CN117545690A - 垂直起飞的飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直起飞的飞行器(1)，其具有两个布置在飞行器(1)的飞机机身(2)处的机翼。沿着每个机翼(3)可摆动地在机翼处分别布置至少一个摆动驱动单元(5)。可以将所述至少一个摆动驱动单元(5)置于竖直飞行位置中和水平飞行位置中。摆动驱动单元(5)在竖直飞行位置中产生对于飞行器(1)的竖直飞行运动必要的升力并且在水平飞行位置中产生对于飞行器(1)的水平飞行运动必要的推进力。在每个机翼(3)处至少一个竖直驱动单元(6)刚性地在竖直飞行位置中布置。

Description

垂直起飞的飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直起飞的飞行器，其具有布置在飞行器的飞机机身处的两个机翼，其中沿着每个机翼分别在机翼处可摆动地布置至少一个摆动驱动单元，并且可以将该摆动驱动单元置于竖直飞行位置中和水平飞行位置中，其中摆动驱动单元在竖直飞行位置中产生对于飞行器的竖直飞行运动必要的升力并且在水平飞行位置中产生对于飞行器的水平飞行运动必要的推进力。

背景技术

垂直起飞的飞机尤其作为无人机和在军事领域中使用。这些飞机通常具有两个布置在飞机机身的相对而置的侧的机翼，其中在机翼处两个驱动单元分别在承载元件、例如引擎机舱中可摆动支承地布置，所述承载元件匹配于各自的使用目的并且与机翼刚性地连接。还已知如下飞机：在所述飞机中不构造分离的飞机机身并且机翼由两个沿着纵向轴线对称地设计的半翼形成，其中在半翼处两个驱动单元分别在承载元件中可摆动支承地布置，所述承载元件匹配于各自的使用目的并且与半翼刚性地连接。

尤其地在多旋翼飞行器的情况下，为了控制偏航角和翻滚角，以实现多旋翼飞行器的期望的偏航和翻滚，通过合适地操控在多旋翼飞行器中不可以摆动的驱动单元来实现。在此驱动单独地预设由相应的驱动单元提供的功率，以便经由以这种方式产生的升力区别和扭矩差别产生偏航和翻滚。通常通过翻滚角、俯仰角和偏航角描述在三维空间中飞机的定向。在此不同的角度描述飞机从零位置出发围绕飞机纵向轴线、横向轴线以及竖直轴线的转动角度，该零位置例如可以相应于在地面上站立的飞机的定向。在此飞行器的翻滚轴线通常应等同于飞行器的纵向轴线，其中飞行器以翻滚角的翻滚或翻转围绕该翻滚轴线进行。飞行器的俯仰轴线表示垂直于翻滚轴线定向的横向轴线，其中飞行器以俯仰角的俯仰或倾斜围绕该俯仰轴线进行。飞行器的偏航轴线表示垂直于翻滚轴线和偏航轴线定向的高度轴线，其中飞行器以偏航角的偏航或摇摆围绕该偏航轴线进行。

此外，从现有技术中已知垂直起飞的飞机，在这些飞机的情况下驱动单元直接可摆动支承在机翼处，例如在机翼内伸延的承载结构处。在此分别利用单独的摆动驱动器将驱动单元置于竖直飞行位置和水平飞行位置中。在文献WO2014/016226Al中描述了这种垂直起飞的飞机。在该垂直起飞的飞机的情况下设置成，在水平飞行位置中机翼面上方的第一驱动单元和机翼面下方的第二驱动单元布置在机翼处，并且在竖直飞行位置中第一驱动单元和第二驱动单元布置在大约水平的平面中。以这种方式在竖直飞行阶段中在地面附近实现第一驱动单元和第二驱动单元的统一的地面效应，从而尤其地在起飞阶段和降落阶段中实现更平稳的飞行特性。在水平飞行位置中第一驱动单元和第二驱动单元不相对彼此流向，从而由此不发生效率损失。由于所有的驱动单元可以摆动到竖直飞行位置中且可以摆动到水平飞行位置中，竖直飞行阶段的特别精确的控制是可行的。然而不利的是垂直起飞的飞机的大的总重量，该总重量由于对于每个驱动单元单独地安装的摆动驱动器而产生。此外，由于在机翼处布置的驱动单元或摆动驱动器的大的重量，飞行器的机翼和飞机机身之间的连接区域必须设计得特别稳定和有承载能力，由此增大飞行器的总重量。

尤其地对于飞行器的竖直飞行位置，在飞行器垂直的起飞期间，驱动单元的大的驱动功率是必要的。通过飞行器的大的总重量限制了供使用的和通过电池容量限制的剩余飞行时间或供使用的剩余飞行距离。

发明内容

因此，视为本发明的任务是提供一种轻的垂直起飞的飞行器。

该任务根据本发明通过以下解决，在每个机翼处至少一个竖直驱动单元刚性地在竖直飞行位置中布置。在水平飞行运动期间，摆动驱动单元摆动到水平飞行运动的方向中或逆着水平飞行运动的方向摆动，从而摆动驱动单元产生对于水平飞行运动必要的驱动。刚性地布置在机翼处的和在竖直飞行位置中定向的竖直驱动单元仅仅在竖直飞行阶段期间产生对于竖直飞行运动必要的升力。在水平飞行运动期间，它们侧向上被流向，由此产生与摆动到水平飞行方向中或逆着水平飞行方向摆动的摆动驱动单元相比更大的流动阻力。由于竖直驱动单元不具有摆动驱动器，竖直驱动单元可以设计得特别减轻重量。由此作用于机翼处的重力也特别小，从而机翼总体来说和尤其在机翼和飞机机身之间的连接区域中可以设计得特别轻。总体来说，可以由此制造特别减轻重量的飞行器，由此在飞行器垂直起飞时，在竖直飞行阶段期间需要较小的驱动功率。

为了改善在竖直飞行位置中飞行器的侧向机动性和偏航特性，在本发明构思的有利的实施中设置成，在竖直飞行位置中至少一个摆动驱动单元和至少一个竖直驱动单元如此定向，使得在分别通过摆动驱动单元和竖直驱动单元产生的升力的方向和在通过飞行器的翻滚轴线和飞行器的俯仰轴线展开的平面上垂直存在的轴线之间包夹攻角。通过改变各个置于攻角下的摆动驱动单元或竖直驱动单元的驱动功率，可以产生侧向上的推力，由此实现飞行器围绕偏航轴线的偏航或围绕翻滚轴线的翻滚。刚性地布置的竖直驱动单元可以有利地并且根据本发明如此定向，以至于通过相对而置的竖直驱动单元产生的升力彼此消除，只要各自的驱动功率一样大。偏航或翻滚要么通过各自的驱动功率的匹配引起，且/要么通过摆动至少一个摆动驱动单元引起。摆动驱动单元和竖直驱动单元的攻角可以根据本发明如此选择，以至于升力的水平的分力指向飞行器的方向或指向飞行器的相反方向、指向飞行方向或与飞行方向相反指向。

为了进一步改善垂直起飞的飞行器的飞行特性，在本发明构思的有利的实施中设置成，至少一个摆动驱动单元到飞行器的纵向轴线的第一距离小于至少一个竖直驱动单元到飞行器的纵向轴线的第二距离。通过选择飞行器的摆动驱动单元和纵向轴线之间小的距离，通过摆动驱动单元的重力在机翼和飞机机身之间的连接区域中产生的弯矩特别小。由此机翼和尤其连接区域可以设计得特别小并且由此设计得节省重量，由此也可以制造特别轻的飞行器。适宜地将摆动驱动单元尽可能近地布置到飞行器的纵向轴线处或布置在飞机机身处。最小的可行的距离例如通过摆动驱动单元的转子的转子直径。此外，通过摆动驱动单元在飞机机身的附近布置使机翼结构总体来说更坚硬，从而在机翼中出现更小的弯曲振动。由此尤其地改善在竖直飞行中的机动性并且得到更平稳的飞行特性。

通过将摆动驱动单元布置成具有到飞行器的纵向轴线小的距离，在摆动驱动单元的水平飞行位置中在摆动驱动单元的驱动功率变化时，产生围绕飞行器的偏航轴线指向的偏航力矩的小的变化。有利地可以通过预设布置在相对而置的机翼处的摆动驱动单元的驱动功率而补偿偏航力矩变化。

有利地，根据本发明如此设计摆动驱动单元和竖直驱动单元，以至于在摆动驱动单元或竖直驱动单元失效的情况下，通过可起作用的摆动驱动单元和竖直驱动单元的供使用的驱动功率平衡对于竖直飞行运动必要的升力或对于水平飞行运动必要的推进力。

为了实现在摆动驱动单元或竖直驱动单元失效的情况下飞行器的继续飞行，在本发明的有利的设计方案中设置成，两个摆动驱动单元和两个竖直驱动单元布置在机翼处，其中两个摆动驱动单元和两个竖直驱动单元分别在飞行器的水平飞行方向中相继布置，并且大致以到飞行器的纵向轴线相同的距离布置。由于两个摆动驱动单元和两个竖直驱动单元分别在水平飞行方向中相继布置，摆动驱动单元和竖直驱动单元的控制可以类似于多旋翼飞行器的控制特别简单地实现。

在根据本发明的垂直起飞的飞行器的有利的设计方案中设置成，摆动驱动单元和竖直驱动单元分别具有承载臂，利用该承载臂将摆动驱动单元和竖直驱动单元固定在机翼处。由此可以独立于机翼宽度和长度选择摆动驱动单元和竖直驱动单元之间的距离。由此可以彼此之间尽可能大地选择摆动驱动单元和竖直驱动单元之间的距离，从而通过由摆动驱动单元和竖直驱动单元产生的升力的变化以特别大的份额有助于偏航运动或翻滚运动的控制以及有助于飞行器围绕偏航轴线、翻滚轴线或俯仰轴线的转动。由此实现在竖直飞行阶段期间的特别稳定的飞行特性。

在本发明构思的有利的设计方案中设置成，两个在水平飞行方向中相继布置的摆动驱动单元在水平飞行位置中分别布置在水平面的上方和下方，其中水平面平行于通过飞行器的翻滚轴线和通过飞行器的俯仰轴线展开的平面布置。在水平飞行位置中，在水平飞行方向中相继布置的摆动驱动单元不相对彼此流向，从而由此不发生效率损失。在此也可以使水平面与通过飞行器的翻滚轴线和通过飞行器的俯仰轴线展开的平面重合。

在本发明构思的有利的实施中设置成，两个在水平飞行方向中相继布置的摆动驱动单元在竖直飞行位置中布置在水平面内。以这种方式在竖直飞行阶段中在地面附近实现在竖直飞行位置中定向的摆动驱动单元的统一的地面效应，从而尤其在飞行器的起飞阶段和降落阶段中实现更平稳的飞行特性。然而，与这种布置的轻微偏离(所述偏离例如可以归因于制造公差)不妨碍或仅仅轻微地妨碍飞行器的飞行特性。

在本发明构思的有利的实施中设置成，摆动驱动单元和通过机翼展开的机翼平面之间的竖直距离可以通过在承载臂的纵向轴线和机翼平面之间包夹的攻角预设。在此可以如此预设攻角，以至于摆动驱动单元在竖直飞行位置中基本上布置在水平面中并且在水平飞行位置中布置在水平面的上方和下方。适宜地如此在机翼处布置承载臂，以至于在竖直飞行位置中，第一摆动驱动单元在水平飞行方向中位于机翼的前面并且第二摆动驱动单元在水平飞行方向中位于机翼的后面。在此可以如此设计承载臂并且将承载臂如此布置在机翼处，以至于在水平飞行方向中相继布置的摆动驱动单元在水平飞行位置中基本上布置在机翼的下方和上方。由于摆动驱动单元在水平飞行方向中布置在机翼的前面和后面，可以延长该机翼并且如此产生额外的机翼展弦比(Flügelstreckung)。由此降低在水平飞行中机翼的诱发的阻力并且改善飞行性能。

为了在飞行器的起飞阶段和降落阶段中在地面附近实现特别稳定的飞行特性，在本发明有利的设计方案中设置成，在水平飞行方向中相继布置的竖直驱动单元布置在水平面内。以这种方式在竖直飞行阶段中在地面附近实现以竖直飞行位置定向的竖直驱动单元的统一的地面效应。

为了在竖直飞行阶段中实现飞行器的特别稳定的飞行特性，在本发明构思的有利的设计方案中设置成，摆动驱动单元分别具有摆动装置，从而可以彼此独立地执行摆动驱动单元的摆动运动。通过多个可摆动的摆动驱动单元的冗余，即使在一个摆动驱动单元失效的情况下也可以保持获得飞行器的机动性，从而实现飞行器的继续飞行。

特别成本适宜的结构和特别好的飞行特性根据本发明通过以下实现，摆动驱动单元和竖直驱动单元是螺旋桨驱动器或叶轮驱动器或喷气动力装置。螺旋桨驱动器适宜地实施成刚性的或具有转子叶片调整部。

附图说明

根据本发明的垂直起飞的飞行器的另外的优势和设计方案根据在附图中示出的实施示例进一步阐述。在此：

图1示出垂直起飞的飞行器在水平飞行中的示意图，

图2示出垂直起飞的飞行器在竖直飞行中的示意图并且

图3示出垂直起飞的飞行器在水平飞行中的前视图的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了垂直起飞的飞行器1在水平飞行中的示意图。飞行器1具有两个布置在飞行器1的飞机机身2处的机翼3。在每个机翼3处分别布置了两个在水平飞行方向4中相继布置的摆动驱动单元5并且分别布置了两个在水平飞行方向4中相继布置的竖直驱动单元6。在此摆动驱动单元5和竖直驱动单元6分别具有承载臂7，利用该承载臂将摆动驱动单元5和竖直驱动单元6固定在机翼3处。可以将摆动驱动单元5置于竖直飞行位置中和水平飞行位置中。竖直驱动单元6刚性地在竖直飞行位置中布置。在水平飞行运动期间，摆动驱动单元5在水平飞行方向4上或逆着水平飞行方向4摆动，从而摆动驱动单元5产生对于水平飞行运动必要的驱动。刚性地布置在机翼3处的和在竖直飞行位置中定向的竖直驱动单元6仅仅在竖直飞行阶段中产生对于竖直飞行运动必要的升力。两个在水平飞行方向4中相继布置的摆动驱动单元5到飞行器1的纵向轴线9的第一距离8小于两个在水平飞行方向4中相继布置的竖直驱动单元6到飞行器1的纵向轴线9的第二距离10。

在图2中示出了垂直起飞的飞行器1在竖直飞行中的示意图。在此摆动驱动单元5和竖直驱动单元6分别具有承载臂7，利用该承载臂将摆动驱动单元5和竖直驱动单元6固定在机翼3处。摆动驱动单元6和通过机翼3展开的机翼平面12之间的竖直距离11可以通过在承载臂7的纵向轴线和机翼平面12之间包夹的攻角13预设。摆动驱动单元5在竖直飞行位置中呈现。竖直驱动单元6刚性地布置在竖直飞行位置中。在竖直飞行运动期间，摆动驱动单元5摆动到竖直飞行位置中，从而刚性布置在机翼3处的摆动驱动单元5和竖直驱动单元6产生对于竖直飞行运动必要的升力。

在图3中示出了垂直起飞的飞行器1在水平飞行中的前视图的示意图。两个在图3中未呈现的水平飞行方向4中相继布置的摆动驱动单元5在水平飞行位置中分别布置在水平面14的上方和下方，其中水平面14平行于通过飞行器1的翻滚轴线15和通过飞行器1的俯仰轴线16展开的平面布置。从而在水平飞行位置中，在水平飞行方向4中相继布置的摆动驱动单元5不相对彼此流向。

Claims (11)

1.一种垂直起飞的飞行器(1)，其具有布置在所述飞行器(1)的飞机机身(2)处的两个机翼，其中沿着每个机翼(3)可摆动地在所述机翼处分别布置至少一个摆动驱动单元(5)，并且可以将所述至少一个摆动驱动单元(5)置于竖直飞行位置中和水平飞行位置中，其中所述摆动驱动单元(5)在所述竖直飞行位置中产生用于所述飞行器(1)的竖直飞行运动必要的升力，并且在所述水平飞行位置中产生用于所述飞行器(1)的水平飞行运动必要的推进力，其特征在于，在每个机翼(3)处至少一个竖直驱动单元(6)刚性地在竖直飞行位置中布置。

2.根据权利要求1所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，在竖直飞行位置中，至少一个摆动驱动单元(5)和至少一个竖直驱动单元(6)如此定向，以至于在分别通过所述摆动驱动单元(5)和所述竖直驱动单元(6)产生的升力的方向和在通过所述飞行器(1)的翻滚轴线(15)和所述飞行器(1)的俯仰轴线(16)展开的平面上垂直存在的轴线之间包夹攻角。

3.根据权利要求1或2所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，所述至少一个摆动驱动单元(5)到所述飞行器(1)的纵向轴线(9)的第一距离(8)小于所述至少一个竖直驱动单元(6)到所述飞行器(1)的纵向轴线(9)的第二距离(10)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，两个摆动驱动单元(5)和两个竖直驱动单元(6)布置在所述机翼(3)处，其中所述两个摆动驱动单元(5)和所述两个竖直驱动单元(6)分别在所述飞行器(1)的水平飞行方向(4)中相继布置，并且大致以到所述飞行器(1)的纵向轴线(9)相同的距离布置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，所述摆动驱动单元(5)和所述竖直驱动单元(6)分别具有承载臂(7)，所述摆动驱动单元(5)和所述竖直驱动单元(6)用所述承载臂固定在所述机翼(3)处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，两个在水平飞行方向(4)中相继布置的摆动驱动单元(5)在水平飞行位置中分别布置在水平面(14)的上方和下方，其中所述水平面(14)平行于通过所述飞行器(1)的翻滚轴线(15)和所述飞行器(1)的俯仰轴线(16)展开的平面布置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，两个在水平飞行方向(4)中相继布置的摆动驱动单元(5)在竖直飞行位置中布置在所述水平面(14)内。

8.根据权利要求6或7所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，通过在所述承载臂(7)的纵向轴线(9)和机翼平面(12)之间包夹的攻角(13)，可以预设所述摆动驱动单元(5)和通过所述机翼(3)展开的所述机翼平面(12)之间的竖直距离(11)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，在水平飞行方向(4)中相继布置的竖直驱动单元(6)布置在所述水平面(14)内。

10.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，所述摆动驱动单元(5)分别具有摆动装置，从而可以彼此独立地执行所述摆动驱动单元(5)的摆动运动。

11.根据前述权利要求中任一项所述的垂直起飞的飞行器(1)，其特征在于，所述摆动驱动单元(5)和所述竖直驱动单元(6)是螺旋桨驱动器或叶轮驱动器或喷气动力装置。