CN1384793A - 飞机和操作飞机的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种飞机,它包括一个中心舱(1),该舱位于一个圆形翼(3)的中心。一些可旋转的电力驱动装置(101～112)设置在中心舱和圆形翼之间的一个间隙内。在停悬飞行中,驱动装置被旋转产生一个提升力。当飞机进入巡航飞行时,驱动装置被旋转,以便产生一个向前的推动力。飞机的飞行姿势和运动可以通过单独或共同地调节驱动装置的推力和枢转角来加以控制。由于其简单的设计,飞机是经济的,操作安全。同时,相对于其尺寸而言,它具有很高的净载重量。

Description

飞机和操作飞机的方法
对相关申请的引用
本申请要求1999年10月26日提交的瑞士专利申请1959/99，以及1999年11月30日提交的美国专利申请09/475325的优先权，这些申请的公开在这里全文被引用为参考文献。
技术领域
本发明涉及一个飞机以及对该飞机的操作方法，特别是涉及带有电动马达的飞机。
背景技术
现代飞机必须把高度安全性和经济性结合起来。进而，它们应当适合于各种各样的用途。
一个非常通用的概念是由VTOL(垂直起降)型飞机提供的，例如US 5 419 514所公开的那样。尽管在该领域中提出了各种设计方案，但是还没有一种能够提供特别是从安全和经济的角度出发满足现代商业飞行的要求的飞机。
发明内容
因此所要解决的问题是提供一种飞机和操作飞机的方法，所述飞机具有很高的安全性和经济性。
这一问题由独立权利要求来解决。
根据本发明，驱动器的动力由一个驱动一个发电机的内燃发动机产生。从发动机来的动力用于电操作的驱动装置，用来产生上升力和前进推力。这样，把重量和内燃发动机的能量积聚之间的良好比例和电动机的可靠性及快速响应性很好的结合起来。因为发动机只驱动一个发电机，其操作参数比起传统的飞机发动机来受到较少的影响，这会减少故障并提高效率。
有些驱动装置，或者最好全部驱动装置可以被单独地旋转，使得可以根据需要调节它们的推力。因为它们使用发电机而不使用内燃发动机，从而它们的可靠操作不会受到旋转运动的不良影响。驱动装置可以从一个垂直位置旋转到一个水平位置。在垂直位置，它们产生一个提升力，使飞机产生停悬飞行。在水平位置，它们产生一个向前的推力，用于飞机的巡航飞行。
驱动装置优选地被设计成导管风扇，它至少包括一个设置在一个管状壳体中的风扇或者涡轮。这种导管风扇可以达到很高的气流速度，提升噪音很低。
通过把驱动装置设置在一个圆周上，可以提供一个特别稳定并易于控制的结构。优选地，所述飞机包括一个中心舱和一个围绕舱设置的圆形翼。驱动装置设置在所述舱和所述圆形翼之间。其设计最好是高度对称的，在中心舱和圆形翼之间具有一个容纳驱动装置的间隙，因为这种飞机可以由数目少、且简单的单元组装而成。
在水平位置，驱动装置的推进轴应当设置在圆形翼的中心平面的上面，使得在其表面上的空气流增加，改善其提升力。
优选地，至少采用五个驱动装置，因为只使用四个驱动装置时，只缺少它们中的一个就会导致在绝大多数情况下就不能进行控制的结构。
同时，最好不把驱动装置设置在一条直线上，而最好是例如设置在一个圆周上，因为这种结构对于俯仰运动和翻滚运动可以进行空气的控制。这在停悬飞行到巡航飞行的转换过程中尤其重要，在这种情况下必须对基本上是俯仰的运动进行补偿。
该飞机可以在停悬飞行和巡航飞行中进行操作。在停悬飞行中驱动装置向下旋转，产生升力将飞机保持在空气中。在巡航飞行中，将驱动装置向后旋转以便产生向前的推力，其中，升力是由机身的外形在动力学上产生的。
飞机的飞行姿势，即，它的俯仰、翻滚、以及偏转，能通过旋转驱动装置和调整它们的推力来进行控制。
附图说明
随着下面的详细描述，对本发明将会更好地加以理解，同时除了上面所述的目的之外的其它目的将会变得更加清楚。这种描述将参照下面的附图进行，其中：
图1是在巡航飞行当中的本发明的实施例的主视图。
图2是图1所示的飞机在起飞位置时的剖视图。
图3是图2所示的飞机水平剖视图。
图4是一个带有可调节的排出口直径的驱动装置的部分剖视图。
具体实施方式
所述飞机的优选实施例的基本设计示于图1～3。它包括一个设置在一个中心圆盘2的中心的细长的中心舱1。一个圆形翼3同心地围绕着中心圆盘2设置。围绕中心圆盘2和舱1同心地设置一个环形间隙4。十二个驱动装置101～112沿圆形翼3的内侧设置在轮辐5之间。下面将详细描述这些驱动装置的设计和功能。
如图2和图3所示，本实施例的飞机提供两个驾驶员和六个乘客的座位。舱1还提供用于控制台10和入口11的空间。安装到舱1上的四个可伸展的腿12用于停放和滑行。
在中心圆盘2内于舱1的旁边设置两个内燃发动机14，每个内燃发动机驱动一个发电机15。发电机15提供用于对电力驱动的驱动装置101～112进行驱动的动力。发动机14和发电机15的大小使得即使当其中的一个发动机或者发电机出故障之后仍能提供足够的动力保证安全的着陆。
每个驱动装置包括一个电驱动的带有一个涡轮或风扇20以及一个电动机的导管风扇。涡轮或风扇20同轴地设置在一个管状导管22内。导管22可旋转地安装在两个臂24，25之间。导管风扇的旋转位置由一个电致动器在大于90°的范围内进行控制。特别是，驱动装置可以从图1所示的产生使飞机向前的推力的水平位置向产生提升推力的图2所示的垂直位置旋转。
如前面所提到的，所有驱动装置由发电机15供电，其中，每个驱动装置的动力都是由一个示意地表示的控制装置29独立控制的。控制装置29也可以独立地控制每个驱动装置的旋转位置。为此所需的全部控制信号都是根据驾驶员的飞行指令计算出来的。驾驶员不必操心每个独立部件的调节，只要指示他所关心的诸如俯仰、偏转，以及他的飞机的速度等参数即可。
该飞机可以在停悬和巡航飞行状态进行操作，同时可以在这两个状态之间安全地进行转换操作。
在停悬飞行中，以及在起飞和着陆过程中，驱动装置101-112进行旋转，产生一个向下的喷射气流30。这对应于图2所示的位置。以这种方式产生的提升力足够把满载的并装有油箱的飞机保持在停悬状态。
在停悬飞行中的飞机的飞行姿势和平移可以借助驱动装置101～112的功率及旋转角来调节。
为了调节提升力，所有驱动装置的功率可以同时增加或降低。飞机的翻滚优选地通过降低或增加横向驱动装置103，104，109，110的功率进行控制，俯仰则通过降低或增加前面和后面的驱动装置101，112，106，107来控制，偏转则通过反向地旋转横向驱动装置103，104，109，110来控制。
通过降低在一侧的驱动装置的推力可以使飞机横向倾斜，这将产生一个稍稍的转动，导致一个微小的横向推力。
例如，通过倾斜所有的驱动装置可以控制飞机的前进和后退运动。
在以高速进行巡航飞行时，所有驱动装置优选地平行于飞行方向F配置，如图1所示，它们产生一个指向后方的空气射流从而产生一个向前运动用的推力。提升力由飞机的空气动力学轮廓(圆形翼及舱)产生。
为了在巡航飞行中控制飞行姿势，调整旋转角以及/或者驱动装置的推力。不需要襟翼、方向舵或副翼。
在停悬和巡航飞行转换过程中，将驱动装置从图2和3所示的垂直位置转换到图1所示的水平位置。为此，所有的驱动装置例如可以同时并缓慢地旋转约90°，或者，也可以通过仅旋转一部分驱动装置而其它驱动装置仍然指向下方的状态下开始这种转换。
本实施例的飞机被设计成垂直着陆的。为了紧急着陆，在飞机上设置一个降落伞，它和大的翼的面积一起，足够制止飞机坠落。在紧急着陆时，弹簧减震的腿12提供一个压缩区(crumple zone)。
在驱动动力出现故障时，驱动装置仍然可以被旋转并被用作襟翼，使之能够进行滑翔。
图1～3所示的飞机的实施例，其外径约为8米，翼的面积大约为29m2。它可以用人造材料制造，其空机重量约2吨。最大起飞重量为3.6吨，其冗余发动机功率为2×1600匹马力，驱动装置的总功率为100kw。所述飞机可以很容易地按此比例制成不同的尺寸。
根据飞机的尺寸，可以改变驱动装置的数目。至少有五个，优选地至少有六个驱动装置。
由于飞机的高度对称性，并采用多个相同的驱动装置，从而简化它的生产以及备用件的管理，同时也简化其维修。与此同时，该飞机具有很高的稳定性。
在本实施例中，飞机的圆形翼3是完全圆形的。但是，也可以用几个直翼部分基本上沿切线方向围绕舱1制成一个圆环。或者所述翼具有椭圆形。在权利要求书中所述的“圆形翼”一词包括所有这些实施例。
也可以使用其它形式的翼，特别是可以使用三角翼。
本发明的飞机适合于客运或货运。由于它可以垂直起飞，它也可以用于空间受到限制时的情况。
由于采用几个电动机作为驱动装置，当外加的力变化时，飞机可以很快地响应，同时它也是很灵活的。进而，由于采用很多个驱动装置，所以每个单个的电动机相对较小，使得它们反应很快。
在停悬飞行时，飞机的速度非常小，而由驱动装置101～112所产生的推力则必须十分大。在巡航飞行中，飞机的速度很高，而其推力则可以小于停悬飞行时的推力。因此，优选地以这样的方式来设计驱动装置，使得它们提供用于停悬飞行的高的推力，而对于巡航飞行则提供一个高的空气喷射速度。
满足这种要求的驱动装置的优选实施例示于图4。如从图中可以看出的，驱动装置的空气出口40由多个导向板42形成，这些导向板被设置成形成一个扩口式开口。带有处于图4的位置的导向板42的出口的直径D，大于不带有导向板42的出口直径。典型地，带有导向板42的直径D例如为95cm，而不带导向板的直径为65cm。为了缩小出口直径，可以把导向板42退回到导管22内。因此，图4所示的带有伸展出的导向板42以及大的出口直径D的结构用于停悬飞行，而当导向板42被退回时则用于巡航飞行。
或者不将导向板42缩回到导管22内，可以将导向板42制成向驱动装置的轴旋转，从而不必使之缩回就可减小直径D。
用于减小驱动装置的出口直径的其它结构，例如关闭出口的一部分的光圈式结构或挡板，对于熟悉本领域的人员而言是公知的。
导向板42可以用专用的伺服马达驱动。但，优选地，它们的运动与驱动装置的旋转运动结合起来，使得当驱动装置从它们的垂直位置被旋转到它们的水平位置时，自动地减小直径。
或者，除了使用一个可调节的出口直径之外，可以调节涡轮或风扇20的桨角。该桨角在巡航飞行时增大，在停悬飞行时减小。
尽管这里表示并描述了本发明的优选实施例，但，应当清楚地理解，本发明并不局限于此，而是可以在下述权利要求的范围内以各种不同的方式加以实施和实行。

Claims (22)

1.一种飞机，包括：
一个中心舱(1)，
一个至少部分围绕所述舱延伸的翼(3)，
至少一个发电机(15)，用于产生电能，
至少一个发动机(14)，用于驱动所述发电机，以及
电驱动的驱动装置(101～112)，用于产生提升力和向前的推进力，其中，至少一部分驱动装置可以从一个垂直位置向一个水平位置旋转，以及，
用于分别调节至少一部分驱动装置(101～112)的功率的装置，
其中，在所述垂直位置，驱动装置(101～112)适合于产生一个足以提升起该飞机的重量的提升力，同时，其中，在所述水平位置，所述驱动装置适合于产生向前的推动力，而这时的所述提升力则是由所述舱(1)和所述翼(3)依照空气动力原理产生的。
2.如权利要求1所述的飞机，其中，至少一部分所述驱动装置是可独立旋转的。
3.如权利要求2所述的飞机，其中，每一个可旋转的驱动装置可围绕一个旋转轴旋转，其中，所述旋转轴相互平行并且垂直于所述飞机的前进方向。
4.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，所述驱动装置(101～112)由导管风扇构成。
5.如权利要求4所述的飞机，其中，导管风扇具有可变的出口直径。
6.如权利要求5所述的飞机，其中，导管风扇具有一个可缩回的扩口式的出口(40)。
7.如权利要求5或6所述的飞机，其中，所述出口直径通过将驱动装置从垂直位置旋转到水平位置而减小。
8.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，驱动装置(101～112)被设置在一个圆周上。
9.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，所述驱动装置(101～112)设置在舱(1)和所述翼(3)之间。
10.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，翼是一个圆形翼。
11.如前面任何一个权利要求所述的飞机，包括一个在舱(1)和翼(3)之间的基本上为环形的间隙(4)，其中，驱动装置(101～112)设置在该间隙内。
12.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，可旋转的驱动装置的推力轴可被旋转到一个水平位置，在该处，驱动装置产生前进推力，其中，在水平位置处，推力轴位于翼(3)的中心平面的上方。
13.如前面任何一个权利要求所述的飞机，包括至少五个驱动装置(101～112)。
14.如前面任何一个权利要求所述的飞机，包括至少六个驱动装置(101～112)。
15.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，每个驱动装置(101～112)包括一个具有可调整桨角的风扇。
16.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，全部所述驱动装置(101～112)基本上都是一样的。
17.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，所述驱动装置的每一个都包括一个电动机。
18.如前面任何一个权利要求所述的飞机，其中，所述驱动装置不设置在一条直线上，以便控制飞机的俯仰及翻滚。
19.一种特别是根据前面任何一个权利要求所述的飞机，包括：
一个中心舱(1)，
一个至少部分围绕所述舱延伸的翼(3)，
至少一个用于产生电能的发电机(15)，
至少一个用于驱动所述发电机(15)的发动机(14)，以及
在舱(1)和翼(3)之间设置的电力驱动的驱动装置(101～112)，用于产生提升力和推动力，其中，至少一部分驱动装置可以从垂直位置向水平位置旋转。
20.一种操作飞机的方法，所述飞机包括至少一个用于产生电能的发电机(15)，至少一个用于驱动该发电机的发动机(14)，以及用于产生提升力和前进推动力的可旋转的电驱动驱动装置(101～112)，其中，每一个驱动装置具有一个推力轴，所述方法包括以下步骤：
将所述驱动装置(101～112)的所述推力轴向下调整以便产生提升飞机重量的提升力，使之停悬飞行，以及
将所述驱动装置的所述推动轴调整成水平以便产生用于巡航飞行的前进推动力，其中，在所述巡航飞行中，其提升力由所述飞机的空气动力学轮廓产生，
其中，在停悬飞行中，飞机的飞行姿势只通过倾斜驱动装置并调整驱动装置的推进力来进行控制。
21.尤其是权利要求20所述的操作飞机的方法，所述飞机包括至少一个用于产生电能的发电机(15)，至少一个用于驱动发电机的发动机(14)，以及动电驱动的可旋转的驱动装置(101～112)产生空气喷射流，以便产生提升力和向前的推进力，其中，每个驱动装置具有一个推力轴，所述方法包括以下步骤：
向下调整所述驱动装置(101～112)的所述推力轴，以便产生提升力，用于提升飞机的重量进行停悬飞行，以及
将所述驱动装置(101～112)的所述推力轴调整成水平，以便产生向前的推动力进行巡航飞行，其中，在所述巡航飞行中，提升力由所述飞机的空气动力学轮廓产生，
其中，在巡航飞行时，驱动装置的排出空气的速度被调整得大于停悬飞行时的空气排出速度，其调整方式为，减小至少一部分驱动装置的出口直径，或者增大至少某些驱动装置的风扇的桨角。
22.如权利要求19或20所述的方法，其中，仅仅通过倾斜驱动装置和调整驱动装置的推动力来控制飞机的飞行姿势。
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