CN218022172U - 一种垂直起降的飞行器 - Google Patents

Abstract

一种垂直起降的飞行器，机身右侧安装有一大一小、结构相同的两个右机翼部件，右机翼部件：由托架安装在机身右侧，由步进电机调节偏转角度，喷气发动机安装在与托架滑动配合的支撑座上，由另一步进电机调节偏转角度，且能随伺服电动缸的两根丝杆移动，从而调节与机翼之间距离。两个左机翼部件分别与两个右机翼部件结构相同左右对称设置。喷气发动机位于机翼与机身之间时，飞行器为垂直起飞或着陆状态，喷气发动机和机翼同步偏转±90°，飞行器为巡航状态。本实用新型可用于土木建筑施工、水利水电施工、救灾、短程运输、港口码头、高空安装等领域。

Description

一种垂直起降的飞行器

技术领域

本实用新型属于垂直起降飞行器技术领域，用于施工起重运输、应急运输、高空救灾、森林灭火等场合。

背景技术

目前市场上的垂直起降飞行器（飞机）根据升力产生原理有两种类型：一种基于旋转翼原理，如直升机；另一种基于动量矩（火箭）原理，技术核心在于其尾喷管角度可调，巡航飞行时，尾喷气流大致沿着水平方向向后喷，垂直起降时，尾喷管向下转动至垂直位置，同时前部另一个喷气管打开，两个喷管同时向下喷出高速气流产生升力。这两个升力的合力克服飞机自重，使飞机可以垂直升空或落地。这两类飞行器技术和经济门槛都很高，不适合工程施工。现在市场上各式微型或小型多轴旋转翼无人机采用旋转翼，也属于垂直起降的飞行器，但是其自重和起重能力均太小，不在本实用新型讨论范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种垂直起降的飞行器，左右两侧设置机翼，机翼迎风面正前方设有喷气发动机。在起降模式下，右侧喷气发动机位于右侧机翼迎风面与机身右侧之间，发动机喷口正对着机翼迎风面。左侧机翼和喷气发动机按镜像布置。两侧发动机对称工作，使飞行器垂直起飞或着陆。在巡航模式下，通过控制右机翼部件中喷气发动机和机翼同步顺时针旋转90°，左机翼部件中喷气发动机和机翼同步逆时针旋转90°，使飞行器呈巡航状态。

本实用新型的目的是这样实现的：一种垂直起降的飞行器，封闭或开放式的机身右侧一前一后地安装有一大一小结构相同的两个右机翼部件，该右机翼部件结构为：托架以伸臂梁形式垂直于机身轴线方向固定在机身右侧，支架由两根竖向条连接在一根横向条两端组成；与机翼相固定的旋转轴从机翼左右端面伸出的两端可转动地架设在支架的两根竖向条上，旋转轴的一端连接第二步进电机，偏转步进电机安装在托架上，90°偏转轴下端沿竖向方向与偏转步进电机相连接，上端与支架的横向条底面中部相固联；支架的两根竖向条左部分别安装有一个电动伺服缸，喷气发动机固连接在该两个电动伺服缸向左横向伸出的两根丝杆的左部之间，喷气发动机固定在一根沿纵向布置的安装轴上，第一步进电机安装在能沿托架横向移动的支撑座上，安装第一步进电机的支撑座与螺母相固联,螺母旋接在丝杆上，第一步进电机的轴经联轴器连接在上述安装轴的一端上；左机翼部件分别与一大一小两个右机翼部件结构相同、且沿机身轴线左右对称设置。

所述偏转轴的另一端上还连接有一个与第二步进电机相同并通过同一控制系统同步控制的另一个步进电机；所述喷气发动机安装轴的另一端经联轴器连接有与第一步进电机相同的、二者通过同一控制系统同步控制的另一步进电机，该另一步进电机安装在能沿托架横向移动的另一支撑座上。

所述喷气发动机的喷气速度为超音速时，喷气发动机的尾喷管为变形的拉法尔管：由两个大端向外的漏斗状旋转面组成，以喉部为界，前段仍为轴对称的漏斗状，即前段任一横截面呈圆形，后段变形为“压扁的漏斗”，其任意一处横截面的形状呈椭圆形，且椭圆的长轴平行于机翼前缘；所述喷气发动机喷气速度是亚音速时，喷气发动机的尾喷管前端横截面为圆形，尾端管出口端横截面为椭圆形，该椭圆形的长轴平行于机翼前缘；所述支撑座的底部安装有两个滚轮，滚轮的凹面卡合在托架的钢条上，二者形成滑动的配合关系。

所述支撑座的底部安装有两个滚轮，滚轮的凹面卡合在托架的钢条上，二者形成滑动的配合关系。

所述机翼上还设有缝翼和襟翼及扰流板（图中未画出）；所述机翼的迎风面正对喷气发动机喷口。缝翼和襟翼的主要作用是起降时增加升力。转弯控制本实用新型主要通过增加弯道外侧发动机的喷流量实现，也可在机翼上设扰流板增加转弯效率。

所述机身内还安装有信息收集模块，控制模块以及油箱或电池。

所述控制模块包括另一步进电机控制系统，偏转步进电机控制系统，伺服电机控制系统以及第二步进电机控制系统。

所述在垂直起飞或着陆状态下，偏转步进电机控制右机翼部件中喷气发动机位于机翼左侧迎风面和机身右侧之间，在巡航状态下，偏转步进电机控制右机翼部件中喷气发动机和机翼同步顺时针旋转90°。

左侧机翼和喷气发动机动作与右侧对称。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

垂直起降飞行器优点：可以垂直起降，因此不需要建造机场；可以悬停、变速巡航；智能控制系统可自主确定飞行路径、避让障碍物；高精度搬运，可将载荷一次就位，省去二次搬运，提高工地效率。

垂直起降飞行器缺点：为节省能源，动力系统要求制造精度高，因此制作难度大；采用喷气发动机为动力时，对机翼材料的耐温性能要求较高；在工地使用时，要求现场有一定的回转空地，并对工地人员进行额外的安全培训。

附图说明

图1是本实用新型飞行器俯视图（未示出机身左侧的一大一小两个左机翼部件，粗虚框表示机翼模块顺时针旋转90°的位置，代表巡航状态。虚箭头表示喷气发动机喷流方向）。

图2是图1所述右机翼部件中喷气发动机与机翼的示意图。

图3是图2沿A-A线的剖面图（未示出机翼与发动机连接系统）。

图4是机翼升力和飞行器自重示意图。

图5是飞行器巡航状态示意图。

图6（未示出第一步进电机的支撑座与托架的滑动配合结构，未示出偏转步进电机的安装在托架上的机座）是图1所示虚线圆部的立体图。

图7a图7b分别为现有亚音速喷气管的主视图和左视图。

图7c图7d（亚音速喷气管从前端口（圆形）平滑过渡至喷气口（椭圆形））分别为本实用新型亚音速喷气管的主视图和左视图。

图8a图8b分别为现有超音速喷气管的主视图和左视图。

图8c图8d分别为本实用新型超音速喷气管的主视图和左视图。

具体实施方式

图1图2图3图5示出，一种垂直起降的飞行器，封闭或开放式的机身1右侧一前一后地安装有一大一小结构相同的两个右机翼部件，该右机翼部件结构为：托架2以伸臂梁形式垂直于机身轴线方向固定在机身1左侧，支架18由两根竖向条连接在一根横向条两端组成；与机翼相固定的旋转轴从机翼左右端面伸出的两端可转动地架设在支架的两根竖向条上，旋转轴的一端连接第二步进电机14，偏转步进电机15安装在托架2上，90°偏转轴4下端沿竖向方向与偏转步进电机15相连接，上端与支架的横向条底面中部相固联；支架18的两根竖向条左部分别安装有一个电动伺服缸13，喷气发动机5固连接在该两个电动伺服缸13向左横向伸出的两根丝杆13a的左部之间，喷气发动机固定在一根沿纵向布置的安装轴上，第一步进电机12安装在能沿托架横向移动的支撑座上，安装第一步进电机的支撑座与螺母想固联，螺母旋接在丝杆上，第一步进电机的轴经联轴器连接在上述安装轴的一端上；左机翼部件分别与一大一小两个右机翼部件结构相同、且沿机身轴线左右对称设置。（图1示出另一右机翼部件7）第二步进电机的轴与旋转轴之间通过联轴器连接，偏转步进电机的轴与偏转轴之间通过联轴器连接，第一步进电机用于调节发动机的角度，伺服电动缸用于调节发动机相对机翼的距离、第二步进电机用于调节机翼相对水平倾角、偏转步进电机用于调节机翼模块（由机翼和发动机以及机翼与发动机连接系统6组成）围绕偏转轴的转角（±90°）。电动缸和驱动螺母旋转（螺母旋转在丝杆上），从而驱动丝杆作直线运动，最终使喷气发动机随两根丝杆作直线往复运动。

图5中，两根丝杆平行，均位于发动机的轴线高度上，第一步进电机轴低于发动机的轴线高度，或位于发动机轴线高度但低于丝杆左端以外。偏转轴的另一端上还连接有一个与第二步进电机14相同并通过同一控制系统同步控制的另一个步进电机；所述喷气发动机安装轴的另一端经联轴器连接有与第一步进电机12相同的、二者通过同一控制系统同步控制的另一步进电机，该另一步进电机安装在能沿托架横向移动的另一支撑座上。临近喷气发动机5的机翼位置上还设有用于转弯控制的缝翼16，远离喷气发动机的机翼位置上设有用于起飞和着陆控制的襟翼17；所述机翼的还风面正对喷气发动机喷口。机身1内还安装有信息收集模块9，控制模块10以及油箱或电池11。控制模块10包括另一步进电机12控制系统，偏转步进电机控制系统，伺服电机控制系统以及第二步进电机14控制系统。在垂直起飞或着陆状态下，偏转步进电机15控制右机翼部件中喷气发动机5位于机翼5左侧通风面和机身1右侧之间，在巡航状态下，偏转步进电机15控制右机翼部件中喷气发动机和机翼同步顺时针旋转90°。在巡航状态，左机翼部件中喷气发动机和机翼与右机翼部件中发动机和机翼同步逆时针旋转90°和顺时针旋转90°。喷气发动机的喷气速度为超音速时，喷气发动机5的尾喷管为变形的拉法尔管：横截面由大端向外的两个漏斗衔接组成，其任意一个纵截面的形状呈椭圆形，且其出口纵截面椭圆形的长轴平行于机翼3前缘；所述喷气发动机喷气速度是亚音速时,喷气发动机的尾喷管前端纵截面为圆形，尾端管出口端纵截面为椭圆形,该椭圆形的长轴平行于机翼前缘；所述支撑座的底部安装有两个滚轮，滚轮的凹面卡合在托架的钢条上，二者形成滑动的配合关系。图5中，发动机喷口纵截面的椭圆形的长轴为纵向，且平行于机翼前缘。图4示出偏转轴与托架连接系统8，具体见图6。

为适应机翼的宽度，喷气发动机的尾喷管采用压扁长孔，长度方向平行于机翼前缘。在实际中，喷气发动机喷气速度是亚音速或者超音速。如果喷气速度处于亚音速范围，则直接将常规喷管出口“压扁”到适当尺寸（图7c图7d），图7c中，进口端圆形的圆心与排气端椭圆的圆心重合；如果喷气速度是超音速，则尾喷管为“压扁”变形的拉法尔管：“压扁”部分任意一个横截面的形状呈椭圆形（图8c图8d），长轴平行于机翼迎风面。拉法尔管面由两个漏斗状部件衔接而成，以喉部为界，前端为进气段，后部为排气段，“压扁”的仅仅是排气段，进气段保持旋转面形状不变。图8c中，前段所有横截面圆形的圆心与后段所有横截面椭圆的圆心重合。

本实用新型以满足工程和民用需要，使飞行器通过空中通道快速运送人员或搬运各型物件至指定地点。这里的“可旋转”含义不同于直升机类的旋转机翼，而是指：机翼模块可以像折叠刀一样在一定范围内围绕其安装轴旋转，以托架为基线，有“收拢”和“展开”两种状态，垂直起降时“收拢”，巡航时“展开”，详见后文说明及示意图。

“机翼模块”是指由机翼、喷气发动机和辅助部件组成的一个整体，安装在旋转轴上，根据需要整体转动。

本实用新型飞行器机身的形状有多种选择，可以是封闭的，也可以是开放的；可以是筒形，也可以是框架形等。沿着机身前后布置两对或多对托架，对称轴为机身纵轴线，前后距离适当（图1，因对称性，图中仅画出对称轴右侧的一半）。托架可以理解成从机身向外伸出的悬臂梁（注意：不是机翼！），在梁的适当位置布置旋转轴，停机时其轴线平行于或近似平行于铅垂线。机翼有对应的连接固定装置安装在旋转轴上，可以围绕此轴旋转，旋转的范围大约九十度。旋转轴可承受轴向荷载，能够将机翼产生的升力传递到托架。每个机翼与旋转轴的连接点尽量靠近该机翼合力的作用点，合力主要由机翼升力及其自重构成。由于机翼升力可变，合力作用点到旋转轴的距离也随时变化，因此要求旋转轴还能够承受弯矩。

图5示出，机翼形状由左右端面和上、下弧形线围合组成）的剖面是流线型，在迎风面前方一定位置安装喷气发动机，后者所喷射的高速气流直接击中机翼迎风面，并且由此分成上下两股，分别沿着机翼上下表面流向机翼尾端（背风侧）。喷气装置和机翼通过连接系统连接成整体，可以刚性围绕旋转轴转动，如图2图3，两者的相对位置可以在一定范围内调节。

飞行器起飞时，每对机翼迎风面对称朝向机身（以托架为基线，机翼模块处于“收拢”状态，图1中的实线）。此时两侧机翼的升力对称，方向向上，总的合力作用点位于机身纵轴线上，又通过调节前后机翼的工作参数，使该作用点与飞行器重心重合；由于对称性，暂不考虑升力的水平分量。喷气装置产生的水平推力也相互抵消，飞行器只能垂直向上运动，如图3。由图3可见，升力作用点高于飞行器重心，因此飞行器安全，不会倾覆。通过调节各机翼模块的参数（机翼的角度、襟翼和缝翼的展开情况、喷气流速等）可使总升力的作用点动态与整个飞行器的重心重合、方向垂直向上，从而确保飞行器上升。整个控制通过智能系统实现。

飞行器上升到设定高度时，两侧机翼对称旋转一定的角度，此时两侧喷气发动机的推力不再完全抵消，而是有向前的分量，推动飞行器直线前进（例如图1中的虚线，右侧机翼顺时针旋转九十度，左侧机翼逆时针旋转九十度，此时两侧喷气发动机提供的向前推力最大，飞行器速度最快。因对称性，左侧机翼未画出），如图4。如果两侧机翼转动的角度不对称，则推力水平分量也不对称，飞行器转弯。

要使飞行器转弯，也可以通过调节左右两侧发动机与机翼的相对位置实现；或者通过调节不同发动机的油门等参数实现，大油门对应的机翼升力大，使本侧机翼抬升，飞行器侧倾，由此产生向心力（升力的水平分力），飞行器向对侧转弯。

如果飞行器需要悬停在空中，升空后控制上述参数，使总升力等于总重量、飞行速度等于风速（方向相反）即可。

飞行器降落时，两侧机翼的位置和起飞时相同，控制喷气量和喷气速度，使飞行器精确降落到指定位置。

信息收集模块9用于收集周围的地形及障碍物信息并接收飞行指令；控制模块10根据收集到的信息及指令控制发动机和飞行姿态；油箱或电池为发动机提供能源。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直起降的飞行器，其特征在于，封闭或开放式的机身（1）右侧一前一后地安装有一大一小结构相同的两个右机翼部件，该右机翼部件结构为：托架（2）以伸臂梁形式垂直于机身轴线方向固定在机身（1）左侧，支架（18）由两根竖向条连接在一根横向条两端组成；与机翼相固定的旋转轴从机翼左右端面伸出的两端可转动地架设在支架的两根竖向条上，旋转轴的一端连接第二步进电机（14），偏转步进电机（15）安装在托架（2）上，90°偏转轴（4）下端沿竖向方向与偏转步进电机（15）相连接，上端与支架的横向条底面中部相固联；支架（18）的两根竖向条左部分别安装有一个电动伺服缸（13），喷气发动机（5）固连接在该两个电动伺服缸（13）向左横向伸出的两根丝杆的左部之间，喷气发动机固定在一根沿纵向布置的安装轴上，第一步进电机（12）安装在能沿托架横向移动的支撑座上，安装第一步进电机的支撑座与螺母相固联，螺母旋接在丝杆上，第一步进电机的轴经联轴器连接在上述安装轴的一端上；左机翼部件分别与一大一小两个右机翼部件结构相同、且沿机身轴线左右对称设置。

2.根据权利要求1所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述偏转轴的另一端上还连接有一个与第二步进电机（14）相同并通过同一控制系统同步控制的另一个步进电机；所述喷气发动机安装轴的另一端经联轴器连接有与第一步进电机（12）相同的、二者通过同一控制系统同步控制的另一步进电机，该另一步进电机安装在能沿托架横向移动的另一支撑座上。

3.根据权利要求1所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述喷气发动机的喷气速度为超音速时,喷气发动机（5）的尾喷管为变形的拉法尔管：由大端向外的两个漏斗衔接组成，其前段任意一个横截面的形状呈圆形，其后段任意一处横截面的形状为椭圆形，且其后段出口横截面椭圆形的长轴平行于机翼（3）前缘；所述喷气发动机喷气速度是亚音速时,喷气发动机的尾喷管前端横截面为圆形,尾端管出口端横截面为椭圆形,该椭圆形的长轴平行于机翼前缘；所述支撑座的底部安装有两个滚轮，滚轮的凹面卡合在托架的钢条上，二者形成滑动的配合关系。

4.根据权利要求3所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述的机翼还设有用于起降时增加升力的缝翼（16）和襟翼（17）以及提高转弯效率的扰流板；所述机翼的迎风面正对喷气发动机喷口。

5.根据权利要求4所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述机身（1）内还安装有信息收集模块（9），控制模块（10）以及油箱或电池（11）。

6.根据权利要求5所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述控制模块（10）包括另一步进电机（12）控制系统，偏转步进电机控制系统，伺服电机控制系统以及第二步进电机（14）控制系统。

7.根据权利要求1-6任一所述一种垂直起降的飞行器，其特征在于，所述在垂直起飞或着陆状态下，偏转步进电机（15）控制右机翼部件中喷气发动机（5）位于机翼（3）左侧通风面和机身（1）右侧之间，在巡航状态下，偏转步进电机（15）控制右机翼部件中喷气发动机和机翼同步顺时针旋转90°。

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