CN205440867U - 一种可倾转机翼飞机 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种可倾转机翼飞机，包括一机身，其特征在于，所述可倾转机翼飞机进一步包括：一串列机翼，沿所述机身方向纵向布置，所述串列机翼的每一左、右侧机翼各包括一机翼主体；至少一机翼倾转机构，设置在所述机身内，用于分别控制所述串列机翼的左、右侧机翼相对所述机身倾转任意角度；若干螺旋桨及若干螺旋桨驱动机构，对称设置在所述串列机翼的两侧机翼上，所述各螺旋桨驱动机构驱动各所述螺旋桨；若干垂直舵面与水平舵面，对称设置在所述左、右侧机翼的螺旋桨处。相比已有的飞机或者设计方案，布局更加简洁，垂直起飞以及向平飞的过渡更加稳定，气动效率更高，可靠性与安全性更高。

Description

一种可倾转机翼飞机

技术领域

本实用新型涉及飞行器领域，特别涉及一种可倾转机翼飞机。

背景技术

通过倾转旋翼改变升力方向是固定翼飞机实现垂直起降最常用的方式，美国的鱼鹰更是第一款投入实用的倾转旋翼机。生产方波音公司提到该飞机由于机翼的遮蔽而在垂直起飞时损失了10％的升力，但倾转旋翼比倾转机翼有更好的短距起飞和着陆性能。贝尔公司推出了一款和V-22类似布局的倾转旋翼机Augsta-609。截至专利申请日，仅有美国的V-22，Augusta-609等少数量产机型实现了从垂直起飞到平飞的稳定转换，而且V-22服役至今事故频发。所采用的化石燃料发动机油门响应较慢，较难满足垂直起飞尤其是向平飞转换中的控制要求，严重影响了倾转旋翼/机翼飞机的可靠性与安全性。

由于现代传感器以及集成电路技术的发展，具有至少3个以上旋翼的电动飞行器，一般称为多轴飞行器，最近得到了空前的发展。这类飞行器构造简单，单纯依靠旋翼提供升力，并且通过调整各个旋翼的转速可轻易实现垂直起飞，悬停以及平飞等动作。但此类飞机的缺点在于对动力输出功率要求很高，飞行速度低，飞行时间短。

相比只有两个旋翼的V-22，串列机翼布局可以采用更多的旋翼提供升力，更容易实现稳定的垂直起飞。中国直升机研究所推出了一款名为“蓝鲸”的四倾转旋翼飞机布局，机翼采用串列布局，机翼和机身固连，翼尖的旋翼可以倾转以实现垂直起降和水平飞行。中国专利公开号CN203094442U也提出了非常类似的布局。这类布局的缺点在于在垂直起飞阶段，机翼的遮蔽会造成较大的旋翼拉力损失。

和倾转旋翼方案相比，倾转机翼方案可以提高螺旋桨的效率。美国航空航天局1966年3月17号首飞了全世界第一款串列可倾转机翼的垂直起降飞行器X-22，其动力采用了涵道风扇设计。由于未能达到预定的速度要求，该项目最终终止。

美国航空航天局2014年公布了一款垂直起降的电动飞机方案，采用了常规的机翼尾翼布局，两者上都设置有螺旋桨，且都可倾转，以实现垂直起降和平飞。在该布局中，升力主要由机翼提供，尾翼的螺旋桨主要起到平衡作用。由于采用多达10个分布式布置的螺旋桨，对机翼在低速时的升力提升明显，但缺点是在平飞时尾翼要提供向下的配平升力，不如串列机翼的气动效率更高。

中国专利公开号CN203714177U名称为“一种串列式倾转翼飞机”中提到了一种串列可倾转机翼的飞机，其主要特点是设计了贯穿机身的主翼梁轴，该梁轴上有蜗轮，通过蜗杆传动可实现机翼的0-90度的转动。机翼通过翼根钢板和加强筋与主翼梁轴相连。该专利中在每个机翼的中部设置一台发动机和螺旋桨，没有采用副翼等控制面。其缺点是在平飞状态下无法实现对飞机转弯等基本动作的有效控制。钢制的翼根钢板和主翼梁轴的连接方案效率很低，结构重量过大。会严重影响飞机的飞行性能。

中国专利公开号CN203332392U可倾转固定翼无人机提出了一种倾转机翼的无人机，机身两侧设置两对机翼，机翼中部布置电机和螺旋桨，机身尾部设置尾翼。对于串列倾转机翼飞机，尾翼的功能可以通过机翼和活动舵面的的倾转来实现。该专利机身尾部的水平尾翼和垂尾额外增加了飞机的重量和阻力。在悬停或者低速飞行状态下，流经尾翼的气流速度过低，尾翼因此不具备有效的操控能力。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种垂直起降并以固定翼模式水平飞行的可倾转机翼飞机，相比已有的飞机或者设计方案，布局更加简洁，垂直起飞以及向平飞的过渡更加稳定，气动效率更高，可靠性与安全性更高。

为了实现上述发明目的，本实用新型的提供了一种可倾转机翼飞机，包括一机身，其特征在于，所述可倾转机翼飞机进一步包括：

一串列机翼，沿所述机身方向纵向布置，所述串列机翼的每一左、右侧机翼各包括一机翼主体；至少一机翼倾转机构，设置在所述机身内，用于分别控制所述串列机翼的左、右侧机翼相对所述机身倾转任意角度；若干螺旋桨及若干螺旋桨驱动机构，对称设置在所述串列机翼的两侧机翼上，所述各螺旋桨驱动机构驱动各所述螺旋桨；若干垂直舵面，对称设置在所述左、右侧机翼的螺旋桨处。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述机翼倾转机构进一步包括：纵向贯穿所述机身的第一中央主梁，第一驱动部和第一转动部，所述第一中央主梁与所述左、右侧机翼的主梁可拆卸固定连接，所述第一驱动部控制所述第一转动部通过所述第一中央主梁带动所述左、右侧主梁转动，使所述左、右侧机翼相对所述机身倾转；其中，设置在所述机翼主体上的主承力结构包括一主梁和一后梁。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述机翼倾转机构进一步包括：第一中央主梁和第二中央主梁，纵向贯穿于所述机身内纵向并排布置的第一、第二底座上，所述第一中央主梁与所述左侧机翼的主梁可拆卸固定连接，第一驱动部控制第一转动部通过所述第一中央主梁带动所述左侧主梁使所述左侧机翼相对所述机身倾转，所述第二中央主梁与右侧机翼的主梁可拆卸固定连接，第二驱动部控制第二转动部通过所述第二中央主梁带动所述右侧主梁使所述右侧机翼相对所述机身倾转；其中，设置在所述机翼主体上的主承力结构包括一主梁和一后梁。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述主梁的截面为中空圆形或带圆角的矩形，所述第一、第二中央主梁套设在所述主梁的中空部分并一体固定连接。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述第一、第二中央主梁与所述主梁的固定连接包括销轴、螺栓、胶接、联轴器中的任何一种或者其组合。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述串列机翼的每侧机翼进一步包括：一机翼主体，包括机翼前缘、机翼后缘，以及相对所述机身横向设置的若干翼肋。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述可倾转机翼飞机进一步包括：

若干水平舵面，对称设置在所述前、后机翼的左、右侧展机翼上，其中，所述水平舵面贯穿整个侧展机翼的滑流区域，所述若干垂直舵面设置在该侧机翼近外侧的螺旋桨处。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述第一、第二中央主梁和所述主梁采用纤维增强复合材料整体结构。

比较好的是，本实用新型提供的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述转动部进一步包括两个转动轮啮合组成，其中一个转动轮由所述驱动部驱动带动套设在所述中央主梁上的另一转动轮转动。

本实用新型的可倾转机翼飞机，采用上述技术方案，可取得的有益效果包括：

(1)可垂直起降，两对可倾转机翼以及机翼上可布置多台螺旋桨的方案，更易于保证飞机的稳定以及垂直-平飞过渡阶段的安全性；

(2)操纵灵活，在城市等复杂环境中，空气流动紊乱，通过对螺旋桨转速、机翼转角和操纵面偏角的全面控制，可对气流扰动做出快速响应，保证飞行安全

(3)位于螺旋桨滑流区域的垂直舵面，在低速平飞时具有很高的操纵效率；

(4)在悬停状态下，垂直舵面可有效补偿侧风等带来的影响，有助于飞机定点稳定悬停；

(5)相比现有的多旋翼飞行器，航程以及航时可以提高数倍；

(6)机翼采用易拆卸设计，便于运输以及组装。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本实用新型的详细描述中，本实用新型的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是一个本实用新型的可倾转机翼飞机在垂直起飞阶段的主视图；

图2是图1的飞机由垂直起降与平飞状态过渡的示意图；

图3是图1的飞机处于平飞状态的结构示意图；

图4是本实用新型的飞机的机翼和机身内部构造示意图；

图5是机翼倾转驱动机构示意图；

图6是本实用新型的飞机中水平舵面和垂直舵面的偏转示意图；

图7是悬停状态下控制飞机转动时水平舵面的活动示意图；

图8是本实用新型在每侧机翼上布置2个螺旋桨的较佳实施例的结构示意图；

图9是本实用新型在每侧机翼上布置4个螺旋桨且前后各两对垂直舵面的实较佳实施例的结构示意图；

图10是本实用新型在某一机翼上左右侧分别采用两子驱动的结构示意图。

附图标记

1－－机身

21－－前机翼

22――后机翼

3－－起落架

4－－垂直舵面

5－－螺旋桨

6－－螺旋桨驱动机构

7－－水平舵面

8－－机翼主梁9－－机翼后梁

10－－普通翼肋

11－－加强翼肋

12－－第一中央主梁

121――第二中央主梁

13－－第一转动部

131――第二转动部

14－－第一驱动部

141――第二驱动部

15－－安装底座

16－－第一轴承

161――第二轴承

17－－机翼前缘

18－－机翼后缘

19－－机身侧板

20－－螺栓

90――机翼主体

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

实施例1

图1～7所示为本实用新型的一种可倾转机翼飞机的基本结构，本实用新型的设计思想可以适用于串列机翼的设计中。

首先图1～3示意了三种不同飞行阶段机翼的情况。

图1为垂直起飞阶段，前、后机翼21、22向上偏转，呈竖直状，此时由两对机翼21、22上的四个螺旋桨5提供主要的升力。

图2为由垂直起飞向平飞的过渡，此时前、后机翼21、22可相对机身1由图1的位置转动到一定斜倾角，实现由垂直起飞向平飞的过渡阶段。

图3为本实用新型的可倾转机翼的飞机进入平飞阶段的示意，此时前、后机翼21、22又接近于水平角度，由于机翼水平，设置在前、后机翼21、22上的若干螺旋桨5提供向前的拉力来克服前飞时的气动阻力，平飞的动力由前、后机翼21、22提供。

根据上述三个阶段可以看出，本实用新型的可倾转机翼飞机包括一个机翼倾转机构，图4进一步给出了详细的结构，请同时结合图1～3所示。

本实施例1的可倾转机翼飞机包括采用复合材料结构的机身1和起落架3，以及两对沿机身1纵向前后布置的一副前机翼和一副后机翼21和22，在机翼两侧各设置有一螺旋桨5，此外，在前机翼21的螺旋桨5后侧还各包括一水平舵面7，在后机翼22的螺旋桨5后侧包括一垂直舵面4，各螺旋桨5由螺旋桨驱动机构6带动转动。通过控制水平舵面7的转动实现襟翼副翼等功能。本实用新型的可倾转机翼飞机，在悬停状态下，由于螺旋桨5对垂直舵面4周边气流的加速，在悬停以及低速飞行时改善飞机的操纵性。

图4以前机翼21为例，给出了前机翼21和机身1的底面示意图，可以进一步了解机翼倾转机构的组成，(后机翼22的情况类似)。

前机翼21包括由机翼前缘17、机翼后缘18和机翼侧板19，以及相对机身1横向设置的若干翼肋10共同组合成机翼主体90，为加强机翼结构的牢固性，还设置了增强翼肋11(图中仅示意了一侧，另一侧结构相同)，沿着前机翼21侧展的方向设置有一机翼主梁8。机翼21和水平舵面7产生的气动力以及螺旋桨5的拉力均通过机翼主梁8传递至机身。经由螺等平行机翼主梁8的后部设置一机翼后梁9，机翼后梁9的一端固定连接机翼侧板19后面设置水平舵面7。进一步参见机身1内部的结构。机身侧板19为主要的承力结构，负责承载机身1内的载荷，并将机翼21提供的升力传递给机身1。在机身1内部设置有一安装底座15，第一驱动部14固设在该底座15内，此外，还有一纵向贯穿机身1的第一中央主梁12，在该第一中央主梁12上设有一第一转动部13，示例为两个转动轮啮合组成的第一转动部13，其中一个转动轮由驱动部17驱动带动套设在第一中央主梁12上的另一转动轮，从而带动第一中央主梁12转动，由于第一中央主梁12与前机翼21上的机翼主梁8连接，连接方式包括销轴、螺栓、胶接、联轴器等惯常手段，根据情况采用其中一种或相互组合，这样当第一中央主梁12转动，带动前机翼21两侧的机翼主梁8相对机身转动。在第一中央主梁12穿设的机身侧板19上还示意了第一轴承16。

本实用新型的可倾转机翼飞机第一驱动部14带动齿轮驱动第一中央主梁12，可实现机翼的360度旋转，以实现垂直起飞，前飞，倒飞等功能。

机翼倾转机构包括机翼21两侧的机翼主梁8、连接机翼主梁8的第一中央主梁12，以及设置在第一中央主梁12上的第一转动部13，驱动该第一转动部13的第一驱动部14等组成。

图5进一步示意了一种第一中央主梁12和机翼主梁8的连接方式，第一中央主梁12套设在机翼主梁8内并用螺栓20固定连接。该第一中央主梁12通过第一轴承16和机身1框架连接。中央主梁1和机翼21的机翼主梁8均为盒型或者圆管截面。机翼21的机翼主梁8以嵌套的方式和第一中央主梁12安装，两者通过螺栓相互固定，便于拆卸和安装。

本实用新型的第一驱动部14可以采用伺服电机。

同样道理，后机翼22的结构也类似前机翼21，控制后机翼22的倾转机构采用同样的结构和工作原理，由此，可以实现前、后机翼21和22在不同飞行阶段的一致性调整。

即，可以根据图1～3所示的不同飞行阶段由第一驱动部14控制第一转动部13按照一定角度转动，例如起飞阶段的图1情况下，控制前、后机翼的主梁相对机翼主体转动的中央主梁受到第一驱动部14控制的第一转动部13转动使得前、后机翼呈竖直方向，而当起飞之后到图2所示的过渡阶段，该机翼倾转机构调整前、后机翼较水平方向有一定斜度的位置，而最终的平飞阶段，机翼倾转机构调整前、后机翼较水平方向更小的角度。

第2实施例

除了以上介绍的在前机翼的机翼倾转机构中包含一套第一转动部13和第一驱动部14的情况下，本实用新型的另一个实施例如图10所示，给出了针对同一幅机翼的两侧展机翼的第二转动部131和第二驱动部141的情况，采用这种结构的中央主梁也各自独立为两个中央主梁，即第一中央主梁12和第二中央主梁121，该第一中央主梁12通过第一轴承16和机身1框架连接，该第二中央主梁121通过第二轴承161和机身1框架连接，其中第二组，即第二驱动部141、第二中央主梁121和第二转动部131控制另一侧翼，这表明两侧翼可以相对机身独立转动。通过控制两侧机翼偏转角度的差异，可以在机身上产生显著的扭转力矩，从而更有效地控制飞机的滚转和转弯。另外，两侧机翼可以独立倾转时，不再需要水平舵面，从而节省了机构重量，简化了控制系统设计。

第3实施例

此外，图6示意了本实用新型的飞机中水平舵面和垂直舵面的偏转示意图，在前机翼21的左、右侧展机翼后侧设置有一水平舵面7，该水平舵面7贯穿整个侧翼的滑流区域，在后机翼22的左、右侧展机翼上近外侧的螺旋桨5处设置对称设置有一垂直舵面4，图1～3及图7的所示为基础结构，图8、9的实施例中在前、后机翼21和22上对称设置了若干组螺旋桨，可以看出，水平舵面7的位置贯穿了前机翼21的两侧展机翼整个的滑流区域，垂直舵面4对称设于后机翼22的外侧螺旋桨的位置。

和实施例1相比，本实施例的螺旋桨5更多，单个甚至多个螺旋桨5失效并不会导致飞机坠落，安全性和可靠性更高。此外，由于垂直尾翼4位于螺旋桨5的滑流中心区域，距离飞机的重心位置较远，在悬停或者低速飞行阶段，能提供较大的操纵力矩，飞机响应快。由于机翼展向上布置多个螺旋桨，在平飞过程中，还可以通过控制不同位置处螺旋桨的转速，以优化升力在翼展方向上的分布，提高飞行效率。

图6示意了本实施例的水平舵面7可以相对侧展的机翼向上、向下旋转，垂直舵面4其可由伺服机构驱动旋转，由此改善飞机的操纵效率。

第4实施例

如附图9所示，在机身1纵向前后各布置一副机翼21和22，机翼可360度倾转，其机翼倾转机构和实施例1类似。在每个前、后机翼21和22上布置四个螺旋桨5，螺旋桨5的转速可调。在前后机翼21、22上各均布置水平舵面7和垂直舵面4。该实施例中螺旋桨5在平飞阶段可以通过调整转速，优化前、后机翼21、22上的升力分布，提高平飞时的飞行效率。前、后机翼21和22上的垂直舵面4可以在侧风环境下对飞机提供充分的稳定性能。

以上实施例中，前、后机翼21和22均采用了双梁作为主承力结构，即包括了机翼主梁8和机翼后梁9，双梁均采用纤维增强复合材料盒型结构，截面为圆形或者带圆角的矩形。在前、后机翼21、22上还包括螺旋桨5及驱动螺旋桨5的电机6。

此外，本实用新型的普通翼肋10可由轻木层合板等材料切割而成，增强翼肋11由纤维增强复合材料制造。

如附图7所示为本实用新型悬停状态下控制飞机转动时水平舵面7的活动示意图，通过机身前后机翼21和22的两侧展机翼的水平舵面7偏转角度的不同，可辅助控制飞机在悬停下的姿态。与此类似，通过控制垂直舵面4的偏转角度，也可以改善飞机在悬停状态下的姿态控制性能。

本实用新型的飞机上安装机载飞行控制计算机，并辅助以多种传感器和伺服机构，包括控制机翼倾角的第一驱动部14。在垂直起飞阶段，机翼2倾转至与地面接近垂直的角度，由机载计算机获取飞机实时的加速度、角加速度、高度以及周边空气流场信息，通过控制螺旋桨5转速、机翼2以及垂直舵面4和水平舵面7的转动角度，保证飞机稳定悬停或者开始上升。在飞机离地一定高度后，机翼2倾角逐渐减小，并相应控制螺旋桨5转速，以及垂直舵面4和水平舵面7的倾角，逐渐提高飞机的前向飞行速度。当飞机达到一定飞行速度以后，飞机所需升力可以完全由机翼2提供，此时和传统的固定翼飞行器飞行原理和控制方法类似。当飞机需要降落时，则开始逐渐增加机翼2倾角，并调整螺旋桨5转速及垂直舵面4和水平舵面7的倾角，直至向前的飞行速度降为零，飞机所需升力完全有螺旋桨5提供，并在此状态下稳定降低高度着地。

以上诸实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴应由各权利要求限定。

Claims (9)

1.一种可倾转机翼飞机，包括一机身，其特征在于，所述可倾转机翼飞机进一步包括：

一串列机翼，沿所述机身方向纵向布置，所述串列机翼的每一左、右侧机翼各包括一机翼主体；

至少一机翼倾转机构，设置在所述机身内，用于分别控制所述串列机翼的左、右侧机翼相对所述机身倾转任意角度；

若干螺旋桨及若干螺旋桨驱动机构，对称设置在所述串列机翼的两侧机翼上，所述各螺旋桨驱动机构驱动各所述螺旋桨；

若干垂直舵面，对称设置在所述左、右侧机翼的螺旋桨处。

2.根据权利要求1所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述机翼倾转机构进一步包括：

纵向贯穿所述机身的第一中央主梁，第一驱动部和第一转动部，所述第一中央主梁与所述左、右侧机翼的主梁可拆卸固定连接，所述第一驱动部控制所述第一转动部通过所述第一中央主梁带动所述左、右侧主梁转动，使所述左、右侧机翼相对所述机身倾转；

其中，设置在所述机翼主体上的主承力结构包括一主梁和一后梁。

3.根据权利要求1所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述机翼倾转机构进一步包括：

第一中央主梁和第二中央主梁，纵向贯穿于所述机身内纵向并排布置的第一、第二底座上，所述第一中央主梁与所述左侧机翼的主梁可拆卸固定连接，第一驱动部控制第一转动部通过所述第一中央主梁带动所述左侧主梁使所述左侧机翼相对所述机身倾转，所述第二中央主梁与右侧机翼的主梁可拆卸固定连接，第二驱动部控制第二转动部通过所述第二中央主梁带动所述右侧主梁使所述右侧机翼相对所述机身倾转；

其中，设置在所述机翼主体上的主承力结构包括一主梁和一后梁。

4.根据权利要求3所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，

所述主梁的截面为中空圆形或带圆角的矩形，所述第一、第二中央主梁套设在所述主梁的中空部分并一体固定连接。

5.根据权利要求4所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，

所述第一、第二中央主梁与所述主梁的固定连接包括销轴、螺栓、胶接、联轴器中的任何一种或者其组合。

6.根据权利要求5所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述串列机翼的每侧机翼进一步包括：

一机翼主体，包括机翼前缘、机翼后缘，以及相对所述机身横向设置的若干翼肋。

7.根据权利要求6所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，所述可倾转机翼飞机进一步包括：

若干水平舵面，对称设置在所述串列机翼的左、右侧机翼上，其中，所述水平舵面贯穿整个侧展机翼的滑流区域，所述若干垂直舵面设置在该侧机翼近外侧的螺旋桨处。

8.根据权利要求7所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，

所述第一、第二中央主梁和所述主梁采用纤维增强复合材料整体结构。

9.根据权利要求8所述的可倾转机翼飞机，其特征在于，

所述转动部进一步包括两个转动轮啮合组成，其中一个转动轮由所述驱动部驱动带动套设在所述中央主梁上的另一转动轮转动。