垂直起降载具的制作方法

1.本发明总体上涉及一种飞机或飞行器，该飞机或飞行器能够垂直起降，因此其能够在相对较小的表面积上起降而无需任何长度的跑道。


背景技术：

2.垂直起降载具，下文称为vtol载具，其本身是已知的。有些是基于安装在机身两侧的两个提供推力的喷气发动机而设计的，其可以倾斜以提供垂直推力，如av
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8鹞式跳跃喷气机(av
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8harrier jump jet)。其他示例利用安装在机翼处的可倾斜螺旋桨的原理，如v
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22鱼鹰(v
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22osprey)。
3.另一种设计将一个或多个升力旋翼安装在机身上方，例如直升机。适当控制桨叶和/或飞行器整体倾斜将为向前飞行提供水平推力。
4.至于动力，较大的飞机总是由燃料提供动力。飞机最好采用电力驱动，但对于预期任务内容而言，其所需的电力会使电源(电池)将非常沉重。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提供一种载客载具(passenger vehicle)的简化设计，该载客载具能够飞行、重量相对较轻、具有响应控制，并提高了针对推进/推力系统故障(即推力发生装置(thrust generators)故障及其电源故障)的安全性。
6.本发明的另一个目的是提供适合于电力驱动的设计。
7.本发明的设计基础是旋翼载具(rotor
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lifted vehicle)，即由中央旋翼提供升力。在一个实施例中，该载具能够垂直起降而不需要任何水平速度。在另一个实施例中，载具是基于旋翼机的原理设计，其在起飞和着陆时确实需要一定的水平速度,该速度可在相对较短的跑道段(通常小于100m)内获得(起飞)或移除(着陆)。将短语短距起降(short take off and landing)缩写为“stol”，其将被用作一般短语以涵盖此类和其他实施例。
附图说明
8.本发明的这些和其他方面、特征和优点将参照附图通过对一个或多个优选实施例的描述来进一步解释，附图中相同的附图标记表示相同或相似的部分，其中：
9.图1示意性示出根据本发明的stol载具的实施例；
10.图2是推力单元的透视示意图；
11.图3a
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3c是侧推力单元的横截面示意图，其示意性地描绘了偏转器的操作；
12.图4为根据本发明的反扭矩力(counter
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torque forces)。
具体实施方式
13.图1示意性地示出了根据本发明设计的stol载具1。载具1包括带有尾部20的细长机身10，其构成了飞行器的纵向。尾部20设置有尾翼结构30。在机身10的每一侧，至少设置
一个安装支撑件40。在机身10的顶部设有轴50(轴50具有基本垂直的旋转轴线)，主旋翼100安装在轴50上。飞行器的虚拟垂直中平面由所述旋转轴线结合所述纵向界定。
14.除了主旋翼100之外，载具1还设置有布置在尾部20内或尾部20处的中央推力单元200，以及布置在安装支撑件40处的侧推力单元400。载具每侧可设置一个以上的安装支撑件，且每个安装支撑件可携带一个以上的侧推力单元。安装支撑件40的主要作用是将相应的侧推力单元保持在距机身10一定水平距离处，并且该安装支撑件40的精确设计对于本发明并不重要。例如，安装支撑件40可以由管构成。然而，优选地，安装支撑件40具有空气动力学轮廓，更可取地，安装支撑件40呈翼型以有助于在飞行期间提供升力。
15.推力单元200、400将在下文中得到更为详细的描述。这里，需要注意的是，推力单元200、400的作用是提供水平分力，以抵消主旋翼带来的反作用力矩，从而实现偏航控制(yaw control)，并且推力单元200、400提供竖直分力，从而实现俯仰控制(pitch control)和侧滚控制(roll control)。因此，尽管主旋翼本身的设计相对简单没有循环控制装置(cyclic control)，但对于水平操纵飞行器(即向前和向后，也可以侧向)，俯仰控制和侧滚控制可用于稍微倾斜由主旋翼产生的垂直升力矢量(the vertical lift vector)。这种简单的主旋翼设计成本较低(包括维护成本)，故障风险也较低。在最简单的实施例中，桨叶将具有固定的螺距(pitch)，优选地该螺距可集体调节，以便(快速)改变升力。
16.主旋翼100相对较大，从而使载具1可以有效悬停。主旋翼100可具有2、3、4、5、6或更多个桨叶，但桨叶数量的增多增加了复杂性和重量。
17.原则上，中央推力单元200可位于沿载具1纵向轴线的任何位置，甚至在机头处。中央推力单元200到主旋翼100的旋转轴线相对大的距离是有利的，因此其优选位于尾部20中或尾部20处。载具可具有两个或多个中央推力单元。
18.中央推力单元200包括至少一个风扇，该风扇的旋转轴线大致垂直于所述垂直中平面。中央推力单元200的精确定位对于本发明并不重要，并且可以基于二次设计的考虑，只要该中央推力单元200处于任何能够提供垂直于所述垂直中平面的分力的情况下。
19.载具1可以包括一个以上的中央推力单元200。在这种情况下，各个风扇可呈线性对齐，并且其旋转轴处于同一虚拟平面，该虚拟平面可以是水平的，或者朝着载具1的纵向方向倾斜。例如三个风扇可呈三角形布置。载具1可以包括至少一个位于主旋翼100前方的中央推力单元200和至少一个位于主旋翼100后方的中央推力单元200。
20.每个侧推力单元400优选地安装在对应的支撑件40的远端。支撑件40的精确长度对于本发明不是必要的；通常认为较长的支撑为侧推力单元400的力矢量提供较长的臂，并且在机翼展开时也提供更大的升力，但也带来了更大的阻力。
21.每个侧推力单元400包括至少一个风扇，其旋转轴线大体平行于所述垂直中平面。侧推力单元400的精确定向对于本发明并不重要，并且可以基于二次设计的考虑，只要该侧推力单元400处于任何能够提供大致平行于所述垂直中平面的分力的情况下。可以将侧推力单元400位置固定以使得其始终产生大致水平的分力。侧推力单元400可绕大体垂直于所述垂直中平面的轴倾斜；在这种情况下，该倾斜范围包括可提供大体上水平分力的工作位置。
22.图2是推力单元的示意立体图。此处将侧推力单元400作为示例进行描述并在下文讨论，但基本上相同的设计考虑也同样适用于(多个)中央推力单元。这也适用于图3a
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c，图
3a
‑
c是推力单元的横截面示意图。
23.为了更好地引导空气，优选地，推力单元400包括大致圆柱形的护罩410，该护罩410具有入口开口411和出口开口412。在护罩410内部，布置有风扇430，风扇轴431基本上与护罩410同轴。一组风扇叶片432安装在风扇轴431的特定轴向位置。如图所示，可沿轴线设置两组或多组风扇430，其彼此之间具有轴向距离。
24.从入口411到出口412，风扇430产生大体平行于其轴431的气流，该气流被护罩410限制和引导。本发明的独特性在于推力单元400在其出口412处设有气流偏转装置420。这种气流偏转装置420例如可通过不对称出口开口412和/或护罩内的弯曲来实施。在优选实施例中，如图所示，该气流偏转装置420，以下也称为气流偏转器420，包括一组相互平行的偏转条421，该偏转条421呈纵向与所述出口开口411相交，基本上垂直于护罩轴线。偏转条421可倾斜安装，即可围绕自己的纵向轴线向任意方向倾斜。出于安全考虑，优选地，每个偏转条421设置有单独的倾斜致动器，该倾斜致动器可包括例如小型电动机或液压控制装置。还可以成组布置偏转条，并为每组提供专用的倾斜致动器。无论采用哪种方式，都会得到相对简单且重量轻的设计，同时实现冗余备份(redundancy)(从某种意义上说，一个偏转条或一组偏转条可能会发生故障，同时其他的会继续正常运行)。因此，此类故障只会导致功能和/或控制的少量损失。
25.在静止位置，如图3a所示，偏转条421的宽度方向与风扇轴431平行，以免偏转气流从护罩410流出。在倾斜位置，如图3b和3c所示，偏转条421与风扇轴431成一定角度，因此偏转条421将从护罩410流出的气流偏转。气流偏转器具有水平操作位置，在该位置偏转条421的纵向轴线基本上水平。然后，在图3b的情况下，气流为向上偏转，向下对气流偏转器施加反作用力，而在图3c的情况下，气流将向下偏转，向上对气流偏转器施加反作用力。
26.将导流板轴线与风扇轴431的旋转轴线平行或重合，就可以将气流偏转器420作为一个可相对于支撑件40旋转的整体进行安装。当气流偏转器420绕其偏转轴旋转时，被偏转的空气获得水平气流分量，从而施加水平方向的反作用力。如果气流偏转器420的旋转范围延伸至少90
°
，则其可到达偏转条421在垂直方向上延伸的垂直操作位置，从而在倾斜时将从护罩410流出的气流在水平方向偏转，朝向或远离中平面。
27.推力单元200、400具有两个重要功能，将参考图4的示意性俯视图进行解释。
28.一个功能是抵消由主旋翼100产生的反作用力矩。为此采用水平推力。该功能可由中央推力单元200实现，其在横向方向上提供水平推力，如箭头f2所示。该功能也可由侧推力单元400中的任何一个单独实现，其在纵向方向上提供水平推力，如箭头f4a和f4b所示。从而，该系统是冗余的，但从安全角度来看，这是一个有利的特性，因为如果一个或多个推力单元发生故障，该系统仍然可以提供控制飞行器的反扭矩力。
29.第二个功能是提供方向控制。同样，中央推力单元200和/或任何一个侧推力单元400的水平推力可提供偏航控制。需要注意的是，侧推力单元400的水平推力也可用于沿纵向移动载具。(多个)中央推力单元200的(多个)气流偏转器允许(多个)中央推力单元200为俯仰控制提供垂直推力。侧推力单元400的(多个)气流偏转器允许侧推力单元400提供用于侧滚控制的垂直推力。在这方面，载具对用户输入的响应将非常快。
30.在进一步详细说明中，侧推力单元400可以围绕基本垂直于中平面的水平轴倾斜，从而有助于提供升力，和/或有助于通过直接风扇动力而不是通过偏转的气流提供俯仰力
矩或侧滚力矩。
31.适当控制由所述推力单元200、400提供的输出，将允许载具例如以缓慢且受控的速度绕垂直轴旋转。控制侧推力单元400将允许载具向前飞。同时，反扭矩力可由中央推力单元200(参见图4中的箭头f2)，和/或动力互不相同的的侧推力单元400(参见图4中的箭头f4a和f4b)来提供。
32.在进一步阐述中，(多个)中央推力单元200可以安装在尾部20内部，导流叶片布置在该单元的入口侧以及出口侧，即机身右侧和左侧。这些导流叶片可以像百叶窗一样，即它们具有关闭位置，在该位置它们与围绕(多个)中央推力单元200的机身基本齐平。这在飞行期间特别有用，可以减少阻力；在这种情况下，尾翼结构30可与侧推力单元400合作提供俯仰控制和偏航控制。
33.虽然推力单元可由内燃机驱动，这同样适用于主旋翼，但本发明飞行器独特之处在于，推力单元和主旋翼(可选的)由电动马达驱动，该电动马达反过来可由电池、燃料电池甚至内燃机和/或涡轮驱动发电机供给动力。上述动力源的组合也是可能的。
34.电动马达的使用具有重要的安全特征。假设电源出现故障或耗尽，这时其不再驱动推力单元和主旋翼，飞行器将下降。主旋翼能够自动旋转，这在任何情况下都会大幅减慢下降速度。更进一步地，在这种情况下主旋翼可以设置为驱动发电机(在电驱动主旋翼的情况下，可以是其自身在发电模式下运行的电动马达)，以便使气动主旋翼成为电能来源，从而在下降过程中可以驱动电推力单元以控制飞行器。
35.本发明的一个重要方面是允许使用简单的主旋翼。因此，在优选实施例中，主旋翼的桨叶在任何时候都相互具有相同的螺距。在一个可能的实施例中，该螺距甚至是固定的。在另一个可能的实施例中，该螺距是可调节的。
36.本领域技术人员应当清楚，本发明不限于上述实施例，而是在附加权利要求限定的本发明的保护范围内可以进行多种变化和修改。例如，推力单元可以设置有推力反转装置(thrust reversal)。
37.此外，主旋翼可以由并联布置的两个或更多个(电动)发动机驱动。一方面，这允许使用较小的发动机来提供所需的功率。另一方面，这可以提供冗余备份(redundancy)：如果一个发动机出现故障，其余发动机将能够保持旋翼运行。发动机也可以包括几个独立的部分，以提供冗余备份。
38.此外，为了增加冗余备份，可以设置双倍或更多的推力单元。
39.此外，主旋翼的轴线可以稍微向后倾斜并稍微向一侧倾斜，以在起飞时补偿由推力单元提供的部分推力。
40.即使在不同的从属权利要求中描述了某些特征，本发明涉及的实施例也包括这些共同特征。
41.即使已经相互组合地描述了某些特征，本发明涉及的实施例也包括这些省略的一个或多个特征。
42.没有被明确描述为必不可少的特征也可以省略。
43.权利要求中的任何参考符号不应解释为限制该权利要求的范围。