行时产生升力，所述左垂翼113和所述右垂翼114在所述框翼1向前飞行时引起偏航方向稳定；
推进机构13，其连接在所述固定支架12上，所述推进机构13包括多个螺旋桨和/或多个涵道风扇，为所述框翼1飞行提供动力；
主舱体2，其安装在所述固定支架12的中部；
多个车轮3，其位于所述框翼1的内部，所述车轮3铰接在所述框翼1上；
操控机构，其安装在所述主舱体2内，所述操控机构电性连接所述推进机构13；
所述推进机构13包括12个螺旋桨和/或多个涵道风扇，12个螺旋桨和/或多个涵道风扇分布在所述固定支架12的前后两端，考虑到飞行器的长度不能过长，因而将12个螺旋桨和/或多个涵道风扇分为两层排布，可以是12个螺旋桨和/或多个涵道风扇分布6个在固定支架12的前端，另外6个分布在固定支架12的后端。
所述主舱体2是整体的，其由隔板划分为上舱室211和下舱室212，所述主舱体2铰接在所述固定支架12上，上舱室211上安装有小型雷达、导航、通信、飞控、航电系统等各种航空仪器仪表及空调内机等设备设施，上舱体体积占主舱体2体积的2/3，主要用于操控飞行器并可载物载人；飞行器为垂直起降飞行汽车时可载1-4人，飞行器为中小型VTOL飞行器则可载1-10人。下舱室212体积占主舱体2体积的1/3左右，主要用于安装电池或氢燃料电池及空调外挂机等设备；可根据飞行器的任务需求设计上舱室211和下舱室212的形状、大小，其形状可以是圆形、椭圆形、橄榄球形等。
上舱室211底部设有转动盘20，其上设置操控机构，包括操控机构显示屏23、方向盘24、中控台25和空调26，在转动盘20的支撑下，上舱室转动盘20与上述部件沿着上舱室转动盘圆心27转动，从而进行多方向观察和操控；各部件具体的位置关系，以及中控台水平截面线21和主舱体中心水平截面线22如图5中所示。
所述主舱体2与所述固定支架12通过转动轴连接，所述主舱体2与所述固定支架12之间还连接有机电机构(未示出)，所述机电机构与所述操控机构电性连接，操控人员可以通过操纵机构控制机电机构运转，从而保证主舱体2整体在转动轴(未示出)的支撑作用下稳定转动。
所述主舱体2的两侧设置有连接支点7，所述连接支点7上设置有限位机构(未示出)，所述限位机构与所述操控机构电性连接，操控人员可以通过操纵机构控制限位机构运转，使得限位机构限制主舱体2摆动，确保主舱体2的稳定和平衡，提高乘坐舒适性。为确保主舱体2与框翼1在连接支点7处安全稳固，加装多重安全保护装置，增加安全冗余度。例如，可于连接支点7处加装稳固扣，稳固扣可以是套筒状支点加固扣，以备极端情形下，在连接支点7处可能发生的脱离。
另外，主舱体2两侧可设置收纳仓，用于存放伸缩卷帘，所述伸缩卷帘可用于陆行状态及静止时保护螺旋桨不被污水、鸟粪、灰尘等侵蚀；飞行状态时，伸缩卷帘自动收纳，以便气流通过。
所述上翼段111和所述下翼段112位于所述车轮3处皆设有车轮壳9，所述车轮壳9为圆弧流线形，便于减小气流阻力。车轮壳9外侧设置有遮罩板10，所述遮罩板10包括依次相邻排布的遮罩板前页101、遮罩板中页102和遮罩板后页103。遮罩板前页101和遮罩板后页103，在陆地行驶时可根据转弯的方向只打开或关闭对应的遮罩板前页或后页；在飞行时全部处于关闭状态，以便确保上翼段111和所述下翼段112的完整性。
与传统汽车的转向系不同的是，四个车轮3可根据指令保持独立转动或一致转动，包括左右转向、前进后退、平移泊车等。可通过霍尔角度传感器将方向盘的机械运动信号转变为电信号。
由于通过控制各个螺旋桨或涵道风扇的转速来实现飞行器的转向和升降，因而在设计建造中无需设置升降舵和方向舵，使得框翼形成完整的整体，大大提高了飞行器的牢固性、稳定性，同时还便于在所述左垂翼113和所述右垂翼114上安装保险杠19，以提高陆行状态汽车行驶的安全性。
所述框翼1的前端安装有保护罩(未示出)，保护罩可以为网状复合材料，防止飞行中鸟类及其他异物撞击螺旋桨或涵道风扇，也可防止螺旋桨桨叶脱落伤害机体及乘员，保护罩应用宽度约为2厘米的条状复合材料片编织，一方面利于垂直起降飞行器在陆行或静止状态提升视觉冲击效果，另一方面便于飞行时空气流动。
所述上翼段111和所述左垂翼113通过左上翼侧115连接，所述下翼段112和所述左垂翼113通过左下翼侧116连接，所述上翼段111和所述右垂翼114通过右上翼侧117连接，所述下翼段112和所述右垂翼114通过右下翼侧118连接。上翼段111和下翼段112包括顶面31、底面32、多个翼肋33和至少三根纵梁(34、35、36)，三根纵梁(34、35、36)穿过多个翼肋33，顶面31和底面32包裹在翼肋33上。
需要注意的是，左垂翼113及右垂翼114，在沿与图3中垂直于纸面的深度方向上的宽度小于上翼段111与下翼段112在前述方向上的宽度，以便飞行器在地面行驶时，不易剐蹭或磕碰例如路肩等障碍物。
请参阅图6，计算设备负责接收来自传感器的数据，执行实现方法的步骤所需的处理，并与操控机构连接，用于接收飞行数据和操作员输入、执行方法的步骤并与操控机构交互的应用程序；计算设备与服务器通信，其执行所需的处理，计算设备是用户和处理服务器之间通信的中介。
计算设备可以包括显示器、屏幕/监视器、外壳、安装设备、输入设备、传感器和安全应用，外壳容纳计算机组件，其中一些不示出，例如处理器、存储器、电池、扬声器、收发器、麦克风、端口、插孔、连接器、摄像机、显示适配器、网络接口和大容量存储器。
使用过程中，垂直起降飞行器的飞行方式通常有2种，一种是短距离飞越障碍物，采取多旋翼矩阵矢量推力模式；另外一种是长距离飞行，采取多旋翼+倾转固定翼模式，下面主要介绍长距离飞行：
请参阅图7-8，本发明提供一种垂直起降飞行器的飞行方法，包括如下步骤：
S01起飞前准备阶段：垂直起降飞行器行驶到起飞点，上舱室底部转盘(20)由汽车纵向(Y轴)向汽车飞行方向(X轴)转动90度，操作员和乘客随之转动，面朝飞行方向(X轴)做好起飞前准备；
S02多旋翼垂直上升阶段(Ⅰ)，垂直起降飞行器垂直平稳上升到50-100米的安全高度，其中，垂直起降飞行器可以处于类似于无人机的垂直定向飞行状态，使用电子速度控制器ESC来单独控制每个螺旋桨的转速或推力，从而产生差速推力或差动推力，此刻，多个螺旋桨提供稳定的矩阵矢量推力，垂直起降飞行器上升到50-100米的安全高度，耗时约1分钟；
S03过渡飞行阶段(Ⅱ)，框翼1向飞行方向逐步旋转0-90°，其中，ESC使靠近上翼段111的螺旋桨产生的推力R1大于靠近下翼段112的螺旋桨产生的推力R2，即R1>R2，从而带动框翼1围绕主舱体2两个连接支点7连线，向飞行方向逐步旋转0-90°，框翼1转动的最大角度，取决于上翼段111和下翼段112产生的升力大小，当垂直起降飞行器能够保持水平飞行时，控制系统将停止其转动，此间，垂直起降飞行器呈弧线上升；
S04固定翼飞行阶段(Ⅲ)，垂直起降飞行器向前保持水平飞行，其中，升力由上下翼段产生，而不是由螺旋桨提供。12个螺旋桨中的一部分，将提供动力以确保垂直起降飞行器向前飞行；
贯穿S03-S04的飞行过程中，操控机构可根据传感器发送的外力(例如气流)信号自动调节主舱体2，使得其在连接支点7部位，发生自适应转动，以抵消风力等不利因素的全部或部分影响，从而提高主舱体2的稳定性。
飞行器的构型，采用多旋翼、多涵道风扇或倾转固定翼构型。在飞行过程中，主舱体2在重力和矢量推力R1、R2的作用下，始终保持陆行(水平)姿态不变，并不随框翼1的转动而转动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种垂直起降飞行器，其特征在于：包括：
框翼(1)，其包括合围形成矩形框架结构的上翼段(111)、下翼段(112)、左垂翼(113)、右垂翼(114)，左上翼侧(115)、左下翼侧(116)、右上翼侧(117)、右下翼侧(118)；所述上翼段(111)和所述左垂翼(113)通过左上翼侧(115)连接，所述下翼段(112)和所述左垂翼(113)通过左下翼侧(116)连接，所述上翼段(111)和所述右垂翼(114)通过右上翼侧(117)连接，所述下翼段(112)和所述右垂翼(114)通过右下翼侧(118)连接，所述框翼(1)固定连接固定支架(12)，所述上翼段(111)和所述下翼段(112)在所述框翼(1)向前飞行时产生升力，所述左垂翼(113)和所述右垂翼(114)在所述框翼(1)向前飞行时引起偏航方向稳定；
推进机构(13)，其连接在所述固定支架(12)上，所述推进机构(13)包括多个螺旋桨和/或多个涵道风扇，为所述框翼(1)飞行提供动力；
主舱体(2)，其安装在所述固定支架(12)的中部；
多个车轮(3)，其位于所述框翼(1)的内部，所述车轮(3)铰接在所述框翼(1)上；
操控机构，其安装在所述主舱体(2)内，所述操控机构电性连接所述推进机构(13)；
所述上翼段(111)和所述下翼段(112)位于所述车轮(3)处皆设有车轮壳(9)，所述车轮壳(9)外侧设置有遮罩板(10)，所述遮罩板(10)包括依次相邻排布的遮罩板前页(101)、遮罩板中页(102)和遮罩板后页(103)；
所述左垂翼(113)和所述右垂翼(114)上皆安装有保险杠(19)；
所述框翼(1)的前端安装有保护罩(30)；
所述上翼段(111)和所述左垂翼(113)通过左上翼侧(115)连接，所述下翼段(112)和所述左垂翼(113)通过左下翼侧(116)连接，所述上翼段(111)和所述右垂翼(114)通过右上翼侧(117)连接，所述上翼段(111)和所述右垂翼(114)通过右下翼侧(118)连接；
其中，所述主舱体(2)两侧可设置收纳仓，用于存放伸缩卷帘，所述伸缩卷帘可用于陆行状态及静止时保护螺旋桨不被污水、鸟粪、灰尘侵蚀；飞行状态时，所述伸缩卷帘自动收纳，以便气流通过。
2.根据权利要求1所述的一种垂直起降飞行器，其特征在于，所述推进机构(13)包括12个所述螺旋桨和/或多个所述涵道风扇，12个所述螺旋桨和/或多个所述涵道风扇分布在所述固定支架(12)的前后两端。
3.根据权利要求2所述的一种垂直起降飞行器，其特征在于，所述主舱体(2)由隔板划分为上舱室(211)和下舱室(212)，所述主舱体(2)铰接在所述固定支架(12)上。
4.根据权利要求3所述的一种垂直起降飞行器，其特征在于，所述主舱体(2)与所述固定支架(12)通过转动轴连接，所述主舱体(2)与所述固定支架(12)之间还连接有机电机构，所述机电机构与所述操控机构电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种垂直起降飞行器，其特征在于，所述主舱体(2)的两侧设置有连接支点(7)，所述连接支点(7)上设置有限位机构，所述限位机构与所述操控机构电性连接。
6.一种垂直起降飞行器的飞行方法，其特征在于，用于根据权利要求1-5所述的垂直起降飞行器，包括如下步骤：
垂直起降飞行器行驶到起飞点，上舱室底部转盘(20)由汽车纵向向汽车飞行方向(X轴)转动90度，操作员和乘客随之转动，面朝飞行方向做好起飞前准备；
所述垂直起降飞行器垂直平稳上升到50-100米的安全高度，其中，所述垂直起降飞行器处于垂直定向飞行状态，使用电子速度控制器来单独控制每个所述螺旋桨的转速，从而产生差速推力，此刻，多个所述螺旋桨提供稳定的矩阵矢量推力，所述垂直起降飞行器垂直平稳上升到50-100米的安全高度，耗时约1分钟；
所述框翼(1)向飞行方向逐步旋转0-90°，其中，所述电子速度控制器使靠近上翼段(111)的螺旋桨产生的推力R1大于靠近下翼段(112)的所述螺旋桨产生的推力R2，即R1>R2，从而带动框翼1绕主舱体2两连接支点(7)的连线，向飞行方向逐步旋转0-90°，框翼1转动的最大角度，取决于所述上翼段(111)和所述下翼段(112)产生的升力大小，当所述垂直起降飞行器能够保持水平飞行时，控制系统将停止转动，此间，所述垂直起降飞行器呈弧线上升；
所述垂直起降飞行器向前保持水平飞行，其中，升力由上翼段(111)及下翼段(112)产生，多个所述螺旋桨中的一部分，提供动力以确保所述垂直起降飞行器向前飞行。
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