一种复合式安全载人飞行器及其飞行控制方法与流程

本发明涉及通用航空飞行器，尤其涉及一种复合式安全载人飞行器及其相应的飞行控制方法。

背景技术：

1、个人低空代步飞行器，特别是电动垂直起降飞行器（evtol），正成为解决城市交通拥堵的新兴方案。然而，其安全性和续航能力是制约其大规模普及的两大核心技术瓶颈。

2、现有载人飞行器的安全保障体系主要依赖事前预防和事后应急措施。其中，主流的应急措施是采用整机降落伞。但该方案存在根本性缺陷：首先，个人飞行器通常在低空飞行，一旦发生故障，极短的坠落窗口期不足以让常规降落伞完全展开并形成有效缓冲，导致低空救生基本失效。其次，整机降落伞将乘员与破损的机身和可能仍在高速旋转的旋翼绑定在一起，坠落过程中极易造成二次伤害。

3、另一方面，纯电动多旋翼飞行器受限于当前电池技术的能量密度，普遍存在航程短的问题。而传统的燃油自转旋翼机虽航程较长，但其动力系统复杂、成本高昂、存在污染，且无法垂直起降，不适合作为个人城市通勤工具。

4、因此，现有技术始终缺乏一种能够为个人低空飞行器提供在主推进系统失效时，实现低空可用、可控迫降的安全保障，并同时兼顾提升续航能力的有效技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合式安全载人飞行器及相应的飞行控制方法，旨在解决现有电动多旋翼载人飞行器在主推进系统失效时缺乏有效的低空安全迫降机制，以及续航能力不足的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种复合式安全载人飞行器，包括：一分布式电动多旋翼系统，被配置为用作主推进系统，以提供垂直起降和巡航飞行动力；以及一大旋翼系统，设置于所述分布式电动多旋翼系统的上方，其包括大螺旋桨；其中，所述大旋翼系统至少具有被动自转模式，在所述被动自转模式下，所述大螺旋桨能够在飞行器前行产生的相对气流作用下被动旋转，从而产生辅助升力；当所述主推进系统发生动力失效时，所述大旋翼系统通过保持或进入所述被动自转模式，使所述大螺旋桨在飞行器下降气流的驱动下持续自转以产生升力，从而控制飞行器的下降速度，实现安全降落。

3、本发明将自转下滑原理创新性地应用于电动垂直起降飞行器领域。本发明通过设置独立于主推进系统的大尺寸大旋翼系统，该大螺旋桨具有较大的直径和优化的翼型，能够在被动旋转时捕获足够的气流动能产生可观的升力。当主推进系统（分布式电动多旋翼系统）发生动力失效时，飞行器在重力作用下开始下降，此时大螺旋桨在迎面而来的上升气流驱动下持续自转，将飞行器的重力势能转化为旋翼的旋转动能，进而产生维持可控下降所需的升力。这一机制无需额外能量输入，也无需复杂的变距机构，仅依靠大螺旋桨的被动自转即可实现低空安全迫降，从根本上解决了现有evtol在低空应急场景下缺乏可靠安全保障的技术难题。

4、优选地，所述大旋翼系统还具有主动电动模式，并可在所述主动电动模式与所述被动自转模式之间切换；在所述主动电动模式下，所述大旋翼系统通过驱动装置主动驱动所述大螺旋桨旋转以产生升力。

5、可选地，所述大旋翼系统包括：一大螺旋桨；一驱动装置，被配置为用于驱动所述大螺旋桨；以及一控制模块，被配置为用于控制所述驱动装置的运行，以使所述大旋翼系统在所述主动电动模式与所述被动自转模式之间切换。

6、可选地，所述驱动装置为一三相异步电机。

7、可选地，所述三相异步电机为一盘式三相异步电机。

8、可选地，所述控制模块被配置为：在所述飞行器处于所述被动自转模式时，使所述驱动装置的定子绕组处于开路状态。

9、可选地，所述控制模块为一三相可控继电器模组。

10、可选地，所述控制模块还被配置为：将所述驱动装置的定子三相引线短接，以对所述大螺旋桨实施电磁制动。

11、可选地，所述分布式电动多旋翼系统包括：一机身；至少四个从所述机身伸出的机臂；以及设置在每一所述机臂上的一对共轴反向旋转的上螺旋桨和下螺旋桨。

12、可选地，所述机臂被配置为可绕其与所述机身的连接处折叠。

13、可选地，还包括一从该飞行器的机身顶部向上延伸的立臂；其中，所述大旋翼系统通过所述立臂安装于所述机身上。

14、本发明还提供了一种用于复合式安全载人飞行器的飞行控制方法，所述飞行器包括一分布式电动多旋翼系统作为主推进系统和一大旋翼系统，所述大旋翼系统包括大螺旋桨，该方法包括：在巡航飞行阶段，使所述大旋翼系统工作在被动自转模式，以利用所述飞行器前行产生的气流使所述大螺旋桨被动旋转并产生辅助升力，从而降低所述主推进系统的能耗；以及在检测到所述主推进系统发生动力失效时，使所述大旋翼系统保持在或进入所述被动自转模式，以利用飞行器下降气流驱动所述大螺旋桨持续自转，产生升力以控制所述飞行器的下降速度，从而实现安全降落。

15、可选地，所述大旋翼系统还包括一用于驱动所述大螺旋桨的电机，并且使所述大旋翼系统工作在所述被动自转模式的步骤包括：使所述电机的定子绕组开路。

16、可选地，还包括：在所述飞行器着陆后，将所述电机的定子三相引线短接，以对所述大旋翼系统实施制动。

17、可选地，所述大旋翼系统还具有主动电动模式，所述方法还包括：

18、在所述飞行器起飞和/或降落阶段，使所述大旋翼系统切换至所述主动电动模式，以主动驱动所述大螺旋桨旋转产生升力，辅助所述主推进系统进行垂直起降。

19、可选地，还包括：在检测到所述主推进系统发生动力失效时，若当前飞行状态满足预设的主动干预条件，则将所述大旋翼系统从所述被动自转模式切换至主动电动模式，并通过主动驱动该大旋翼系统旋转来增大升力，以进一步降低飞行器的下降速度。

20、可选地，所述检测到所述主推进系统发生动力失效的步骤包括：实时监测所述分布式电动多旋翼系统中各电机的转速反馈信号与目标转速指令值之间的偏差，当所述偏差超过第一预设阈值并持续第一预设时间时，判定所述主推进系统发生动力失效；和/或实时监测所述分布式电动多旋翼系统中各电机的驱动电流反馈信号，当目标转速指令值对应的期望电流超过额定电流的预定比例而实际电流反馈值持续低于第二预设阈值并持续第二预设时间时，判定所述主推进系统发生动力失效。

21、本发明的有益效果在于：

22、1.提高了飞行的安全性：通过增设独立的大尺寸大旋翼系统，该旋翼系统至少具有被动自转模式。当作为主推进系统的分布式电动多旋翼系统失效时，飞行器在重力作用下开始下降，大螺旋桨在上升气流的驱动下被动自转，将重力势能转化为旋翼的旋转动能并产生足够升力，使飞行器从灾难性的"硬坠"转变为可控的"自转下滑"式迫降。这一机制完全无需额外能量输入，也无需复杂的变距机构，尤其适合低空应急场景，解决了现有技术在低空环境下缺乏可靠应急手段的核心安全问题。

23、2.延长了飞行器的续航里程：在正常巡航飞行时，通过使大旋翼系统工作在被动自转模式，利用前行气流被动旋转产生辅助升力，此过程不消耗电能，相当于为飞行器增加了一副高效的"滑翔翼"，从而有效降低了主推进系统的能耗，显著延长了飞行器的续航里程。

24、3.提供了可选的主动应急增力手段：在优选实施方案中，大旋翼系统还可在被动自转模式与主动电动模式之间切换。当被动自转产生的升力不足以满足迫降需求时（例如重载或极端姿态工况），可启动主动电动模式，由驱动装置主动驱动大螺旋桨旋转，主动提供额外升力，进一步降低下降速度，提升了应急场景下的安全裕度。

25、4.提升了系统的运行效率和可靠性：通过优选采用盘式三相异步电机作为大旋翼系统的驱动装置，并在被动自转模式下使其定子绕组开路，利用了该类型电机无永磁体、在开路时不存在固有磁阻转矩的特性，使得被动自转的启动风速更低、气动效率更高，良好地匹配了主动驱动和被动自转两种模式的需求。

26、5.提升了着陆后的安全性：通过在着陆后将驱动装置的定子三相引线短接，利用电磁阻尼对大螺旋桨实施制动，能够使其快速停止旋转，避免了因惯性或地面风导致螺旋桨持续旋转而带来的安全隐患。