[0001] 技术领域

[0002] 本发明涉及一种垂直起降飞行器， 尤其涉及一种尾坐式飞行器。

[0003] 背景技术

[0004] 尾坐式 （Tail-Sitter) 飞行器是一种起飞、 着陆吋都是机尾冲地垂直起降飞行器

， 起飞吋达到一定高度后改变姿态积累速度转入 平飞， 降落吋减小飞行速度同 吋改变姿态进入垂直起降。 尾坐式飞行器在起飞、 着陆、 悬停吋需要依靠姿态 控制的装置才能保持自身的平衡。

[0005] 例如洛克希德研制的 XFV-1型尾坐式飞行器和康维尔研制的 XFY-1尾坐式飞行 器， 两者都用巨大的机头同轴反转螺旋桨驱动。 XFV-1型尾坐式飞行器及 XFY-1 型尾坐式飞行器在下洗气流的下方的机翼上设 置有气动控制舵面作为姿态控制 装置， 可以利用下洗气流作用下的机翼上的气动控制 舵面控制垂直起降、 悬停 和平飞阶段的飞行。 但由于这种气动控制舵面是一种复杂的机械部 件， 这种机 械部件生产、 维护的成本高， 而且容易出现机械故障； 此外， 利用气动控制舵 面控制飞行器的起飞、 着陆、 悬停吋的飞行器平衡性较差而且灵敏度较低。

[0006] 发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种机械结构 更简单的、 操作更加灵活的尾坐 式飞行器。

[0008] 为解决上述技术问题， 本发明一种尾坐式飞行器包括机体、 机翼、 姿态控制装 置、 用于为飞行器提供主要推力的主推力装置 3; 主推力装置 3采用热机作为动 力装置， 机翼包括左半翼及右半翼； 其中， 姿态控制装置包括滚转调姿装置、 俯仰调姿装置、 飞行控制系统； 滚转调姿装置用于调整飞行器处于垂直状态下 的滚转姿态； 滚转调姿装置包括至少 2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单 元、 每个滚转调姿单元分别对应功率连接有 1个电机、 分别控制各个电机输出功 率的调速器单元、 为滚转调姿装置提供电源的电源模块； 滚转调姿单元为螺旋 桨或涵道风扇， 调速器单元与飞行控制系统可操作地连接。 [0009] 这样的好处是， 采用了使用电能的滚转调姿装置可以免去原先 气动控制舵面、 伺服作动器、 铰链等复杂的机械部件， 使飞行器的机械结构得到简化。 通过飞 行控制系统控制的以电机作为动力装置的滚转 调姿装置反应更加灵敏迅速而且 更加易于操作， 从而使飞行器的姿态控制更为稳定。

[0010] 作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进， 俯仰调姿装置包括至少 1个俯仰 调姿单元、 每个俯仰调姿单元分别对应功率连接有 1个电机、 分别控制各个电机 输出功率的调速器单元、 为俯仰调姿装置提供电源的电源单元； 俯仰调姿单元 为螺旋桨或涵道风扇， 调速器单元与飞行控制系统可操作地连接； 俯仰调姿单 元设置在飞行器处于水平状态下的飞行器的上 方或下方。 作为更一步改进， 该 飞行器还包括垂直尾翼， 俯仰调姿单元与垂直尾翼连接。 作为更一步改进， 垂 直尾翼与机翼呈 T字型或 Y字型或 X字型布局； T字型或 Y字型或 X字型布局是指 飞行器的主视图所大体呈现的 T或 Y或 X图形， 主视图是指从机头向机尾方向所 看到的图形。 俯仰调姿单元可以连接在垂直尾翼的端部。 这样的好处是， 采用 了使用电能的俯仰调姿装置可以免去原先气动 控制舵面、 伺服作动器、 铰链等 复杂的机械部件， 使飞行器的机械结构得到更进一步的简化。 通过飞行控制系 统控制的以电机作为动力装置的俯仰调姿装置 反应更加灵敏迅速而且更加易于 操作， 从而使飞行器的姿态控制更为稳定。 俯仰调姿单元连接在垂直尾翼的端 部可以进一步提高俯仰调姿单元姿态调整的效 率。

[0011] 作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进， 俯仰调姿单元通过伸长肋与机体 或机翼连接； 俯仰调姿单元通过伸长肋与机翼连接吋， 有两个俯仰调姿单元分 别对称地设置在左半翼及右半翼。 这样的好处是， 可以利用伸长肋为俯仰调姿 单元提供一个远离飞行器重心轴线的距离， 可以提供一个更适合俯仰调姿单元 安装的位置， 使飞行器的空气动力布局设计可以更加灵活， 更方便。

[0012] 作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进 ， 滚转调姿单元连接在机翼的端 部。 这样可以提高滚转调姿单元姿态调整的效率。

[0013] 作为本发明一种尾坐式飞行器的另一个改进， 机翼为环形机翼。 主推力装置可 以设置在环形机翼内。 环形机翼的左端及右端分别设置有翼梢小翼， 滚转调姿 单元分别连接在各个翼梢小翼的端部。 环形机翼与主推力装置可以组合成涵道 风扇， 通过主推力装置设置在环形机翼内， 可以吸引上层环境空气， 起到一定 的引射增升的作用。

[0014] 附图说明

[0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一 步详细的说明。

[0016] 图 1是本发明一种尾坐式飞行器的姿态控制装置� �作原理图。

[0017] 图 2是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机� �呈 T字型布局的示意图。

[0018] 图 3是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机� �呈 Y字型布局的示意图。

[0019] 图 4是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机� �呈 X字型布局的示意图。

[0020] 图 5是本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼与机� �呈 Y字型布局的俯视图。

[0021] 图 6是本发明一种尾坐式飞行器的俯仰调姿单元� �过伸长肋与机翼连接的示意 图。

[0022] 图 7是本发明一种尾坐式飞行器的环形机翼示意� �。

[0023] 具体实施方式

[0024] 图 1所示本发明一种尾坐式飞行器的姿态控制装� �工作原理图， 本发明一种尾 坐式飞行器包括机体 1、 机翼 2、 姿态控制装置、 用于为飞行器提供主要推力的 主推力装置 3; 主推力装置 3采用热机作为动力装置， 机翼 2包括左半翼及右半翼 ； 其特征在于： 姿态控制装置包括滚转调姿装置、 俯仰调姿装置、 飞行控制系 统 4; 滚转调姿装置用于调整飞行器在垂直状态下的 滚转姿态； 滚转调姿装置包 括至少 2个分别置于左半翼及右半翼的滚转调姿单元 5、 每个滚转调姿单元 5分别 对应功率连接有 1个电机 6、 分别控制各个电机 6输出功率的调速器单元 7、 为滚 转调姿装置提供电源的电源模块 8; 滚转调姿单元 5为螺旋桨或涵道风扇， 调速 器单元 7与飞行控制系统可操作地连接。 俯仰调姿装置包括至少一个俯仰调姿单 元 9、 每个俯仰调姿单元 9分别对应功率连接有 1个电机 6、 分别控制各个电机 6输 出功率的调速器单元 7、 为俯仰调姿装置提供电源的电源模块 8; 俯仰调姿单元 9 为螺旋桨或涵道风扇， 调速器单元 7与飞行控制系统 4可操作地连接； 俯仰调姿 单元 9设置在飞行器处于水平状态下的飞行器的上� �或下方。

[0025] 电源模块 8可以是电功率储存装置， 例如充电电池、 超级电容、 核电池等等； 也可以是发电装置， 包括发电机和功率连接发电机的发动机； 也可以是连接有 发电装置的电功率储存装置。 电机 6采用无刷电机最优， 但并非是限定， 也可以 是其它类型的电机， 如有刷电机、 交流电机、 直流电机、 单相电机、 三相电机 等等。 调速器单元 7包括电子调速器 （electronic speed controller) 、 直流电机调 速器、 交流电机调速器等可以调节电机输出功率的装 置； 调速器单元 7可以为与 电机 6或其它设备组合在一起的一个模块， 也可以是独立的调速器， 可以是单组 输出控制单个电机的调速器， 也可以是多组输出分别控制多个电机的调速器 ； 调速器的类型应该与电机 6的类型相匹配， 例如无刷电机采用无刷电子调速器、 有刷电机采用有刷电子调速器等等。 调速器单元 7接受飞行控制系统 4控制并与 飞行控制系统 4信号连接或电联接； 飞行控制系统是进行飞行姿态和运动参数实 施控制的自动控制系统， 飞行控制系统 4可以采用电子飞行控制系统、 数字式飞 行控制系统、 电传操纵系统等具备自动控制能力的飞行控制 系统； 利用飞行控 制系统 4采集飞行姿态数据、 分析处理数据、 自动发出控制信号， 通过调速器单 元 7控制电机 6的输出功率， 从而实现对飞行器的姿态控制。 本发明所谓螺旋桨 是指在空气中旋转将发动机转动功率转化为推 进力的装置， 风扇、 扇叶、 旋翼 也属于本发明所述螺旋桨的范围。

[0026] 所谓推力装置是指将发动机功率转换为推力的 装置， 主推力装置 3为飞行器提 供主要的推力。 主推力装置 3可以是功率连接发动机的旋翼、 涵道风扇， 也可以 是其它的推力装置， 例如矢量发动机、 涡扇发动机等可以提供垂直推力的推力 装置； 主推力装置 3采用旋翼或涵道风扇吋发动机可以采用涡轮� �发动机或活塞 式发动机； 主推力装置 3数量不限， 可以为一组、 双组或多组。 主推力装置 3设 置在飞行器纵向轴线附近或设置在飞行器纵向 轴线最佳， 但并非是限定； 所谓 的飞行器纵向轴线是指经过机头至机尾的轴线 。

[0027] 滚转调姿单元 5及俯仰调姿单元 9可以与电机 6的输出轴连接， 或者通过其它方 式实现与电机 6的功率连接， 例如通过传动轴进行连接等。 滚转调姿单元 5及俯 仰调姿单元 9不一定要和电机 6在同一位置， 可以将电机 6设置在机体、 飞行器纵 向轴线附近等位置， 然后通过传动轴与滚转调姿单元 5及俯仰调姿单元 9进行功 率连接。 滚转调姿装置用于调整飞行器处于垂直状态下 的滚转姿态； 而不是处 于水平状态下的滚转姿态； 在水平状态下， 滚转调姿装置对飞行器的偏航姿态 产生影响。 滚转调姿单元 5的方向设置为飞行器在垂直状态下产生垂直� �力的方 向。 同样， 俯仰调姿单元 9也可以采用同样的方式， 俯仰调姿单元 9的方向设置 为飞行器在垂直状态下产生垂直升力的方向。 滚转调姿单元 5及俯仰调姿单元 9 在旋转吋会形成反作用扭矩， 可以采取平衡反作用扭矩的设置或者设置平衡 反 作用扭矩的装置。 可以采用将各个调姿单元 5、 9的旋转方向设置为正向与反向 两两搭配、 采用反作用扭矩抵消的共轴双桨、 往反作用扭矩相反的方向倾斜调 姿单元 5、 9等可以平衡反作用扭矩的设置。 平衡反作用扭矩的装置可以是尾桨 、 设置在气流下方的舵面， 也可以是其它类型的装置， 例如波音公司 MD600N直 升机采用的 NOTAR尾桨， 即用喷气引射和旋翼下洗气流的有利交互作用 形成反 扭力的装置； 平衡反作用扭矩的装置不是必需的。 还可以利用平衡反作用扭矩 的设置方法或者设置平衡反作用扭矩的装置来 实现偏航控制。 俯仰调姿装置采 用电机驱动螺旋桨或涵道风扇的方式可以免去 原先气动控制舵面、 伺服作动器 、 铰链等复杂的机械部件， 使飞行器的机械结构得到进一步简化。 当然， 还可 以采用其它的俯仰调姿装置， 例如利用下洗气流作用下的机翼上设置气动控 制 舵面、 主推力装置采用涵道风扇吋在涵道风扇的出风 口设置有气动控制舵面等 装置。

[0028] 作为本发明一种尾坐式飞行器的进一步改进， 该飞行器还包括垂直尾翼 10， 俯 仰调姿单元 9与垂直尾翼 10连接。 垂直尾翼 10与机翼 2可以呈 T字型或 Y字型或 X 字型布局； T字型或 Y字型或 X字型布局是指飞行器的主视图所大体呈现的 T或 Y 或 X图形， 主视图是指从机头向机尾方向所看到的图形。 俯仰调姿单元 9可以连 接在垂直尾翼 10的端部。 T字型或 Y字型或 X字型布局可以不考虑主视图的滚转 倾斜角度， 例如 T字型可以是倒 T字型、 X字型可以是十字型等， 这种简单的变换 在本发明方案的精神和范围内。

[0029] 图 2所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼 10与机翼 2呈 T字型布局的示意图 ， 可以采用以下型式： 机体 1、 机翼 2大体在同一平面上， 垂直尾翼 10与机体 1连 接， 垂直尾翼 10垂直于机翼 2。

[0030] 图 3所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼 10与机翼 2呈 Y字型布局的示意图 ， 可以采用以下型式： 机翼 2与机体 1不在同一平面上， 机翼 2在机体 1的上方或 下方， 可以通过连接面 13连接机体 1与机翼 2; 垂直尾翼 10与机体 1连接， 垂直尾 翼 10垂直于机翼 2。 还可以在机翼 2设置有小翼， 用于水平飞行吋的偏航控制。 图 5所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼 10与机翼 2呈 Y字型布局的俯视图， 可以将主推力装置 3设置在飞行器的尾部， 主推力装置 3可以采用涵道风扇。

[0031] 图 4所示本发明一种尾坐式飞行器的垂直尾翼 10与机翼 2呈 X字型布局的示意图 ， 可以采用以下型式： 有两组垂直尾翼 10分别设置在飞行器处于水平状态下的 上方与下方并与机翼 ₂ 垂直， 主视图呈 X字型或十字型图像， 机体 1可以设置在垂 直尾翼 10与机翼 2相交处。

[0032] 作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进 ， 俯仰调姿单元 9连接在垂直尾 翼 10的端部。 滚转调姿单元 5可以连接在机翼 2的端部。

[0033] 作为本发明一种尾坐式飞行器的另一种改进， 如图 6所示本发明一种尾坐式飞 行器的俯仰调姿单元 9通过伸长肋 11与机翼 2连接的示意图， 俯仰调姿单元 9通过 伸长肋 11与机体 1或机翼 2连接； 俯仰调姿单元 9通过伸长肋 11与机翼 2连接吋， 有两个俯仰调姿单元 9分别对称地设置在左半翼及右半翼。 滚转调姿单元 5可以 连接在机翼 2的端部。

[0034] 作为本发明一种尾坐式飞行器的另一种改进， 如图 7所示本发明一种尾坐式飞 行器的环形机翼示意图， 机翼 2可以为环形机翼， 主推力装置 3可以设置在环形 机翼内； 还可以在环形机翼的左端及右端分别设置有翼 梢小翼 12， 滚转调姿单 元 5分别连接在各个翼梢小翼 12的端部。 在采用环形机翼作为机翼 2吋， 可以将 飞行器左部的半环机翼定义为左半翼， 将飞行器右部的半环机翼定义为右半翼 。 俯仰调姿单元 9可以设置在飞行器水平状态下环形机翼的上� �或下端， 或在上 端或下端同吋设置有俯仰调姿单元 9。 还可以在飞行器水平状态下环形机翼的上 端或下端设置有翼梢小翼 12， 俯仰调姿单元 9连接在翼梢小翼 12的端部。

[0035] 以上所谓机翼的端部是指机翼梢部， 环形机翼的端部或梢部是指环形机翼的任 意一部。 以上所谓飞行器水平状态是指机体与地面平行 ， 飞行器机头在前、 机 尾在后的状态； 所谓的垂直状态是指机体垂直于地面， 机头朝上、 机尾朝下的 状态。

[0036] 作为本发明一种尾坐式飞行器的更进一步改进 ， 机翼 2可以设置有襟翼、 副翼 ， 还可以设置有水平尾翼、 升降舵面， 飞行器还可以设置有起落架。

最后所应说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 限制， 尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换 ， 而不脱离本发明技术方案的精 神和范围； 依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任 何简单修改、 等同变 化与修饰， 均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果