CN110723284A - 一种可倾转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可倾转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，在飞行器的左前和右前机翼的后边沿外侧上方各安装有一个可倾斜旋转的涵道风扇5和9，在机尾部边沿外侧尾翼的中间安装有一个可倾斜旋转的涵道风扇6，涵道风扇5、6和9为电驱动；当涵道风扇5、6和9的轴线处于垂直方向时，升力的大小决定飞行器垂直方向的上升或下降；垂直起飞时，升到预定高度涵道风扇开始同步倾斜旋转产生向前分力，飞行器向前平飞，当涵道风扇旋转为水平方向时，就转变为由固定翼产生升力，涵道风扇提供推力，飞行器巡航飞行；垂直降落时，涵道风扇同步旋转为垂直方向，水平飞行速度逐渐减小为零，控制并减小涵道风扇的出力飞行器开始降落。

Description

一种可倾转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直升降固定翼飞行器，特别是涉及一种采用可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器。

背景技术

固定翼飞行器和旋翼直升机各有特色，将用于垂直升降的旋翼与固定翼相结合的飞行器已有应用，这种垂直升降固定翼飞行器得益于飞控技术的完善而发展，这种既可垂直升降又能巡航平飞的飞行器兼具了两种飞行器的优点。

在垂直升降固定翼飞行器中一类是尾座式垂直升降固定翼飞行器，这类飞行器在起飞时机身为垂直状态，上升到一定高度以后转为平飞，在降落时需要机身由平飞状态转垂直状态，整机在机身转换姿态时重心位置发生变化，应用受限。

一类较多的应用是垂直升降固定翼飞行器将水平旋翼组装在固定机翼上，水平旋翼主要工作在飞行器的上升和降落阶段，由机尾的螺旋桨推动飞行器转入平飞，水平旋翼在平飞时停止工作或仅用于姿态调整，在飞行器平飞阶段依靠固定机翼获得升力，这种机型可以实现较长航时的飞行，多用于小型机。

将可倾斜旋转的旋翼与固定翼进行组合有了较多的应用，更好的体现了旋翼飞行器的起降特点和固定翼飞行器的基本优点，可倾斜旋转旋翼固定翼飞行器在垂直起降与平飞之间的转换已能很好的过渡，这种飞行器显示了良好的应用前景；常见的有旋翼单独倾斜旋转的飞行器，起降阶段通过控制旋翼转速改变升力并调节姿态，在升降与平飞转换阶段旋翼的倾斜角度进行改变，垂直和前飞的分力因此发生变化，在飞行器进入平飞时旋翼倾斜旋转到向前飞行方向，旋翼主要产生前进的推力，固定翼产生升力；还有一种旋翼与固定翼一起同时倾斜旋转的飞行器。

不足的是中小型旋翼飞行器因为旋翼位置较低，容易发生碰撞损坏浆叶，甚至因人员接近而发生安全事故，很多飞行器由此而加装旋翼保护圈；可倾斜旋转旋翼固定翼飞行器的旋翼由于需要倾斜旋转，对其的保护就显得困难。

中大型旋翼飞行器的旋翼直径很大，起飞时不能旋转到水平推力的位置，难以利用固定翼实现滑跑起飞。

涵道风扇是一种航空动力来源，得益于现代飞控技术的提高，由可倾斜旋转的涵道风扇替换旋翼为新型飞行器的设计提供了可行的技术方案。

混合/分布式电驱动是未来飞行器的发展方向，可以灵活分布的电动涵道风扇可增大涡轮发电机的等效涵道比，采用电动涵道风扇已是重要的技术方向。

发明内容

为克服可倾旋翼固定翼飞行器难以滑跑起飞的不足，本发明选择涵道风扇作为飞行器的动力，由于涵道风扇的浆叶安装在涵道之内，风扇浆叶得到了保护，接近的人员也较为安全，

本发明将涵道风扇设计为可倾斜旋转，通过与固定翼飞行器相结合，为大中小型的飞行器利用固定翼在承载较大载荷时实现短距离滑跑起飞和降落成为可能，巡航时利用固定翼的升力节约能源使飞行器的航程得到增加。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明选择在飞行器机身的左右两侧前机翼的后边沿外侧之上部设置涵道风扇，在机尾的后边沿外侧之上部同时设置涵道风扇，在垂直起降时涵道风扇产生的升力中心与飞行器的重心和前后固定翼的升力中心基本重合，飞行器的稳定性好，安全性得到提高。

本发明选择在涵道风扇的腰部两端设置转轴，一端转轴由机身输出轴控制涵道风扇的倾斜旋转并定位起始角度；由于飞行器的载荷由转轴传递到提供升力的涵道风扇，在垂直起降时固定机翼的质量也是涵道风扇的载荷，如果涵道风扇的转轴设计为单端悬臂，单端的悬臂转轴因此将承受较大的弯曲力矩，为减小转轴承受的弯曲力矩，在主机翼上面设置了支承架，为涵道风扇的另一端转轴提供支承，加强后的主机翼由此分担涵道风扇转轴的载荷。

作为优选，本发明选用的可倾斜旋转的涵道风扇为电力驱动，这种涵道风扇的布局和调控都比较灵活。

作为优选，所述可倾斜旋转的涵道风扇设置在左和右前机翼的后边沿外侧之上部，巡航飞行时涵道风扇向前倾斜与机身平行时，其进气口处于主机翼的上方，无进气障碍；排气口气流避开主机翼和机身，无气流扰动。

作为优选，所述设置在左和右前机翼的后边沿外侧之上部的可倾斜旋转的涵道风扇，垂直起降时涵道风扇旋转向上与机身垂直，其进气口处于主机翼的上方，无进气障碍，其排气口处于主机翼后边沿外侧，排气口气流避开主机翼，无气流扰动。

作为优选，所述设置在左和右前机翼的后边沿外侧之上部的可倾斜旋转的涵道风扇，其空间位置保证涵道风扇在倾斜旋转的角度范围内进气口均无进气障碍，排气口均避开正对机身和前后机翼。

作为优选，所述在飞行器尾部设置的涵道风扇在巡航飞行时向前倾转到与机身平行时，其进气口处于机身尾部的上方，无进气障碍，排气口处于机身尾部之外，气流避开了机尾。

作为优选，所述在飞行器尾部设置的涵道风扇在垂直起降时旋转向上与机身垂直，进气口无进气障碍，排气口处于机身尾部之外，排气口气流避开了机尾。

作为优选，所述设置在机尾的后边沿外侧之上部的可倾斜旋转的涵道风扇，其空间位置保证涵道风扇在倾斜旋转的角度范围内进气口均无进气障碍，排气口均避开正对机身和前后机翼。

作为优选，所述可倾斜旋转的多个涵道风扇的轴线与机身轴线在安装时按相同角度定位，并保证实现同步倾斜旋转。

作为优选，所述可倾斜旋转的涵道风扇可以由电动机分别调速，实现飞行器的姿态控制。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.充分利用固定翼飞行器的升力有利于节约能源增加航程，通过涵道风扇同步倾斜旋转实现了垂直起降与平飞的转换；

2.设置在机身左右的涵道风扇使飞行器左右平衡调整容易，在机身尾部安装的涵道风扇使得飞行器的前后平衡容易控制，飞行器的稳定性得到了保障；

3.由于涵道风扇是同角度定位并同步倾斜旋转，飞行器在垂直起降与平飞转换的过渡过程始终处于平稳的状态，增加了飞行器的安全性；

4.在涵道风扇与机身保持适当仰角时，可实现飞行器在大载荷短跑道滑行起降。

附图说明

图1为本发明飞行器垂直起降时涵道风扇与机身处于垂直状态图；

图2为本发明飞行器垂直起降与平飞转换过渡时涵道风扇倾斜状态图；

图3为本发明飞行器巡航飞行时涵道风扇轴线与机身轴线平行状态图。

附图中：1是飞行器的左前机翼，2是飞行器的机身，3是飞行器的右前机翼，4是右前机翼上涵道风扇的支承架，5是右前机翼涵道风扇，6是机尾涵道风扇，7是V形尾翼，8是机尾涵道风扇与V形尾翼7的支承架，9是左前机翼涵道风扇，10是左前机翼上涵道风扇的支承架，11是飞行器的带滑轮起落架。

具体实施方式

结合附图，本实施方式以本发明为前提进行实施，给出了详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施方式。

如图1所示，本发明首先在飞行器机身2前部设计了左前机翼1和右前机翼3，在机身2的尾部设计了V形尾翼7，满足基本的飞行器气动布局；采用电驱动的涵道风扇5、6和9提供飞行动力，为满足飞行器的垂直起降将要求，将涵道风扇5、6和9设计为可以绕转轴倾斜旋转的方式，为保持飞行器在垂直起降和平飞的过程安全平稳的过渡，涵道风扇6设置在机身2尾部的中间，涵道风扇5、6和9的位置形成了飞行器易于平衡且稳定的3点式布局。

如图1所示，在飞行器垂直起飞时，涵道风扇5、6和9旋转到垂直位置，涵道风扇5、6和9工作时在涵道前端进气口形成负压，产生吸力，在涵道后端排气口喷出气流，产生推力，当由此产生的上升力大于飞行器的总重量时，飞行器开始上升，在飞行器上升的过程中，飞控***通过调节电动机的转速，分别改变涵道风扇5、6和9的出力，保持飞行器的平衡。

在飞行器垂直下降时，涵道风扇5、6和9也处于与机身2垂直的位置，减小涵道风扇5、6和9的出力，保持飞行器的平衡，平稳下降。

如图2所示，当飞行器上升到设定高度时，涵道风扇5、6和9开始同步向前倾斜旋转，涵道风扇5、6和9产生的力分解为升力和向前方的推力，飞行器在维持高度的同时获得向前飞的动力，飞行器逐步过渡到水平飞行，当水平飞行达到一定速度时，固定机翼1、3和7产生的升力足够大飞行器进入巡航飞行，涵道风扇5、6和9逐渐旋转到与机身2的平行方向提供推力。

当飞行器完成巡航飞行到达预定位置时，飞行器降低飞行速度，飞行器进入平飞转垂直降落状态，涵道风扇5、6和9开始逐渐倾斜旋转，涵道风扇5、6和9产生的力分解为向前方的推力和垂直方向的升力，前进方向的推力逐渐减小，垂直方向的升力增大，最后全部转为垂直方向的升力，实现平稳降落。

如图3所示，当飞行器进入巡航飞行时，固定机翼1、3和7产生的升力已足够承载飞行器的总重量，涵道风扇5、6和9的轴线旋转与机身2的轴线平行，由于涵道风扇5、6和9产生的推力足够大，飞行器可以获得较大的推重比。

如图1、图2和图3所示，涵道风扇5、6和9在倾斜旋转的角度范围内，其空间位置的设定保证其进气口无进气障碍，排气口均避开正对机身2，排气口也完全避开前机翼1、3和V形尾翼7。

10是涵道风扇9在左前机翼1的支承架，用以支承涵道风扇9的一端转轴；4是涵道风扇5在右前机翼3的支承架，用以支承涵道风扇5的一端转轴；8是在机身2尾部涵道风扇6的支承架，支承架8同时是V形尾翼7的支承。

本发明设计的飞行器的涵道风扇5、6和9由机身内的同步传动装置控制实现同角度定位并同步倾斜旋转，涵道风扇5由机身2右侧输出的转轴带动，涵道风扇9由机身2左侧输出的转轴带动，涵道风扇6由支承架8的一端输出的转轴带动。

本发明设计的飞行器的涵道风扇5、6和9可以分别调整电动机转速，用于改变风扇推力的大小，以实现飞行器的姿态控制。

本发明设计的飞行器设置了带滑轮起落架11，大载荷时飞行器可以通过短距离滑跑起飞，使飞行器垂直起降时必需减小载荷的问题得以解决。

Claims (10)

1.一种安装可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征在于：飞行器在左主机翼1的后边沿外侧上方安装有一个可以倾斜旋转的涵道风扇9，飞行器在右主机翼3的后边沿外侧上方安装有一个可以倾斜旋转的涵道风扇5，飞行器在机身2的尾部后边沿外侧上方安装有一个可以倾斜旋转的涵道风扇6，涵道风扇5、6和9的轴线相对机身轴线为相同角度安装并同步进行倾斜旋转，垂直起降时涵道风扇5、6和9产生的升力与飞行器的重心和前后固定机翼的升力中心基本重合，涵道风扇5、6和9的布局特点包括：

a.涵道风扇5和9在倾斜向前与机身2平行时，其进气口处于主机翼1、3的上方，无进气障碍，其排气口气流均避开正对机身2和前机翼1、3和V形尾翼7；

b.涵道风扇5和9在旋转向上与机身2垂直时，其进气口无进气障碍，其排气口处于主机翼1、3后边沿外，排气口气流避开了主机翼1、3，主机翼1、3的后边沿设计为与涵道配合的弧形；

c.涵道风扇5和9在倾斜旋转的过程中，进气口均无进气障碍，排气口气流均避开正对机身2和前机翼1、3和V形尾翼7；

d.涵道风扇6在向前旋转到与机身2平行时，其进气口处于机身2尾部的上方，无进气障碍，排气口气流避开正对机身2和V形尾翼7；

e.涵道风扇6在旋转到向上与机身2垂直时，其进气口处于机身2尾部的上方，无进气障碍，其排气口处于机身2尾部后边沿之外，排气口气流避开了机身2的尾部，机翼后边沿设计为与涵道配合的弧形；

f.涵道风扇6在倾斜旋转的过程中，进气口均无进气障碍，排气口气流避开正对机身2和V形尾翼7。

2.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：涵道风扇5、6和9分别可以是由多个相同涵道风扇并列组合的结构形式。

3.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：涵道内的风扇都是由电动机直接驱动，并且可以分别由电动机调整转速而控制气流，用于飞行器姿态的调整。

4.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：涵道风扇5、6和9的可倾斜旋转轴在其腰部两侧伸出并与涵道风扇的轴线垂直。

5.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：涵道风扇5由机身2右侧输出的转轴带动，涵道风扇9由机身2左侧输出的转轴带动，涵道风扇6由支承架8的一端输出的转轴带动。

6.如权利要求5所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：控制涵道风扇5、6和9倾斜旋转的转轴保证涵道风扇5、6和9的轴线与机身2的轴线同角度定位安装并同步倾斜旋转。

7.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：在主机翼1、3上面设有涵道风扇的支承架4、10，涵道风扇5的右端转动轴由右主机翼3上表面竖立的支承架4支承，涵道风扇9的左端转动轴由左主机翼1上表面竖立的支承架10支承。

8.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：机身2尾部的支承架8的两边作为涵道风扇6的两端轴的支承，其中一边在支承的同时也提供与涵道风扇5和9的同步倾斜旋转扭矩。

9.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：设置在机身2尾部的支承架8是涵道风扇6的支承，支承架8同时也是V形尾翼7的支承。

10.如权利要求1所述的可倾斜旋转涵道风扇的垂直升降固定翼飞行器，其特征是：机身下设有供飞行器短距离滑跑起落时使用的带滑轮起落架11。

Images