一种垂直起降飞机，用于控制垂直起降飞机的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种垂直起降(VTOL)飞机、一种控制VTOL飞机的方法以及一种用于控制VTOL飞机的控制系统。飞机包括机体，机体具有沿横向轴线延伸的机翼，并且机翼连接到机身，机身在飞机的纵向轴线之间延伸，以及尾翼或前翼。电动旋翼阵列固定安装在机体上。前和后内燃机可枢转地安装在机身上，并且可在提升位置和推进位置之间移动，在提升位置，前旋翼和后旋翼被定向以向飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在推进位置，前旋翼和后旋翼被定向以向飞机提供向前推力以用于水平飞行。前旋翼和后旋翼在垂直飞行期间为飞机提供大部分或全部垂直升力。直飞行期间为飞机提供大部分或全部垂直升力。直飞行期间为飞机提供大部分或全部垂直升力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种垂直起降飞机，用于控制垂直起降飞机的方法和系统


[0001]本专利技术涉及飞行器或飞机，特别是垂直起降飞机，以及用于控制所述飞机的方法和系统。

技术介绍

[0002]几十年来，飞机或飞行器一直被用来将重达数百公斤的有效载荷从一个地点空运到另一个地点，例如，分布在数百公里甚至数千公里以外的地点。
[0003]一种传统的固定翼飞机通常包括机身，机身在其后部终止于尾翼中，尾翼具有一对固定翼，固定翼包括所述机身的侧面并横向于飞机的纵向轴线延伸。作为对尾翼配置的替代，一些固定翼飞机具有前翼配置，其中前翼设置在飞机机身前部附近。包括一个或多个发动机(特别是内燃机)的合适的推进组件通常向飞机提供向前推进，使得为翼型的机翼在地面上达到特定速度后向飞行器提供合适的升力。尽管是以相对低的燃料成本提升大型和重型有效载荷的简单和可靠的手段，上述类型的传统固定翼飞机需要相对较长的跑道，以达到实现期望升力所需的速度。这使得它很难在人口稠密的地区使用。此外，有效载荷在使用中由于其前进速度而难以与传统固定翼飞机一起部署。
[0004]为此目的，垂直起降(VTOL)飞行器或飞机有利地消除了需要跑道才能在空中飞行的要求，并且能够以相对精确的采用几乎没有或零前进速度的方式将有效载荷提升和部署到位置。VTOL飞机通常是有人或无人驾驶的，能够垂直和水平飞行。特别是，这些飞机垂直起飞和降落，并且一旦在空中就能够水平飞行。
[0005]直升机是载人VTOL飞机的示例性实施例，其具有连接到合适的推进组件的机身，推进组件包括一个或多个内燃机，内燃机连接到一个或更多个马达，马达为直升机提供升力和推力。直升机能够举起中等尺寸和/或重量的有效载荷，并在末端位置部署所述有效载荷，由于直升机的悬停能力，因此几乎没有前进速度。然而，直升机通常没有机械故障冗余，在整个飞行过程中具有高功耗，由于低速和高功率需求，直升机航程较短，并且具有复杂的机械故障风险。
[0006]具有VTOL能力的无人机(UAV)，例如多旋翼飞行器，通常包括连接到机身的电机阵列，并且由于多旋翼飞行器的悬停能力，无人机能够提升通常较重的有效载荷，并在末端位置部署所述有效载荷，且前进速度很小甚至没有。电机通常由可充电电池组供电，并且因此由于当前电池技术的存储容量，其飞行时间有限。此外，多旋翼飞行器通常在整个飞行过程中具有高功耗，并且以相对低的飞行速度飞行，这与有限的飞行时间相结合，导致多旋翼飞行器具有相对低的航程。
[0007]包括内燃机和电驱动旋翼的混合飞机是已知的。例如，US 2019/263519 A1公开了一种混合飞机或无人机，其包括内燃机和电动旋翼，其中内燃机配置为除了电动旋翼之外还提供混合飞机的垂直飞行，以便增加飞机在空中的续航能力或时间量，这通常受到为电动旋翼供电的电池的电池存储容量的阻碍。尽管解决了使用电动旋翼带来的耐久性问题，US 2019/263519A1中公开的混合飞机没有试图最大化混合飞机可以携带和运输的有效载
荷，这至少从商业和资源节约的角度来看是重要的。
[0008]EP 3116781 A1公开了一种混合无人空中多旋翼飞行器，该飞行器具有内燃机和电动旋翼，并且具有改进的DC电源供应系统。与US 2019/263519一样，EP 3116781 A1的公开利用内燃机来解决与电动旋翼相关的耐久性问题。然而，EP 3116781 A1的公开将交流发电机连接到消耗燃料的内燃机，以向DC电源供应系统供电，DC电源供应系统继而驱动电动旋翼。
[0009]其他混合飞行器或飞机，例如在US 2017/300066 A1和WO 2019/190263中公开的那些，公开了利用内燃机和电动旋翼的各种混合布置，以解决仅具有电动旋翼的飞行器的稳定性和耐久性问题。
[0010]专利技术人已经识别出本文所述类型的传统混合飞机的一个缺点是，它们没有解决使飞机的有效载荷能力最大化的问题。如本文所公开的本专利技术的主要目的是最大化混合飞机可以运输的有效载荷，以提供不同的混合飞机。
[0011]为简洁起见，在本文件中，术语“飞机”、“飞行器”和“无人机”应理解为相同的意思。

技术实现思路

[0012]根据本专利技术的一个方面，提供了一种垂直起降(VTOL)飞机，其中该飞机包括：
[0013]机体，机体具有沿横向轴线延伸的至少一个或至少一对机翼，机翼可操作地连接到机身，机身具有在飞机的纵向轴线之间延伸的前端和后端，以及位于机身的后端附近的尾翼或位于机身的前端附近的前翼；
[0014]电动旋翼阵列，电动旋翼阵列可操作地安装到机体上以向飞机提供稳定性和/或垂直升力，其中电动旋翼固定地安装到机体上，并且由一个或多个合适的电机驱动；
[0015]前旋翼，前旋翼可枢转地安装到机身的所述前端，其中前旋翼可绕平行于横向轴线的轴线在提升位置(lift position)和推进位置(propulsion position)之间移动，在提升位置，前旋翼被定向以向飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在推进位置，前旋翼被定向以向飞机提供向前推力以用于水平飞行；以及
[0016]后旋翼，后旋翼可枢转地安装到机身的所述后端，其中后旋翼可绕平行于横向轴线的轴线在提升位置和推进位置之间移动，在提升位置，后旋翼被定向以向飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在推进位置，后旋翼被定向以向飞机提供向前推力以用于水平飞行，其中前旋翼和后旋翼中的一个或两个由一个或多个合适的内燃(IC)机驱动，并且其中在垂直飞行期间前旋翼和后旋翼处于所述提升位置的情况下，前旋翼和后旋翼向飞机提供大部分或全部垂直升力。
[0017]前旋翼可枢转地安装在机身和前翼(canard)之间；或者其中后旋翼可枢转地安装在机身和尾翼(empennage)之间。这样，在前翼配置的情况下，前旋翼可在前翼和机身的前端之间的区域内以枢轴方式自由移动。类似地，在尾翼配置的情况下，后旋翼可在尾翼和机身后端之间的区域内以枢轴方式自由移动。
[0018]本文公开的飞机可以是无人机。
[0019]前旋翼和后旋翼可配置为向飞机提供主要垂直升力，并且其中电动旋翼可配置为至少在垂直飞行期间向飞机提供基本稳定性。电动旋翼可配置为向飞机提供辅助垂直升
力。然而，辅助垂直升力几乎可以忽略不计。换句话说，垂直升力的大部分或全部可由前和后旋翼提供，电动旋翼提供稳定性。应当理解，电动旋翼可以在悬停操纵期间提供稳定性。
[0020]电动旋翼阵列可以间隔开的配置安装到机体，其中电动旋翼可操作地共面并且位于第一平面中，并且其中前旋翼和后旋翼位于第二平面和第三平面中，当前旋翼和后旋翼在使用中操作到提升位置时，第二平面和第三平面基本上与第一平面共面和/或与第一平面平行。在一个示例性实施例中，第二和第三平面可以夹持第一平面。在一个示例性实施例中，第一、第二和第三平面可以是平行的，并且沿着垂直轴线在不同的高度处间隔开。
[0021]在一个示例性实施例中，前旋翼和后旋翼可配置为沿相反方向旋转。这样，它们在垂直轴上的合成扭矩量为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种垂直起降(VTOL)飞机，其中所述飞机包括：机体，所述机体具有沿横向轴线延伸的至少一个或至少一对机翼，所述机翼可操作地连接到机身，所述机身具有在所述飞机的纵向轴线之间延伸的前端和后端，以及位于所述机身的所述后端附近的合适尾翼或位于所述机身的所述前端附近的合适前翼；电动旋翼阵列，所述电动旋翼阵列可操作地安装到所述机体上以向所述飞机提供稳定性和/或垂直升力，其中所述电动旋翼固定地安装到所述机体上，并且由一个或多个合适的电机驱动；前旋翼，所述前旋翼可枢转地安装到所述机身的所述前端，其中所述前旋翼可绕平行于所述横向轴线的轴线在提升位置和推进位置之间移动，在所述提升位置，所述前旋翼被定向以向所述飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在所述推进位置，所述前旋翼被定向以向所述飞机提供向前推力以用于水平飞行；以及后旋翼，所述后旋翼可枢转地安装到所述机身的所述后端，其中所述后旋翼可绕平行于所述横向轴线的轴线在提升位置和推进位置之间移动，在所述提升位置，所述后旋翼被定向以向所述飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在所述推进位置，所述后旋翼被定向以向所述飞机提供向前推力以用于水平飞行，其中所述前旋翼和所述后旋翼中的一个或两个由一个或多个合适的内燃机驱动，并且其中在垂直飞行期间所述前旋翼和后旋翼处于所述提升位置的情况下，所述前旋翼和所述后旋翼向所述飞机提供大部分或全部垂直升力。2.根据权利要求1所述的飞机，其中所述前旋翼可枢转地安装在所述机身和所述前翼之间；或者其中所述后旋翼可枢转地安装在所述机身和所述尾翼之间。3.根据权利要求1或2所述的飞机，其中所述飞机包括适当的处理器，所述处理器配置为：接收和/或拦截飞机控制信号，所述飞机控制信号包括对所述电动旋翼阵列和/或所述前旋翼和所述后旋翼的升力和/或稳定性指令，以在垂直飞行期间分别控制所述飞机的升力和/或稳定性；以及使用所述升力指令控制所述前旋翼和所述后旋翼，以在垂直飞行期间为所述飞机提供大部分或全部垂直升力；以及使用所述稳定性指令控制所述电动旋翼阵列，以在垂直飞行期间为所述飞机提供稳定性。4.根据权利要求3所述的飞机，其中所述处理器配置为：处理所述接收/拦截的飞机控制信号以确定所述升力和/或稳定性指令；以及分离用于控制所述电动旋翼阵列和/或所述前旋翼和所述后旋翼的所述升力和/或稳定性指令。5.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼由内燃机驱动，并为所述飞机提供主要的垂直升力，并且其中至少在垂直飞行期间，所述电动旋翼为所述飞机提供主要的稳定性。6.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中所述电动旋翼由电源供电，所述电源配置为在一持续时间内为所述电动旋翼供电，所述持续时间小于所述前旋翼和所述后旋翼能够由所述一个或多个内燃机供电的持续时间。7.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼中的每一
个的功率至少是所述电动旋翼中的一个的两倍，并且由前内燃机和后内燃机驱动。8.根据权利要求7所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼和/或所述前内燃机和所述后内燃机与所述飞机的重心等距离地定位。9.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述电动旋翼阵列包括连接到所述机体的三个、四个、六个或八个电动旋翼。10.根据权利要求9所述的飞机，其中，所述电动旋翼阵列包括四个电动旋翼，所述四个电动旋翼位于相对于所述机体对称定位的假想四边形的相邻角处，使得所述电动旋翼彼此等距间隔。11.根据权利要求1至8中任一项所述的飞机，其中，所述电动旋翼阵列包括多个电动旋翼，所述多个电动旋翼连接到所述机身、所述机翼、所述尾翼或所述前翼中的一个或多个以及所述机体的吊杆中的一个或多个。12.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述电机的尺寸或功率与离所述飞机的重心的距离成反比。13.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述电动旋翼阵列包括基本上相似的电动旋翼。14.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中所述电动旋翼阵列以间隔开的配置安装到所述机体，其中所述电动旋翼可操作地共面并且位于第一平面中，并且其中所述前旋翼和所述后旋翼位于第二平面和第三平面中，当所述前旋翼和所述后旋翼在使用中操作到所述提升位置时，所述第二平面和所述第三平面与所述第一平面基本共面和/或与所述第一平面平行。15.根据权利要求14所述的飞机，其中，当所述前旋翼和所述后旋翼在使用中操作到所述提升位置时，所述第二平面和所述第三平面夹持所述第一平面，或者其中所述第一、第二和第三平面在不同的高度处垂直间隔开。16.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼通过有助于对所述前旋翼和所述后旋翼进行矢量控制的矢量控制安装件安装到所述机身。17.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼在从所述飞机的前部观察时围绕所述纵向轴线沿逆时针方向略微偏离垂直轴线。18.根据前述权利要求中任一项所述的飞机，其中，所述前旋翼和所述后旋翼从所述飞机的前部观察时围绕所述纵向轴线沿逆时针方向从垂直轴线略微倾斜约1.8度。19.一种用于控制垂直起降(VTOL)飞机的方法，所述飞机包括：机体，所述机体具有沿横向轴线延伸的至少一个或至少一对机翼，所述机翼可操作地连接到机身，所述机身具有在所述飞机的纵向轴线之间延伸的前端和后端，以及位于所述机身的所述后端附近的合适尾翼或位于所述机身的所述前端附近的合适前翼；电动旋翼阵列，所述电动旋翼阵列可操作地安装到所述机体上，以向所述飞机提供垂直稳定性和/或升力，其中所述电动旋翼固定地安装到所述机体上，并由一个或多个合适的电机驱动；前旋翼，所述前旋翼可枢转地安装到所述机身的所述前端，其中所述前旋翼可绕平行于所述横向轴线的轴线在提升位置和推进位置之间移动，在所述提升位置，所述前旋翼被定向以向所述飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在所述推进位置，所述前旋翼被定向以向所述飞机提供向前推力以用于水平飞行；以及后旋翼，所述后旋翼可枢转地安装到所述机身的所述后端，其中所述后旋翼可绕平
行于所述横向轴线的轴线在提升位置和推进位置之间移动，在所述提升位置，所述后旋翼被定向以向所述飞机提供垂直升力以用于垂直飞行，在所述推进位置，所述后旋翼被定向以向所述飞机提供向前推力以用于水平飞行，其中所述前旋翼和后旋翼中的一个或两个由一个或多个合适的内燃机驱动，其中所述方法包括：控制所述前旋翼和所述后旋翼，使其可在用于水平飞行的推进位置和用于垂直飞行的提升位置之间移动；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：纳尔逊，
类型：发明
国别省市：