一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器及其控制方法

1.本发明属于飞行器领域，特别涉及一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器及其控制方法。


背景技术：

2.随着城市化进程，陆用空间日趋饱和，交通拥堵问题日益严重，亟需开发城市空中可用空间，发展垂直式立体交通。直升机具有垂直起降和悬停等功能，对地形依赖性不高，具有较好的灵活性，但其最大前飞速度受到诸多限制；固定翼飞机具有较高的前飞速度，但对地形要求很高，场地建设和维护成本较高，因此结合直升机和飞机的优点，打造一款气动性能好、地形适应性强、飞行速度快、适合城市交通的垂直起降飞行器成为研究热点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，结合倾转涵道及固定翼等技术，提出了一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器及其控制方法。该飞行器具有气动性能好、环境适应性强、巡航时间长、经济性好等特点。
4.本发明所采用的具体技术方案如下：
5.第一方面，本发明提供了一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，包括机身、第一机翼、第二机翼、客舱门、第一平尾、第二平尾、垂直尾翼、第一涵道、第二涵道和第三涵道；
6.所述机身以上单翼布局对称设有第一机翼和第二机翼，以单垂尾布局设有垂直尾翼，以低平尾布局对称设有第一平尾和第二平尾，中部侧面设有用于乘客进出的客舱门；所述第一机翼和第二机翼上分别设有用于滚转操纵的第一副翼和第二副翼，垂直尾翼上设有用于航向操纵的方向舵；所述第一平尾和第二平尾上分别设有用于俯仰操纵的第一升降舵和第二升降舵，外端部分别固定连接有第一涵道和第二涵道，第一涵道中设有第一螺旋桨，第二涵道中设有第二螺旋桨；所述第一平尾内部设有能实现第一平尾和第一涵道同步倾转的第一主梁，第二平尾内部设有能实现第二平尾和第二涵道同步倾转的第二主梁，通过调节第一涵道和第二涵道的倾转方向能使第一螺旋桨和第二螺旋桨产生向前的推力或向上的升力；所述机身头部上方轴线处开设配备涵道舱门的第三涵道，第三涵道中设有第三螺旋桨，第三螺旋桨能产生向上的升力。
7.作为优选，所述第一机翼和第二机翼均为向外弦向长度逐渐缩小的梯形机翼结构，翼型均为naca64-212，前缘后掠角均为15
°
。
8.作为优选，所述第一涵道、第二涵道和第三涵道呈等腰三角形分布，第一涵道和第二涵道对称分布于机身两侧，第三涵道处于机身头部中轴线处。
9.作为优选，所述第一涵道和第二涵道的倾转范围为0～90
°
。
10.作为优选，所述第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨均为共轴反转螺旋桨，每副桨叶数量为4片；当所述第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨产生向上的升力时，三者的轴向均竖直，且每组共轴反转螺旋桨中，位于上方的螺旋桨逆时针旋转，位于下方的螺旋桨
顺时针旋转。
11.作为优选，所述第一平尾、第二平尾和垂直尾翼均采用naca0012对称翼型。
12.作为优选，所述机身的腹部下方沿轴线方向设有第一起落架组和第二起落架组，第一起落架组和第二起落架组均包括沿轴线对称设置的两个起落架，在垂直起降时用于缓冲与支撑机身。
13.作为优选，所述客舱门包括第一舱门和第二舱门，第一舱门和第二舱门分别对称设于机身的中部两侧。
14.作为优选，所述涵道舱门关闭时能与机身呈一体式光顺结构，以减小飞行时的阻力。
15.第二方面，本发明提供了一种根据第一方面任一所述分布式倾转涵道垂直起降飞行器的控制方法，具体如下：
16.通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾和第二平尾与机身水平面之间成90
°
夹角、第一涵道和第二涵道与地面垂直，开启涵道舱门，第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨共同产生向上的升力，使飞行器处于垂直起降或悬停状态；同时，可通过分别控制第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨的转速，以调节飞行器的重心位置，适应不同的运载情况；
17.通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾和第二平尾与机身水平面之间成0
°
夹角、第一涵道和第二涵道与地面平行，关闭涵道舱门，第一螺旋桨和第二螺旋桨共同产生前飞的推力，第一机翼和第二机翼产生升力，使飞行器处于前飞状态；在飞行过程中，可通过控制第一副翼和第二副翼实现飞行器的滚转操纵，通过控制方向舵实现飞行器的航向操纵，通过控制第一升降舵和第二升降舵实现飞行器的俯仰操纵。
18.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
19.1)本发明的飞行器兼备直升机和固定翼飞机的优点，具备较好的地形适应性和巡航性能。该飞行器不需机场或跑道即可进行垂直起降，可以适应复杂的城市交通环境，安全性和适应性较强；在前飞模式下，具备较强的巡航能力，因此具有广泛的应用前景。
20.2)本发明的飞行器在气动方面具有优异的性能，承载能力强，可通过调节螺旋桨的旋转速度调整重心，适应不同的装载情况。
21.3)本发明的飞行器易于操纵，不同的模式转换可以通过控制涵道倾转角度进行操纵。前飞模式下，通过控制副翼、方向舵、升降舵进行姿态角控制，两种模式下的操纵易于转换，操纵效率高。
22.4)本发明的飞行器可靠性高，性能好，灵活性高，适应性强。
附图说明
23.图1为本发明飞行器处于前飞模式下的结构示意图；
24.图2为本发明飞行器处于直升机模式(即垂直起降或悬停状态)下的结构示意图；
25.图3为本发明飞行器舱门开启状态下的结构示意图；
26.图中：第一机翼1，第一副翼2，机身3，涵道舱门4，第二舱门5，第二副翼6，第二机翼7，第二平尾8，第二螺旋桨9，第二涵道10，第二升降舵11，垂直尾翼12，方向舵13，第一升降舵14，第一螺旋桨15，第一涵道16，第一平尾17，第一舱门18，第三螺旋桨19，第三涵道20，第
一起落架组21，第二起落架组22。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.本发明提供了一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，主要包括机身3、第一机翼1、第二机翼7、客舱门、第一平尾17、第二平尾8、垂直尾翼12、第一涵道16、第二涵道10和第三涵道20。其中，第一涵道16、第二涵道10和第三涵道20整体呈三角形分布：第三涵道20为固定涵道，位于机头处，配备可开闭的涵道舱门；另外两个涵道为可倾转的，分别位于水平尾翼两端，涵道与水平尾翼固连，通过水平尾翼内部的主梁可以实现涵道与水平尾翼的倾转，倾转范围至少为0～90
°
。下面将对该飞行器中各部件的结构和连接方式进行具体说明。
29.机身3是整架飞行器的主体部分，整机采用上单翼、单垂尾、低平尾布局，即以上单翼布局对称设有第一机翼1和第二机翼7，以单垂尾布局设有垂直尾翼12，以低平尾布局对称设有第一平尾17和第二平尾8，中部侧面设有用于乘客进出的客舱门，如图3所示。
30.具体的，第一机翼1和第二机翼7对称设于机身3顶部两侧，均为固定翼，一端分别与机身固连，并与机身进行一体化设计，以便具有优良的气动性能。第一机翼1和第二机翼7上分别设有第一副翼2和第二副翼6，第一副翼2和第二副翼6用于实现飞行器在前飞模式下的滚转操纵。在实际应用时，第一机翼1和第二机翼7均可以采用向外侧弦向长度逐渐缩小的梯形机翼结构，翼型均可以采用naca64-212，前缘后掠角均可以采用15
°
，这里的“外侧”是指远离机身的方向。垂直尾翼12设置于机身3尾部的中轴线处，其上设有方向舵13，方向舵13用于实现飞行器在前飞模式下的航向操纵。在实际应用时，垂直尾翼12可以采用naca0012对称翼型。
31.第一平尾17和第二平尾8分别设于机身尾部的靠下位置，两者对称布设。第一平尾17和第二平尾8上分别设有第一升降舵14和第二升降舵11，第一升降舵14和第二升降舵11用于实现飞行器在前飞模式下的俯仰操纵。第一平尾17的一端与机身连接，另一端连接有第一涵道16，第一涵道16中设有第一螺旋桨15，第一平尾17内部设有能实现第一平尾17和第一涵道16同步倾转的第一主梁。第二平尾8的一端与机身连接，另一端连接有第二涵道10，第二涵道10中设有第二螺旋桨9，第二平尾8内部设有能实现第二平尾8和第二涵道10同步倾转的第二主梁。通过调节第一涵道16和第二涵道10的倾转方向能使第一螺旋桨15和第二螺旋桨9产生向前的推力或向上的升力。机身3头部上方轴线处开设配备涵道舱门4的第三涵道20，第三涵道20中设有第三螺旋桨19，第三螺旋桨19能产生向上的升力。在实际应用时，第一主梁和第二主梁可以一体化设置，也可以分开单独设置。第一平尾17和第二平尾8均可以采用naca0012对称翼型。
32.在实际应用时，可以将第一涵道16、第二涵道10和第三涵道20呈等腰三角形分布设置，第一涵道16和第二涵道10对称分布于机身3两侧，第三涵道20处于机身3头部中轴线处，第一涵道16和第二涵道10与第三涵道20之间的距离相同。第一涵道16和第二涵道10的倾转范围可以采用0～90
°
，从而使第一涵道16和第二涵道10既可以与机身水平面平行，以产生向前的推力，又可以与机身水平面垂直，以产生向上的升力。
33.第一螺旋桨15、第二螺旋桨9和第三螺旋桨19均可以采用共轴反转螺旋桨，每副桨
叶数量为4片。当第一螺旋桨15、第二螺旋桨9和第三螺旋桨19产生向上的升力时，三者的轴向均竖直，且每组共轴反转螺旋桨中，位于上方的螺旋桨能逆时针旋转，位于下方的螺旋桨能顺时针旋转。垂直起降时，可通过分别控制三个螺旋桨转速来调节重心位置，以适应不同的运载情况。
34.在机身3的腹部下方沿轴线方向设有第一起落架组21和第二起落架组22，第一起落架组21和第二起落架组22均包括沿轴线对称设置的两个起落架，在垂直起降时用于缓冲与支撑机身3。客舱门可以设置为两个，即第一舱门18和第二舱门5，第一舱门18和第二舱门5分别对称设于机身3的中部两侧，以便于乘客上下。涵道舱门4关闭时能与机身3呈一体式结构，以减小飞行时的阻力。
35.本发明的飞行器具有直升机模式和前飞模式两种工作模式，在实际应用时，根据飞行任务，飞行器通过调整控制第一平尾17和第二平尾8与机身3水平面之间的夹角，以实现两种工作模式的转换，具体如下：
36.如图2所示，通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾17和第二平尾8与机身3水平面之间成90
°
夹角、第一涵道16和第二涵道10与地面垂直，开启涵道舱门4，第一螺旋桨15、第二螺旋桨9和第三螺旋桨19共同产生向上的升力，使飞行器处于垂直起降或悬停状态(即直升机模式)。同时，可通过分别控制第一螺旋桨15、第二螺旋桨9和第三螺旋桨19的转速，以调节飞行器的重心位置，适应不同的运载情况。
37.如图1所示，通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾17和第二平尾8与机身3水平面之间成0
°
夹角、第一涵道16和第二涵道10与地面平行，关闭涵道舱门4，第一螺旋桨15和第二螺旋桨9共同产生前飞的推力，第一机翼1和第二机翼7产生升力，使飞行器处于前飞状态(即前飞模式)；在飞行过程中，可通过控制第一副翼2和第二副翼6实现飞行器的滚转操纵，通过控制方向舵13实现飞行器的航向操纵，通过控制第一升降舵14和第二升降舵11实现飞行器的俯仰操纵。
38.当本发明的飞行器从前飞模式转入直升机模式时，控制第一平尾17和第二平尾8和机身3之间的夹角由水平逐渐形成90
°
，使第一机翼1和第二机翼7逐渐卸载，由第一螺旋桨15、第二螺旋桨9和第三螺旋桨19逐渐承受垂直方向的载荷。当飞行器从直升机模式转入前飞模式时，控制第一平尾17和第二平尾8和机身3之间的夹角由90
°
逐渐水平，使第一机翼1和第二机翼7逐渐加载，同时关闭第三螺旋桨19，第一螺旋桨15和第二螺旋桨9产生的升力逐渐由垂直方向向水平方向倾转。
39.本发明的分布式倾转涵道垂直起降飞行器，具备环境适应性强、巡航性能好，经济性好等优势，在城市交通领域具有广泛的应用前景。
40.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，包括机身(3)、第一机翼(1)、第二机翼(7)、客舱门、第一平尾(17)、第二平尾(8)、垂直尾翼(12)、第一涵道(16)、第二涵道(10)和第三涵道(20)；所述飞行器以上单翼布局对称设有第一机翼(1)和第二机翼(7)，以单垂尾布局设有垂直尾翼(12)，以低平尾布局对称设有第一平尾(17)和第二平尾(8)，中部侧面设有用于乘客进出的客舱门；所述第一机翼(1)和第二机翼(7)上分别设有用于滚转操纵的第一副翼(2)和第二副翼(6)，垂直尾翼(12)上设有用于航向操纵的方向舵(13)；所述第一平尾(17)和第二平尾(8)上分别设有用于俯仰操纵的第一升降舵(14)和第二升降舵(11)，外端部分别固定连接有第一涵道(16)和第二涵道(10)，第一涵道(16)中设有第一螺旋桨(15)，第二涵道(10)中设有第二螺旋桨(9)；所述第一平尾(17)内部设有能实现第一平尾(17)和第一涵道(16)同步倾转的第一主梁，第二平尾(8)内部设有能实现第二平尾(8)和第二涵道(10)同步倾转的第二主梁，通过调节第一涵道(16)和第二涵道(10)的倾转方向能使第一螺旋桨(15)和第二螺旋桨(9)产生向前的推力或向上的升力；所述机身(3)头部上方轴线处开设配备涵道舱门(4)的第三涵道(20)，第三涵道(20)中设有第三螺旋桨(19)，第三螺旋桨(19)能产生向上的升力。2.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述第一机翼(1)和第二机翼(7)均为向外弦向长度逐渐缩小的梯形机翼结构，翼型均为naca64-212，前缘后掠角均为15
°
。3.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述第一涵道(16)、第二涵道(10)和第三涵道(20)呈等腰三角形分布，第一涵道(16)和第二涵道(10)对称分布于机身(3)两侧，第三涵道(20)处于机身(3)头部中轴线处。4.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述第一涵道(16)和第二涵道(10)的倾转范围为0～90
°
。5.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述第一螺旋桨(15)、第二螺旋桨(9)和第三螺旋桨(19)均为共轴反转螺旋桨，每副桨叶数量为4片；当所述第一螺旋桨(15)、第二螺旋桨(9)和第三螺旋桨(19)产生向上的升力时，三者的轴向均竖直，且每组共轴反转螺旋桨中，位于上方的螺旋桨能逆时针旋转，位于下方的螺旋桨能顺时针旋转。6.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述第一平尾(17)、第二平尾(8)和垂直尾翼(12)均采用naca0012对称翼型。7.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述机身(3)的腹部下方沿轴线方向设有第一起落架组(21)和第二起落架组(22)，第一起落架组(21)和第二起落架组(22)均包括沿轴线对称设置的两个起落架，在垂直起降时用于缓冲与支撑机身(3)。8.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述客舱门包括第一舱门(18)和第二舱门(5)，第一舱门(18)和第二舱门(5)分别对称设于机身(3)的中部两侧。9.根据权利要求1所述的一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器，其特征在于，所述涵道舱门(4)关闭时能与机身(3)呈一体式光顺结构，以减小飞行时的阻力。
10.一种根据权利要求1～9任一所述分布式倾转涵道垂直起降飞行器的控制方法，其特征在于，具体如下：通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾(17)和第二平尾(8)与机身(3)水平面之间成90
°
夹角、第一涵道(16)和第二涵道(10)与地面垂直，开启涵道舱门(4)，第一螺旋桨(15)、第二螺旋桨(9)和第三螺旋桨(19)共同产生向上的升力，使飞行器处于垂直起降或悬停状态；同时，可通过分别控制第一螺旋桨(15)、第二螺旋桨(9)和第三螺旋桨(19)的转速，以调节飞行器的重心位置，适应不同的运载情况；通过调控第一主梁和第二主梁，令第一平尾(17)和第二平尾(8)与机身(3)水平面之间成0
°
夹角、第一涵道(16)和第二涵道(10)与地面平行，关闭涵道舱门(4)，第一螺旋桨(15)和第二螺旋桨(9)共同产生前飞的推力，第一机翼(1)和第二机翼(7)产生升力，使飞行器处于前飞状态；在飞行过程中，可通过控制第一副翼(2)和第二副翼(6)实现飞行器的滚转操纵，通过控制方向舵(13)实现飞行器的航向操纵，通过控制第一升降舵(14)和第二升降舵(11)实现飞行器的俯仰操纵。

技术总结
本发明公开了一种分布式倾转涵道垂直起降飞行器及其控制方法，属于飞行器领域。飞行器整机采用上单翼、单垂尾、低平尾布局，第一平尾和第二平尾的外端部分别固定连接有第一涵道和第二涵道，第一平尾内部设有能实现第一平尾和第一涵道同步倾转的第一主梁，第二平尾内部设有能实现第二平尾和第二涵道同步倾转的第二主梁，通过调节第一涵道和第二涵道的倾转方向能使第一螺旋桨和第二螺旋桨产生向前的推力或向上的升力；机身头部上方轴线处开设配备涵道舱门的第三涵道，第三涵道中设有第三螺旋桨，第三螺旋桨能产生向上的升力。该飞行器同时具备垂直起降能力与快速前飞性能，具有环境适应性强、巡航性能好，经济性好等优势。经济性好等优势。经济性好等优势。


技术研发人员：黎军 曾丽芳 邵雪明 刘鎏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8