一种电动垂直起降飞行器结构及其工作方法与流程

1.本发明涉及城市空中交通技术领域，具体为一种电动垂直起降飞行器结构及其工作方法。


背景技术：

2.随城市道路车辆密度的不断增加，人类日常通勤时间逐渐增加。凭借城市存在尚未完全开发利用的中低空域这一有利条件，城市空中交通(uam,urban air mobility)的概念被人们提出。电动垂直起降飞行器凭借绿色环保、对基础设施依赖程度小的重要优势成为最主要的城市空中交通解决方案。目前行业内存在两种常见布局形式，一种布局为多旋翼布局形式：这类飞行器依靠多组升力旋翼提供飞行器垂直起降以及前飞动力，因不具备直升机旋翼同样复杂的机械结构，飞行速度因受到旋翼载荷的限制而较低，同时由于飞行效率较低导致续航能力较差；另一种常见布局为“升 推”组合布局形式：这类飞行器结合传统固定翼布局在其上增加多组升力旋翼以实现垂直起降的功能，在巡航时升力旋翼关闭仅依靠推进动力前飞，升力旋翼在巡航阶段产生的废阻力将会较大地降低飞行效率。
3.为此，我们设计了一种电动垂直起降飞行器结构。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种电动垂直起降飞行器结构，解决了现有的设备巡航效率低，续航性能差的问题。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种电动垂直起降飞行器结构，包括机身部件(1)、连接于机身部件(1)中上部左右两侧的机翼部件(2)、连接于机身部件(1)尾部左右两侧的平尾部件(3)；在左右机翼部件(2)端部和左右平尾部件(3)端部均设置倾转螺旋桨；在左右机翼部件(2)中部分别连接短舱部件(4)，在短舱部件(4)上设置可折叠螺旋桨。
7.优选地，左右机翼部件(2)关于飞行器对称面对称，采用上单鸥翼布置并后掠；左右机翼部件(2)外部一侧安装有机翼倾转短舱(21)，机翼倾转短舱(21)端部连接第一倾转螺旋桨(22)，左右机翼部件(2)外部另一侧安装有内侧副翼(23)和外侧副翼(24)，内侧副翼(23)和外侧副翼(24)由内部两个舵机分别驱动。
8.优选地，机翼倾转短舱(21)通过内部倾转机构实现倾转；机翼倾转短舱(21)内部安装有电机、控制器和变距机构，电机输出轴上连接倾转螺旋桨。
9.优选地，左右平尾部件(3)关于飞行器对称面对称，采用常规尾翼布置，垂尾后掠；左右平尾部件(3)外部一侧均安装有平尾倾转短舱(31)，平尾倾转短舱(31)端部连接第二倾转螺旋桨(32)，左右平尾部件(3)外部另一侧安装升降舵(33)，升降舵(33)由内部舵机驱动；平尾倾转短舱(31)通过内部倾转机构(5)实现倾转。
10.优选地，平尾倾转短舱(31)通过内部倾转机构实现倾转；机翼倾转短舱(21)内部安装有电机、控制器和变距机构，电机输出轴上连接倾转螺旋桨。
11.优选地，倾转机构包括倾转杆(51)、接头(52)、倾转舵机(53)、舵机套环(54)和安装底座(55)，其中倾转杆(51)与内端机翼结构和接头(52)固连，接头(52)与倾转舵机(53)输出端通过鱼眼轴承实现相对转动，倾转舵机(53)与舵机套环(54)通过螺纹连接，舵机套环(54)与安装底座(55)之间通过轴承实现相互转动，安装底座(55)通过紧固件与机翼倾转短舱(21)固连。
12.优选地，变距机构(6)具体包括变距电机保护罩(61)、桨榖(62)、桨叶(63)、桨榖紧固件(64)、变距螺杆滑块(65)和滑环(66)，变距电机保护罩(61)内设置变距电机，通过桨榖紧固件(64)将桨榖(62)与桨叶(63)固定，并均匀安装在桨叶轴承周围，桨叶轴承一端连接变距螺杆滑块(65)，变距螺杆滑块(65)上安装变距电机保护罩(61)，桨叶轴承一端设置滑环(66)。
13.优选地，左右短舱部件(4)关于飞机对称面对称；短舱部件(4)内安装有电机和控制器，在短舱部件(4)端部朝向上安装可折叠螺旋桨(41)，可折叠螺旋桨(41)安装于电机输出轴上。
14.优选地，在机身部件(1)底部还安装起落架(7)，起落架(7)选用固定前三点式起落架，并安装于机身隔框上。
15.本发明还提供一种电动垂直起降飞行器结构工作方法，包括：
16.初始阶段：飞行器初始处于多旋翼状态，多旋翼状态下左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱均旋转至90
°
向上，短舱部件上的可折叠螺旋桨展开为四叶桨状态；
17.飞行阶段：待乘客登机完成后，左右机翼部件、左右平尾部件和左右短舱部件组成的六组动力系统提供升力垂直起飞，飞至安全高度；
18.控制左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱缓慢向前倾转，为飞行器提供前飞推力；飞行器前飞速度不断增加直至特定速度，左右短舱部件上的可折叠螺旋桨完成折叠、顺桨并完全关闭，左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱旋转至0
°
，且桨距逐渐增大；通过左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱上的倾转螺旋桨提供推力保证飞行器巡航阶段；
19.进场阶段：左右可折叠螺旋桨启动工作提供升力，左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱由0
°
逐渐旋转至90
°
，使飞行器前飞速度逐渐减小直至悬停状态，悬停状态过程中桨距逐渐降低；
20.结束阶段：由左右机翼部件、左右平尾部件和左右短舱部件组成的六组动力系统提供升力垂直降落至目的地，完成飞行任务。
21.本发明的有益效果为：
22.1、本发明倾转动力系统性能相比起传统“升 推”布局形式将显著提升，具备更高的起飞和巡航性能，巡航飞行速度的提升明显提高飞行器的运营效率；；
23.2、设计螺旋桨倾转机构，满足垂直起降功能的同时亦可为巡航提供航向推力，能够有效降低巡航阻力、提升巡航升阻比、提升续航性能；
24.3、设计变距机构改变螺旋桨桨距，使螺旋桨在垂直起降时低速来流以及巡航阶段时高速来流两种工况下工作于高效率区间，提升整机续航性能；
25.4、多旋翼状态6组动力系统为整机提供动力可以有效防止单点失效可能引发的安全性问题；固定翼状态4组动力系统为整机提供动力可以有效防止单点失效可能引发的安全性问题。
附图说明
26.图1为本发明提供的一种电动垂直起降飞行器结构示意图；
27.图2为左机翼部件示意图；
28.图3为左平尾部件示意图；
29.图4为对应倾转短舱处于固定翼状态时的倾转机构状态图；
30.图5为对应倾转短舱处于多旋翼状态时的倾转机构状态图；
31.图6～8为变距机构示意图；
32.图9为变距效果示意图；
33.图10为飞行器初始处于多旋翼状态示意图；
34.图11为飞行器过渡状态示意图；
35.图12为飞行器固定翼状态示意图。
36.图中：1、机身部件；2、机翼部件；3、平尾部件；4、短舱部件；5、倾转机构；6、变距机构；7、起落架；21、机翼倾转短舱；22、第一倾转螺旋桨；23、内侧副翼；24、外侧副翼；31、平尾倾转短舱；32、第二倾转螺旋桨；33、升降舵；41、可折叠螺旋桨；51、倾转杆；52、接头；53、倾转舵机；54、舵机套环；55、安装底座；61、变距电机保护罩；62、桨榖；63、桨叶；64、桨榖紧固件；65、变距螺杆滑块；66、滑环。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例一
39.参看图1，一种电动垂直起降飞行器结构，包括机身部件1、连接于机身部件1中上部左右两侧的机翼部件2、连接于机身部件1尾部左右两侧的平尾部件3；在左右机翼部件2端部和左右平尾部件3端部均设置倾转螺旋桨；在左右机翼部件2中部分别连接短舱部件4，在短舱部件4上设置可折叠螺旋桨。优选在左右机翼部件2端部和左右平尾部件3端部共设置四组倾转螺旋桨，即四组动力系统，在左右机翼部件2的短舱部件上共设置两组可折叠螺旋桨，即两组动力系统，多旋翼状态下六组动力系统为整机提供动力可以有效防止单点失效可能引发的安全性问题，固定翼状态下四组动力系统为整机提供动力可以有效防止单点失效可能引发的安全性问题。
40.具体地，左右机翼部件2关于飞行器对称面对称，形成飞行器机翼结构，采用上单鸥翼布置并后掠，提升离地高度，可以减少乘客登、离机时受到伤害的风险；左右机翼部件2外部一侧安装有机翼倾转短舱21，机翼倾转短舱21端部连接第一倾转螺旋桨22(包括连接左机翼倾转短舱的第一左倾转螺旋桨和连接右机翼倾转短舱的第一右倾转螺旋桨)，左右机翼部件2外部另一侧安装有内侧副翼23和外侧副翼24，内侧副翼23和外侧副翼24由内部两个舵机分别驱动，每侧机翼设计有2组副翼，可互为备份冗余提高安全性(图2为左机翼部件示意图，右机翼部件结构与左机翼部件对称，不作赘述)。
41.左右平尾部件3关于飞行器对称面对称，采用常规尾翼布置，垂尾后掠以增大尾力
臂，形成飞行器尾翼结构；左右平尾部件3外部一侧均安装有平尾倾转短舱31，平尾倾转短舱31端部连接第二倾转螺旋桨32(包括连接左平尾倾转短舱的第二左倾转螺旋桨和连接右平尾倾转短舱的第二右倾转螺旋桨)，左右平尾部件3外部另一侧安装升降舵33，升降舵33由内部舵机驱动(图3为左平尾部件示意图，右平尾部件结构与左平尾部件对称，不作赘述)。
42.其中，机翼倾转短舱21和平尾倾转短舱31均通过内部倾转机构5(即机翼倾转短舱21内部设置第一内部倾转机构、平尾倾转短舱31内部设置第二内部倾转机构)实现
‑
10
°
至110
°
的倾转；通过螺旋桨倾转设计，满足垂直起降功能的同时亦可为巡航提供航向推力，能够有效降低巡航阻力、提升巡航升阻比、提升续航性能；
43.具体地，倾转机构5包括倾转杆51、接头52、倾转舵机53、舵机套环54和安装底座55，其中倾转杆51与内端机翼结构(示意图未画出)和接头52固连，接头52与倾转舵机53输出端通过鱼眼轴承实现相对转动，倾转舵机53与舵机套环54通过螺纹连接，舵机套环54与安装底座55之间通过轴承实现相互转动，安装底座55通过紧固件与机翼倾转短舱21固连。整个短舱随倾转舵机53输出端的伸缩，通过倾转机构5绕倾转杆51转动以实现倾转功能。其中图4状态对应倾转短舱处于固定翼状态，图5状态对应倾转短舱处于多旋翼状态。
44.另外，机翼倾转短舱21和平尾倾转短舱31内部均安装有电机、控制器和变距机构6(即机翼倾转短舱21内部安装第一变距机构、平尾倾转短舱31内部安装第二变距机构)，电机输出轴上连接倾转螺旋桨；通过变距机构实现桨叶角的改变，可以使螺旋桨在垂直起降时低速来流以及巡航阶段时高速来流两种工况下工作于高效率区间，提升整机续航性能，以保证飞行器处于多旋翼状态以及固定翼状态时均能够具备理想的螺旋桨效率；
45.具体地，如图6～8所示，变距机构通过直线电机驱动进而改变螺旋桨桨距；变距机构(6)具体包括变距电机保护罩61、桨榖62、桨叶63、桨榖紧固件64、变距螺杆滑块65和滑环66，变距电机保护罩61内设置变距电机，通过桨榖紧固件64将桨榖62与桨叶63固定，并均匀安装在桨叶轴承周围，桨叶轴承一端连接变距螺杆滑块65，变距螺杆滑块65上安装变距电机保护罩61，桨叶轴承一端设置滑环66。
46.工作时，变距电机通过丝杠工作原理将电机输出的转动转变为变距螺杆滑块的直线运动，驱动其上下运动；桨叶根部连接于变距螺杆滑块的槽部结构内，在变距电机驱动变距螺杆滑块上下运动时，变距螺杆滑块会带动桨叶旋转，以实现变距目的；桨毂分为上下两部分结构通过桨毂紧固件安装夹紧桨叶轴承，螺旋桨桨叶通过桨叶轴承实现变距转动；变距电机通过滑环与电刷供电，变距效果如图9所示。
47.在左右机翼部件2中部均设置短舱部件4，左右短舱部件4关于飞机对称面对称。短舱部件4内均安装有电机和控制器，在短舱部件4端部朝向上安装可折叠螺旋桨41，可折叠螺旋桨41安装于电机输出轴上。可折叠螺旋桨41优选为4叶螺旋桨，桨盘法线方向垂直向上，在垂直起降时配合其余动力系统为飞行器提供升力，在巡航状态折叠为2叶状态并顺桨以减小阻力，最大限度地降低由它产生的额外阻力，提升续航性能。
48.优选地，倾转螺旋桨采用5叶桨设计、可折叠螺旋桨采用4叶桨设计，可以平衡前行桨叶及后行桨叶产生的不平衡载荷，相比起2叶桨设计可以有效地降低交变载荷的幅值，有效减小因交变载荷导致相应结构疲劳进而导致的寿命下降，有效降低翼尖线速度，结合多叶桨更大的直径、更低的桨盘载荷，这些都可以有效地降低噪声，降低运营时的噪声污染。
49.进一步地，在机身部件底部还安装起落架(7)，起落架(7)选用固定前三点式起落架，并安装于机身隔框上；使用固定前三点式起落架，为飞行器提供了滑跑着陆的能力，在垂直着陆功能因某种故障失效时，为飞行器保留安装着陆的可能性，可以提升飞行器安全性。
50.本发明提供的飞行器在用于城市空中交通运营时：在飞行器初始处于多旋翼状态(见图10)，该状态下左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱均旋转至90
°
向上，短舱部件上的可折叠螺旋桨展开为四叶桨状态；待乘客登机完成后，六组动力系统提供升力垂直起飞，飞至安全高度。随后，控制左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱缓慢向前倾转，为飞行器提供前飞推力(过渡状态，见图11)。飞行器前飞速度不断增加直至某一特定速度，左右短舱部件上的可折叠螺旋桨完成折叠、顺桨并完全关闭；左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱旋转至0
°
，且桨距逐渐增大(固定翼状态，见图12)。随后通过左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱上的螺旋桨提供推力保证飞行器巡航阶段。进场阶段左右可折叠螺旋桨启动工作提供升力，左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱由0
°
逐渐旋转至90
°
，使飞行器前飞速度逐渐减小直至悬停状态，该过程中桨距逐渐降低。随后由六组动力系统提供升力垂直降落至目的地，完成飞行任务。
51.另外，本发明提供的倾转动力形式飞行器巡航时能够提供2/3倍最大起飞重量的推力，由此显著提升飞行器起飞和巡航性能，而且巡航飞行速度的提升将会明显提高飞行器的运营效率。
52.实施例二
53.本发明实施例二提供一种电动垂直起降飞行器结构工作方法，包括：
54.初始阶段：飞行器初始处于多旋翼状态，多旋翼状态下左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱均旋转至90
°
向上，短舱部件上的可折叠螺旋桨展开为四叶桨状态；
55.飞行阶段：待乘客登机完成后，左右机翼部件、左右平尾部件和左右短舱部件组成的六组动力系统提供升力垂直起飞，飞至安全高度；
56.控制左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱缓慢向前倾转，为飞行器提供前飞推力；飞行器前飞速度不断增加直至特定速度，左右短舱部件上的可折叠螺旋桨完成折叠、顺桨并完全关闭，左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱旋转至0
°
，且桨距逐渐增大；通过左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱上的倾转螺旋桨提供推力保证飞行器巡航阶段；
57.进场阶段：左右可折叠螺旋桨启动工作提供升力，左右机翼倾转短舱、左右平尾倾转短舱由0
°
逐渐旋转至90
°
，使飞行器前飞速度逐渐减小直至悬停状态，悬停状态过程中桨距逐渐降低；
58.结束阶段：由左右机翼部件、左右平尾部件和左右短舱部件组成的六组动力系统提供升力垂直降落至目的地，完成飞行任务。
59.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。