一種垂直起降飛行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行器，尤其涉及一種帶有姿態(tài)控制裝置的垂直起降飛行器。
【背景技術】
[0002]目前常見的垂直起降飛行器有直升機、傾轉(zhuǎn)旋翼飛機及垂直起降的噴氣式飛機，垂直起降飛行器在實現(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)控制裝置來實現(xiàn)飛行器水平、滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航的飛行姿態(tài)的控制，以及實現(xiàn)飛行器的垂直起降以及縱向、橫向飛行；姿態(tài)控制裝置就是指控制飛行器飛行姿態(tài)的裝置。
[0003]傳統(tǒng)的直升機安裝有自動傾斜器，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的垂直速度。傳統(tǒng)的直升機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偏航速度。
[0004]由美國貝爾公司和波音公司聯(lián)合設計制造的V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼飛機在機翼的兩端部各連接有一個發(fā)動機艙，發(fā)動機艙可以在水平位置與垂直位置之間傾轉(zhuǎn)，發(fā)動機艙上連接有旋翼。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的飛行姿態(tài)控制與直升機類似，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飛行姿態(tài)。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機通過傾轉(zhuǎn)至少一個發(fā)動機艙，從而在旋翼之間產(chǎn)生縱向推力差異，用于控制飛機的偏航速度。因為用于直升機或傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的姿態(tài)控制裝置都是采用復雜機械部件，所以對制作材料要求高、生產(chǎn)難度大、安裝復雜、維護成本高；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)動機或者活塞式發(fā)動機。
[0005]由英國霍克飛機公司和布里斯托爾航空發(fā)動機公司研制的“鷂”式戰(zhàn)斗機，它實現(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重心，分置機身兩側(cè)，通過噴口操縱系統(tǒng)的操縱桿和發(fā)動機油門桿，實現(xiàn)發(fā)動機推力矢量的控制(改變推力的大小和方向)。機頭、機身和翼梢裝有從發(fā)動機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的姿態(tài)控制的裝置也是采用復雜的機械部件，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)和維護的成本；而且此類姿態(tài)控制裝置只適用于采用了矢量噴口或舉升發(fā)動機甚至通過傳動裝置與發(fā)動機功率連接的升力風扇作為垂直推力裝置的的飛行器，此類飛行器采用特制的矢量發(fā)動機。
[0006]上述類型的垂直起降飛行器用來作為姿態(tài)控制的裝置都是采用復雜的機械結構的，大量的機械部件不僅增加了制造的難度，也提高的生產(chǎn)和維護的成本；而且飛行器所采用的推力裝置的類型被限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種沒有復雜機械結構的姿態(tài)控制裝置的、可以采用多種類型推力裝置的垂直起降飛行器。
[0008]為解決上述技術問題，本發(fā)明的垂直起降飛行器包括了機身、為飛行器提供主要推力的主推力裝置，其中飛行器還包括姿態(tài)控制裝置，姿態(tài)控制裝置使用電能，由電源模塊、N個調(diào)姿單元、對應N個調(diào)姿單元的N個電機、調(diào)速器單元、以及飛行控制系統(tǒng)組成，其中N為大于或等于3的自然數(shù)；電源模塊為姿態(tài)控制裝置提供電源；調(diào)姿單元為與電機功率連接的扇葉，每個調(diào)姿單元分別連接有電機；調(diào)速器單元與電機電性連接，用于分別調(diào)節(jié)每個電機的輸出功率，調(diào)速器單元接受飛行控制系統(tǒng)控制并與飛行控制系統(tǒng)信號連接；至少有兩個調(diào)姿單元分別對稱地置于飛行器的左部及右部用作滾轉(zhuǎn)調(diào)姿單元；飛行器以重心的前后分為前部與后部，至少有一個調(diào)姿單元置于相對于滾轉(zhuǎn)調(diào)姿單元所處該部的另一部，或當滾轉(zhuǎn)調(diào)姿單元所產(chǎn)生的垂直升力的合力可作用在飛行器大體重心處時至少有一個調(diào)姿單元置于飛行器的前部或后部均可，或有至少兩個調(diào)姿單元分別置于飛行器的前部及后部，作為俯仰調(diào)姿單元；所有的俯仰調(diào)姿單元所產(chǎn)生的垂直升力的合力可作用在機身縱向中線上。
[0009]通過設置有用作滾轉(zhuǎn)和俯仰控制的調(diào)姿單元，每組調(diào)姿單元各自連接有一組電機，調(diào)速器單元分別控制每組電機的輸出功率，飛行控制系統(tǒng)對調(diào)速器單元實施控制，通過調(diào)節(jié)各個調(diào)姿單元所產(chǎn)生的推力的差異，從而實現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制。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雜的機械部件，使飛行器的機械結構得到簡化。通過飛行控制系統(tǒng)控制的以電機作為動力裝置來驅(qū)動扇葉的姿態(tài)控制裝置反應更加靈敏迅速而且更加易于操作；分布于飛行器左右以及前或后的各個調(diào)姿單元可以產(chǎn)生使飛行器滾轉(zhuǎn)、俯仰以及偏航的推力，從而使飛行器的姿態(tài)控制更為穩(wěn)定。此外，由于主推力裝置為飛行器提供了主要的推力，姿態(tài)控制裝置主要用作平穩(wěn)起降、懸停、滾轉(zhuǎn)、俯仰及縱向飛行、橫向飛行等飛行姿態(tài)的控制，姿態(tài)控制裝置與主推力裝置分離，獨立于主推力裝置，所以飛行器對于采用何種類型的發(fā)動機及何種類型的推力裝置沒有特別的限制。
[0010]作為本發(fā)明垂直起降飛行器的進一步改進，飛行器還包括機翼，機翼設置為可以選擇性地調(diào)整迎角；機翼與飛行器活動連接，機翼與伺服作動器可操作地連接，伺服作動器接受飛行控制系統(tǒng)控制并與飛行控制系統(tǒng)信號連接。這樣的好處是，飛行器在向前縱向飛行時，飛行器的機身無論處于何種傾斜角度，機翼都能處于最優(yōu)的迎角，提高了機翼的效率。
[0011]作為本發(fā)明垂直起降飛行器的進一步改進，主推力裝置設置為朝飛行器前方傾斜；作為更進一步改進，還可以將調(diào)姿單元設置為朝飛行器前方傾斜。主推力裝置及調(diào)姿單元可以產(chǎn)生垂直推力及向前的縱向推力的矢量分量。這樣的好處是，飛行器在向前縱向飛行時不用傾斜或不用較大幅度傾斜機身，推力裝置及調(diào)姿單元便可產(chǎn)生垂直升力的同時產(chǎn)生向前的縱向推力的矢量分量推動飛行器前進。作為本發(fā)明垂直起降飛行器的進一步改進，飛行器設置有垂直尾翼，飛行器設置有垂直尾翼可以提高飛行器飛行的穩(wěn)定性和操縱性。
[0012]作為本發(fā)明垂直起降飛行器的進一步改進，飛行器設置為雙主翼結構，其中第一主翼置于飛行器的前部，第二主翼置于飛行器的后部，第一主翼與第二主翼的之間距離大于或等于主推力裝置的直徑；第二主翼兼作水平尾翼；第一主翼及第二主翼的左右端部分別連接有調(diào)姿單元。通過采用雙翼結構的機翼，可以提高了飛行器縱向飛行時的穩(wěn)定性及增加升力；通過采用雙翼結構的機翼的飛行器，其產(chǎn)生垂直推力的主推力裝置與產(chǎn)生固定翼升力的機翼的位置可以不用集中在重心附近，主推力裝置與機翼位置沒有沖突，可以使主推力裝置布置更加方便；此外調(diào)姿單元連接在第一主翼及第二主翼的左右半翼的端部可以提高調(diào)姿單元的姿態(tài)控制的效率。
[0013]作為本發(fā)明垂直起降飛行器的進一步改進，至少有兩個主推力裝置分別連接于機身的中段的左右兩側(cè)。主推力裝置采用與發(fā)動機功率連接的涵道風扇，涵道的出風口設置有可以選擇性地朝飛行器前后方向擺動的舵面，舵面用于改變垂直推力及縱向推力的矢量分量，也可以作偏航控制；舵面與伺服作動器可操作地連接，伺服作動器接受飛行控制系統(tǒng)控制并與飛行控制系統(tǒng)信號連接。兩組主推力裝置分別連接于機身的中段的左右兩側(cè)，可以使主推力裝置更加集中在飛行器的重心附近，可以提高飛行器飛行的穩(wěn)定性；同時降低因左右主推力裝置產(chǎn)生推力差異時而所造成的風險，使飛行器更加安全。使用涵道風扇作為主推力裝置，可以保護飛行器起降場所的人員或物品不被扇葉所傷害，所以更加安全；此外扇葉置于涵道中，可以吸進上層額外的環(huán)境空氣，起到一定的引射增升的作用；通過增加扇葉的葉片數(shù)量和提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，還可以增加推力和提高速度。主推力裝置的出風口設置有可以選擇性朝飛行器前后方向擺動的舵面，可以通過舵面改變主推力裝置垂直推力及縱向推力的矢量分量，用于調(diào)節(jié)飛行高度和縱向飛行速度；也可以通過舵面改變左右主推力裝置縱向推力的矢量分量的差異，進行偏航控制，提高的飛行器的操作性。
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