一種垂直起降飛行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種垂直起降飛行器飛行器，尤其涉及一種可以切換推力方向的垂直起降飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇(Tilt Ducted Fan)飛機(jī)、垂直起降的噴氣式飛機(jī)是常見的可以切換推力方向的垂直起降飛行器，這種飛行器設(shè)置有機(jī)翼，還可以將推力方向在垂直方向和水平方向之間進(jìn)行切換。當(dāng)推力方向設(shè)置在垂直方向時飛行器可以像直升機(jī)一樣垂直地起降，當(dāng)推力方向設(shè)置在水平方向時飛行器又可以像固定翼飛機(jī)一樣飛行，兼?zhèn)淞酥鄙龣C(jī)與固定翼的優(yōu)點(diǎn)。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)、傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇(Tilt Ducted Fan)飛機(jī)、垂直起降的噴氣式飛機(jī)等可以切換推力方向的垂直起降飛行器在實(shí)現(xiàn)垂直起降時需要依靠姿態(tài)控制裝置來保持飛行器的平衡，需要依靠姿態(tài)控制的裝置來實(shí)現(xiàn)飛行器垂直起降過程的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航的飛行姿態(tài)的控制，以及實(shí)現(xiàn)縱向及橫向飛行。
[0003]傳統(tǒng)的直升機(jī)安裝有自動傾斜器，自動傾斜器由兩個主要零件組成:一個不旋轉(zhuǎn)環(huán)和一個旋轉(zhuǎn)環(huán)。不旋轉(zhuǎn)環(huán)被安裝在旋翼軸上，并通過一系列推拉桿與周期變距和總距操縱裝置相連。它能夠向任意方向傾斜，也能垂直移動。旋轉(zhuǎn)環(huán)通過軸承被安裝在不旋轉(zhuǎn)環(huán)上，能夠同旋翼軸一起旋轉(zhuǎn)。扭力臂用于保證旋轉(zhuǎn)環(huán)與槳葉一起同步旋轉(zhuǎn)。防扭臂則用于阻止不旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)。這兩個環(huán)作為一個單元體同時傾斜和上下。旋轉(zhuǎn)環(huán)通過拉桿與變距搖臂相連。直升機(jī)是通過周期變距操縱裝置操縱自動傾斜器使旋翼槳葉周期變距實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)及滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制，也可以控制縱向速度及橫向速度；通過總距操縱裝置操縱自動傾斜器同步改變旋翼槳葉槳距用于控制直升機(jī)的垂直速度。傳統(tǒng)的直升機(jī)還安裝有尾槳用于平衡旋翼反作用扭矩，通過改變尾槳總距可以控制直升機(jī)偏航速度。
[0004]由美國貝爾公司和波音公司聯(lián)合設(shè)計制造的V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)在機(jī)翼的兩端部各連接有一個發(fā)動機(jī)艙，發(fā)動機(jī)艙可以在水平位置與垂直位置之間傾轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)艙上連接有旋翼。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的飛行姿態(tài)控制與直升機(jī)類似，也是通過周期變距操縱裝置及總距操縱裝置使旋翼槳葉周期變距及同步改變旋翼槳葉槳距用于控制飛機(jī)飛行姿態(tài)。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)通過傾轉(zhuǎn)至少一個發(fā)動機(jī)艙，從而在旋翼之間產(chǎn)生縱向推力差異，用于控制飛機(jī)的偏航速度。因為用于直升機(jī)或傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的姿態(tài)控制的裝置都是采用復(fù)雜機(jī)械部件，所以對制作材料要求高、生產(chǎn)難度大、安裝復(fù)雜、維護(hù)成本高；而且此類的姿態(tài)控制的裝置只適用于采用了與發(fā)動機(jī)功率連接的旋翼作為推力裝置的飛行器，該類飛行器大多采用渦輪軸發(fā)動機(jī)或者活塞式發(fā)動機(jī)。
[0005]傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇(Tilt Ducted Fan)飛機(jī)具有和傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)一樣的優(yōu)缺點(diǎn)，例如貝爾公司的X-22傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛機(jī)，螺旋槳置于涵道中，組成了涵道風(fēng)扇(Ducted Fan),初看和普通螺旋槳沒有太大兩樣，但是涵道內(nèi)外的氣流有速度差，在貝努力原理的作用下，涵道內(nèi)的高度氣流可以拖動涵道外的低速氣流，可以產(chǎn)生比涵道內(nèi)氣流流動多至50%的額外推力。貝爾X-22采用四臺渦軸發(fā)動機(jī)，兩兩布置在垂尾兩側(cè)，通過交聯(lián)的同步軸，驅(qū)動所有四副涵道風(fēng)扇。與V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)不同的是，X-22傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛機(jī)每個涵道出口設(shè)置有氣動控制舵面作為姿態(tài)控制裝置，用來提供垂直起落和平飛中的飛行姿態(tài)控制。但由于這種氣動控制舵面是一種復(fù)雜的機(jī)械部件，這種機(jī)械部件生產(chǎn)、維護(hù)的成本高，而且容易出現(xiàn)機(jī)械故障；此外，利用氣動控制舵面控制飛行器的起飛、著陸、懸停時的飛行器平衡性較差而且靈敏度較低。
[0006]由英國霍克飛機(jī)公司和布里斯托爾航空發(fā)動機(jī)公司研制的“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)，它實(shí)現(xiàn)垂直/短距起落的基本原理在于采用一臺4個可旋轉(zhuǎn)噴口的“飛馬”渦扇發(fā)動機(jī)來提供起落時所需的升力以及過渡飛行和正常飛行所需的推力。兩對噴口對稱于飛機(jī)重心，分置機(jī)身兩側(cè)，通過噴口操縱系統(tǒng)的操縱桿和發(fā)動機(jī)油門桿，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)推力矢量的控制改變推力的大小和方向。機(jī)頭、機(jī)身和翼梢裝有從發(fā)動機(jī)引氣的噴氣反作用操縱系統(tǒng)，用以控制垂直、短距起落或懸停時的飛行姿態(tài)，在正常飛行中也可用以改善失速時的操縱性。因為用于垂直起降噴氣式飛機(jī)的姿態(tài)控制的裝置也是采用復(fù)雜的機(jī)械部件，特別是可旋轉(zhuǎn)噴口，不僅對制作的材料要求高、而且生產(chǎn)難度大，所以提高了生產(chǎn)和維護(hù)的成本；而且此類姿態(tài)控制的裝置只適用于采用了矢量噴口或舉升發(fā)動機(jī)甚至通過傳動裝置與發(fā)動機(jī)功率連接的升力風(fēng)扇作為垂直推力裝置的的飛行器，此類飛行器采用特制的渦扇或渦噴發(fā)動機(jī)。
[0007]上述類型的垂直起降飛行器用來作為的飛行姿態(tài)控制的姿態(tài)控制裝置都是采用復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)的，大量的機(jī)械部件不僅增加了制造的難度，也提高的生產(chǎn)和維護(hù)的成本；而且此類采用復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制裝置的飛行器不夠靈活和不易操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種沒有復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制裝置的、可以更靈活地控制飛行姿態(tài)的垂直起降飛行器。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的垂直起降飛行器包括機(jī)身、主翼、可以在水平位置與垂直位置之間進(jìn)行傾轉(zhuǎn)的主推力裝置、使主推力裝置傾轉(zhuǎn)的傾轉(zhuǎn)裝置、用于控制飛行姿態(tài)的姿態(tài)控制裝置；主翼包括左半翼及右半翼，主推力裝置使用熱機(jī)作為動力裝置；其中，姿態(tài)控制裝置由電源模塊、至少兩個調(diào)姿裝置、調(diào)速器模塊、飛行控制系統(tǒng)組成；調(diào)姿裝置由電機(jī)、與電機(jī)功率連接的螺旋槳或涵道風(fēng)扇(Ducted Fan)組成；調(diào)速器模塊用于分別調(diào)節(jié)各個調(diào)姿裝置的電機(jī)的輸出功率，調(diào)速器模塊接受飛行控制系統(tǒng)的控制；電源模塊用于提供電源；至少有一個調(diào)姿裝置設(shè)置在左半翼，并且還至少有一個調(diào)姿裝置設(shè)置在右半翼。
[0010]通過在主翼的左半翼及右半翼分別設(shè)置有調(diào)姿裝置，飛行控制系統(tǒng)對調(diào)速器模塊實(shí)施控制，調(diào)速器模塊分別調(diào)節(jié)每組電機(jī)的輸出功率，通過調(diào)節(jié)各個調(diào)姿裝置所產(chǎn)生的推力的差異，實(shí)現(xiàn)對飛行器滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制；可以通過傾轉(zhuǎn)主推力裝置使其產(chǎn)生垂直方向推力及縱向推力的矢量分量實(shí)現(xiàn)對俯仰姿態(tài)的平衡控制。這樣的好處是，采用了使用電能的姿態(tài)控制裝置可以免去原先復(fù)雜的機(jī)械部件，使飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡化。通過飛行控制系統(tǒng)控制的以電機(jī)作為動力裝置的姿態(tài)控制裝置反應(yīng)更加靈敏迅速而且更加易于操作，從而使飛行器的姿態(tài)控制更為穩(wěn)定。
[0011]作為本發(fā)明一種垂直起降飛行器的進(jìn)一步改進(jìn)，調(diào)姿裝置設(shè)置在主翼的端部。調(diào)姿裝置的螺旋槳或涵道風(fēng)扇設(shè)置在主翼的左半翼、右半翼的端部，可以使調(diào)姿裝置的螺旋槳或涵道風(fēng)扇遠(yuǎn)離飛行器的重心，這樣可以提高調(diào)姿裝置姿態(tài)控制的效率。
[0012]作為本發(fā)明一種垂直起降飛行器的另一個改進(jìn)，該飛行器還設(shè)置有至少一個調(diào)姿裝置置于在飛行器的頭部或尾部。調(diào)姿裝置可以連接在機(jī)身或者通過機(jī)翼、連接軸等機(jī)構(gòu)連接在飛行器的頭部或尾部。這樣可以通過調(diào)姿裝置對飛行器的俯仰姿態(tài)進(jìn)行控制；通過飛行控制系統(tǒng)控制的以電機(jī)作為動力裝置的姿態(tài)控制裝置反應(yīng)更加靈敏迅速而且更加易于操作，從而使飛行器的姿態(tài)控制更為穩(wěn)定。
[0013]更進(jìn)一步地改進(jìn)，該飛行器還設(shè)置有水平尾翼，水平尾翼包括左尾翼及右尾翼；各個調(diào)姿裝置分別設(shè)置在左尾翼、右尾翼、左半翼、右半翼的端部。這樣的設(shè)置可以使調(diào)姿裝置的螺旋槳或涵道風(fēng)扇遠(yuǎn)離飛行器的重心，這樣可以提高調(diào)姿裝置姿態(tài)控制的效率。
[0014]作為本發(fā)明一種垂直起降飛行器的另一個改進(jìn)，主翼為雙翼結(jié)構(gòu)，其中第一主翼置于飛行器的前半段靠近機(jī)頭一側(cè)，第二主翼置于飛行器的后半段靠近機(jī)尾一側(cè)；第一主翼及第二主翼的各個半翼分別設(shè)置有調(diào)姿裝置。作為進(jìn)一步改進(jìn)，各個調(diào)姿裝置分別設(shè)置在第一主翼、第二主翼的各個半翼的端部。作為更進(jìn)一步改進(jìn)，還可以將第一主翼設(shè)置為前掠翼。通過采用雙翼結(jié)構(gòu)的主翼，可以提高了飛行器縱向飛行時的穩(wěn)定性及增加固定翼升力；通過采用雙翼結(jié)構(gòu)的主翼的飛行器，其產(chǎn)生垂直推力的主推力裝置與產(chǎn)生固定翼升力的機(jī)翼的位置可以不用集中在重心附近，主推力裝置與機(jī)翼位置沒有沖突，可以使主推力裝置布置更加方便；此外調(diào)姿裝置的螺旋槳或涵道風(fēng)扇分別設(shè)置在第一主翼、第二主翼的各個半翼的端部可以提高調(diào)姿裝置姿態(tài)控制的效率。第一主翼設(shè)置為前掠翼，第二主翼設(shè)置為后掠翼可以增加飛行器的機(jī)動性能及升阻比，還可以增加第一主翼與第二主翼之間的空間。
[0015]作為本發(fā)明一種垂直起降飛行器的進(jìn)一步改進(jìn)，可以活動連接調(diào)姿裝置，螺旋槳或涵道風(fēng)扇設(shè)置為可以在水平位置與垂直位置之間進(jìn)行傾轉(zhuǎn)；調(diào)姿裝置還包括傾轉(zhuǎn)裝置。作為更進(jìn)一步改進(jìn)，電源模塊包括電功率儲存裝置、發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與電功率儲存裝置電耦合；調(diào)姿裝置的螺旋槳或涵道風(fēng)扇與發(fā)電機(jī)功率連接；電機(jī)包括轉(zhuǎn)子與定子，電機(jī)的轉(zhuǎn)子兼作發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。這樣可以通過傾轉(zhuǎn)調(diào)姿裝置，使調(diào)姿裝置所產(chǎn)生的推力的方向可以在垂直方向和水平方向之間進(jìn)行切換，提高的調(diào)姿裝置的利用效率；