CN110127046A - 一种新型垂直起降飞机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型垂直起降飞机及其控制方法，包括机身，还包括设置在所述机身上部的旋转轴、设置在旋转轴上的机翼，其中旋转轴内设有用于控制机翼旋转或固定的锁紧机构，在机翼的两端上分别对称设有一个具备正向和反向推进驱动能力的双向发动机，当机翼两侧的双向发动机分别正向和反向推进时，机翼以旋转轴为轴转动，当机翼两侧的双向发动机正向推进时，机翼被锁紧机构锁定并保持与所述机身垂直的状态。本发明的优点是：同等起飞重量下，可以实现更小的体积，便于携带，由于没有改变飞机的气动布局，巡航速度更快，飞行距离大，能源消耗小，有利于延长滞空时间。

Description

一种新型垂直起降飞机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种航空器技术领域，尤其是涉及一种混合式垂直起降飞机的技术。

背景技术

目前常见的飞机类型主要有三种：多旋翼式、固定翼式，或者在传统固定翼飞机上加装多旋翼起降模块的混合式。载人的飞机或飞机大多也是采用这三种方式起降。

受限于机场的设置，为提高飞机使用的便捷性，垂直起降的需求对于使用飞行器已经越来越成为一种主要的需求，而就现有的三种翼型方式的飞机来说，各有优缺点：1、对于固定翼飞机来说，虽然它的航速快,航程远，受天气影响也小，但却离不开场地的支持,更容易受到起飞方式的限制，无法满足垂直起降的要求；2、多旋翼飞机对场地的要求低，可以随时随地起降，可空中悬停,较灵活,但平飞速度、有效载荷、航程和环境适应能力都比较有限，而要增加这几方面的能力，飞机的体积又会变得十分惊人，直接影响到这类型飞机的性价比和使用的便利性；3、混合式机型将多旋翼和固定翼相结合，即将旋翼安装在固定翼上，同时发挥多旋翼飞行器垂直起降和固定翼快速巡航的优势，但是也存在难以避免起飞重量受限的问题，更重要的是在巡航时，气动布局遭遇破坏，引起飞行阻力增加，续航能力降低等。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现在固定翼和旋翼之间进行切换、体积小、巡航气动布局完整的新型垂直起降飞机。

本发明的另一目的是提供一种操控方便的新型垂直起降飞机控制方法。

本发明的技术解决方案是：一种新型垂直起降飞机，包括机身，还包括设置在所述机身上部的旋转轴、设置在旋转轴上的机翼，其中旋转轴内设有用于控制机翼旋转或固定的锁紧机构，在机翼的两端上分别对称设有一个具备正向和反向推进驱动能力的双向发动机，当机翼两侧的双向发动机分别正向和反向推进时，机翼以旋转轴为轴转动，当机翼两侧的双向发动机正向推进时，机翼被锁紧机构锁定并保持与所述机身垂直的状态。

机翼设置在旋转轴上，当机翼两侧的双向发动机推进方向相反时，可以使机翼旋转，产生垂直向上的升力，当降低一侧反向推进的双向发动机的输出功率时，由于机翼两侧的推进力不对等，可以使飞机产生向前的速度，当一侧反向推进的双向发动机反向推力为零时，机翼旋转至与机身垂直时，通过锁紧机构固定机翼，再重新启动一侧的双向发动机并调整为正向推进，此时飞机会从螺旋盘旋状态转为直线巡航状态，从而实现旋翼起飞和固定翼巡航，整个机身的空气动力性能没有任何改变，机翼面积比普通旋翼大很多，在同等体积下，获得的起飞重量更大，起飞灵活，由于机身无附加结构，气动布局和巡航阻力与固定翼飞机一致，巡航时的速度更高。

所述机翼的垂直截面呈平板状或翼型。可以在起飞和巡航时实现不同的升力效果。

所述机翼的两侧可分别通过所述旋转轴调整水平迎角。可以在机翼旋转时分别调整两侧的气动布局，提高升力和平衡力矩，提高操控的可靠性。

所述机翼包括蒙皮和设置在蒙皮内用于调节所述机翼迎风面形状的调节机构。可以在机翼旋转时分别调整两侧机翼的气动布局，提高升力和平衡力矩。

所述调节机构包括沿所述机翼长度方向设置的纵向连杆、平行设置在纵向连杆上的若干组调节连杆组，其中每个调节连杆组包括一个固定在纵向连杆上的横向连杆、第一菱形连杆组、第二菱形连杆组、第三菱形连杆组、分别套设在横向连杆上且可沿横向连杆滑动的第一滑块和第二滑块，第一菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接横向连杆的一端和第一滑块，第二菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接所述机翼上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接第一滑块和第二滑块，第三菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接所述机翼上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接第二滑块和横向连杆的另一端。当第一滑块和第二滑块沿横向连杆前后滑动时，可以分别调整三组菱形连杆组的上下高度，从而调整机翼上下方蒙皮之间的间距，从而实现机翼迎风面形状的调节，以适应固定翼和旋翼状态不同对迎风面状态的调整。

在所述机翼下方的所述旋转轴上设有随所述旋转轴转动的短翼，当所述机翼与机身垂直固定时，短翼与所述机身平行固定。短翼可以随旋转轴转动，在垂直起降阶段可以提供额外的升力，并用于平衡机翼两侧的升力矩。

本发明的另一技术解决方案是：一种新型垂直起降飞机的控制方法，包括以下步骤：①垂直起飞阶段：控制机翼两侧的双向发动机分别正向和反向推进，使机翼绕旋转轴转动，飞机垂直起飞；②、巡航阶段：机翼一侧反向推进的双向发动机逐渐降低输出功率，机翼另一侧的正向推进的双向发动机保持输出功率不变，飞机呈螺旋式上升，待反向推进的双向发动机功率降为零时，调整机翼与机身垂直，通过锁紧机构固定机翼，重新启动停机的双向发动机并改为正向推进，调整两侧发动机推力大小，使飞机沿螺旋线的切线方向飞出进入巡航状态；③、垂直降落阶段：锁紧机构释放机翼，逐渐减少机翼一侧正向推进的双向发动机输出功率，待输出功率降至零后，重新启动并改为反向推进，使机翼绕旋转轴转动。

通过两侧的双向发动机提供正向和反向的推力，使机翼旋转产生升力，用于起飞和降落，通过减小反向推进的推力，使机翼两侧的推进力不对等，产生向前的速度，飞机可以螺旋式上升，待机翼固定并使两侧双向发动机均为正向推进时，飞机可以从螺旋飞行的切线方向改出进入巡航，只需要改变机翼两侧发动机的推力方向，便可以实现固定翼和旋翼状态的切换，操控简单，使用方便，飞行控制容易可靠。

还包括调整机翼水平迎角的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，调节旋转轴两侧的机翼迎角相反，在巡航阶段，当机翼与机身垂直时，调整旋转轴两侧的机翼迎角相同。在垂直起降和巡航阶段，分别调整机翼两侧的迎角方向，使机翼两侧的力矩更平衡，操控更可靠。

还包括调整机翼蒙皮形状的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，通过机翼蒙皮内的调节机构使旋转轴两侧的机翼迎风面相反，在巡航阶段，通过机翼蒙皮内的调节机构使旋转轴两侧的机翼迎风面相同。在垂直起降和巡航阶段，分别调整机翼两侧的迎角方向，使机翼两侧的力矩更平衡，操控更可靠。

本发明的优点是：同等起飞重量下，可以实现更小的体积，便于携带，由于没有改变飞机的气动布局，巡航速度更快，飞行距离大，能源消耗小，有利于延长滞空时间。

附图说明

附图1为本发明实施例1的结构示意图；

附图2为本发明实施例1的另一角度结构示意图；

附图3为本发明实施例1垂直起降时的飞行状态图；

附图4为本发明实施例1巡航状态时的飞行状态图；

附图5为本发明实施例1巡航状态时的又一飞行状态图；

附图6为本发明实施例1的机翼内部俯视结构示意图；

附图7为图6中A-A向结构示意图；

附图8为本发明实施例2的结构示意图；

1、机身，2、机翼，3、旋转轴，4、双向发动机，5、双向发动机，6、蒙皮，7、纵向连杆，8、横向连杆，9、第一菱形连杆组，10、第二菱形连杆组，11、第三菱形连杆组，12、第一滑块，13、第二滑块，14、短翼。

具体实施方式

实施例1：

参阅图1-2，一种新型垂直起降飞机，包括机身1、设置在机身1上部的旋转轴3、设置在旋转轴3上的机翼2，其中旋转轴3内设有用于控制机翼2旋转或固定的锁紧机构，在机翼2的两端上对称设有两个具备正向和反向推进驱动能力的双向发动机4和双向发动机5，当机翼2两侧的双向发动机4正向推进，双向发动机5反向反向推进时，机翼2以旋转轴3为轴转动，当机翼2两侧的双向发动机4和5均为正向推进时，机翼2被锁紧机构锁定并保持与机身1垂直的状态。

机翼2设置在旋转轴3上，当机翼2两侧的双向发动机4和5推进方向相反时，可以使机翼2旋转，产生垂直向上的升力，当降低一侧反向推进的双向发动机5的输出功率时，由于机翼2两侧的推进力不对等，可以使飞机产生向前的速度，当一侧反向推进的双向发动机5反向推力为零时，机翼2旋转至与机身1垂直时，通过锁紧机构固定机翼2，再重新启动一侧的双向发动机5并调整为正向推进，此时飞机会从螺旋盘旋状态转为直线巡航状态，从而实现旋翼起飞和固定翼巡航，整个机身的空气动力性能没有任何改变，机翼面积比普通旋翼大很多，在同等体积下，获得的起飞重量更大，起飞灵活，由于机身无附加结构，气动布局和巡航阻力与固定翼飞机一致，巡航时的速度更高。

机翼2的垂直截面呈平板状或翼型。机翼2的两侧可分别通过旋转轴3调整水平迎角。机翼2包括蒙皮6和设置在蒙皮6内用于调节机翼2迎风面形状的调节机构。可以在机翼2旋转时分别调整两侧的气动布局，提高升力和平衡力矩，提高操控的可靠性。

调节机构包括沿机翼2长度方向设置的纵向连杆7、平行设置在纵向连杆7上的若干组调节连杆组，其中每个调节连杆组包括一个固定在纵向连杆7上的横向连杆8、第一菱形连杆组9、第二菱形连杆组10、第三菱形连杆组11、分别套设在横向连杆8上且可沿横向连杆8滑动的第一滑块12和第二滑块13，第一菱形连杆组9的两个对称端分别铰接连接机翼2上、下方的蒙皮6，另两个对称端分别铰接连接横向连杆8的一端和第一滑块12，第二菱形连杆组10的两个对称端分别铰接连接机翼2上、下方的蒙皮6，另两个对称端分别铰接连接第一滑块12和第二滑块13，第三菱形连杆组11的两个对称端分别铰接连接机翼2上、下方的蒙皮6，另两个对称端分别铰接连接第二滑块13和横向连杆8的另一端。当第一滑块12和第二滑块13沿横向连杆8前后滑动时，可以分别调整三组菱形连杆组的上下高度，从而调整机翼2上、下方蒙皮6之间的间距，从而实现机翼2迎风面形状的调节，以适应固定翼和旋翼状态不同对迎风面状态的调整。

参阅图3-5，本发明实施例1的新型垂直起降飞机的控制方法，包括以下步骤：

①垂直起飞阶段：控制机翼2两侧的双向发动机4正向推进，双向发动机5反向推进，使机翼2绕旋转轴3转动，飞机垂直起飞；

②、巡航阶段：机翼2一侧反向推进的双向发动机5逐渐降低输出功率，机翼另一侧的正向推进的双向发动机4保持输出功率不变，飞机呈螺旋式上升，待反向推进的双向发动机5功率降为零时，调整机翼2与机身1垂直，通过锁紧机构固定机翼2，重新启动停机的双向发动机5并改为正向推进，调整两侧发动机推力大小，使飞机沿螺旋线的切线方向飞出进入巡航状态；

③、垂直降落阶段：锁紧机构释放机翼2，逐渐减少机翼2一侧正向推进的双向发动机5的输出功率，待输出功率降至零后，重新启动并改为反向推进，使机翼2绕旋转轴3转动。

通过两侧的双向发动机提供正向和反向的推力，使机翼2旋转产生升力，用于起飞和降落，通过减小反向推进的推力，使机翼两侧的推进力不对等，产生向前的速度，飞机可以螺旋式上升，待机翼2固定并使两侧双向发动机均为正向推进时，飞机可以从螺旋飞行的切线方向改出进入巡航，只需要改变机翼两侧发动机的推力方向，便可以实现固定翼和旋翼状态的切换，操控简单，使用方便，飞行控制容易可靠。

此外，还包括调整机翼2水平迎角的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，调节旋转轴3两侧的机翼2迎角相反，在巡航阶段，当机翼2与机身1垂直时，调整旋转轴3两侧的机翼2迎角相同。在垂直起降和巡航阶段，分别调整机翼两侧的迎角方向，使机翼两侧的力矩更平衡，操控更可靠。

还包括调整机翼2的蒙皮6形状的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，通过机翼2的蒙皮6内的调节机构使旋转轴3两侧的机翼2迎风面相反，在巡航阶段，通过机翼2的蒙皮6内的调节机构使旋转轴3两侧的机翼2迎风面相同。在垂直起降和巡航阶段，分别调整机翼两侧的迎角方向，使机翼两侧的力矩更平衡，操控更可靠。

本实施例的飞机可以是载人的航空器，也可以是无人机。

实施例2：

参阅图7，为本发明另一新型垂直起降飞机，包括机身1、设置在机身1上部的旋转轴3、设置在旋转轴3上的机翼2和短翼14，其中短翼14设置在机翼2下方且可随旋转轴3转动。旋转轴3内设有用于控制机翼2和短翼14旋转或固定的锁紧机构，在机翼2的两端上对称设有两个具备正向和反向推进驱动能力的双向发动机4和双向发动机5，当机翼2两侧的双向发动机4正向推进，双向发动机5反向反向推进时，机翼2以旋转轴3为轴转动，当机翼2两侧的双向发动机4和5均为正向推进时，机翼2被锁紧机构锁定并保持与机身1垂直的状态，此时短翼14保持与机身1平行的状态。其他技术特征与实施例1相同，在此不宜赘述。

Claims (9)

1.一种新型垂直起降飞机，包括机身，其特征在于：还包括设置在所述机身上部的旋转轴、设置在旋转轴上的机翼，其中旋转轴内设有用于控制机翼旋转或固定的锁紧机构，在机翼的两端上分别对称设有一个具备正向和反向推进驱动能力的双向发动机，当机翼两侧的双向发动机分别正向和反向推进时，机翼以旋转轴为轴转动，当机翼两侧的双向发动机正向推进时，机翼被锁紧机构锁定并保持与所述机身垂直的状态。

2.根据权利要求1所述的一种新型垂直起降飞机，其特征在于：所述机翼的垂直截面呈平板状或翼型。

3.根据权利要求2所述的一种新型垂直起降飞机，其特征在于：所述机翼的两侧可分别通过所述旋转轴调整水平迎角。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种新型垂直起降飞机，其特征在于：所述机翼包括蒙皮和设置在蒙皮内用于调节所述机翼迎风面形状的调节机构。

5.根据权利要求4所述的一种新型垂直起降飞机，其特征在于：所述调节机构包括沿所述机翼长度方向设置的纵向连杆、平行设置在纵向连杆上的若干组调节连杆组，其中每个调节连杆组包括一个固定在纵向连杆上的横向连杆、第一菱形连杆组、第二菱形连杆组、第三菱形连杆组、分别套设在横向连杆上且可沿横向连杆滑动的第一滑块和第二滑块，第一菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接横向连杆的一端和第一滑块，第二菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接所述机翼上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接第一滑块和第二滑块，第三菱形连杆组的两个对称端分别铰接连接所述机翼上、下方的蒙皮，另两个对称端分别铰接连接第二滑块和横向连杆的另一端。

6.根据权利要求4所述的一种新型垂直起降飞机，其特征在于：在所述机翼下方的所述旋转轴上设有随所述旋转轴转动的短翼，当所述机翼与机身垂直固定时，短翼与所述机身平行固定。

7.一种如权利要求1所述的新型垂直起降飞机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：①垂直起飞阶段：控制机翼两侧的双向发动机分别正向和反向推进，使机翼绕旋转轴转动，飞机垂直起飞；②、巡航阶段：机翼一侧反向推进的双向发动机逐渐降低输出功率，机翼另一侧的正向推进的双向发动机保持输出功率不变，飞机呈螺旋式上升，待反向推进的双向发动机功率降为零时，调整机翼与机身垂直，通过锁紧机构固定机翼，重新启动停机的双向发动机并改为正向推进，调整两侧发动机推力大小，使飞机沿螺旋线的切线方向飞出进入巡航状态；③、垂直降落阶段：锁紧机构释放机翼，逐渐减少机翼一侧正向推进的双向发动机输出功率，待输出功率降至零后，重新启动并改为反向推进，使机翼绕旋转轴转动。

8.根据权利要求7所述的一种新型垂直起降飞机的控制方法，其特征在于：还包括调整机翼水平迎角的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，调节旋转轴两侧的机翼迎角相反，在巡航阶段，当机翼与机身垂直时，调整旋转轴两侧的机翼迎角相同。

9.根据权利要求7或8所述的一种新型垂直起降飞机的控制方法，其特征在于：还包括调整机翼蒙皮形状的步骤，其中在垂直起飞和降落阶段，通过机翼蒙皮内的调节机构使旋转轴两侧的机翼迎风面相反，在巡航阶段，通过机翼蒙皮内的调节机构使旋转轴两侧的机翼迎风面相同。