一种仿蜂鸟式直升飞行器及其飞行方法

1.本发明属于直升飞行器技术领域，具体涉及一种仿蜂鸟式直升飞行器及其飞行方法。


背景技术：

2.单人飞行器按翼型分为固定翼、旋翼、扑翼几种，现有的这几种飞行器一般都具有较复杂的机体结构和复杂的操控系统，重量较大。飞行员需要大量的飞行训练及专业培训才可驾驶飞行。追求像鸟一样自由自在飞翔是人的梦想之一，要满足大多数人经简单的训练就能飞上蓝天，则飞行器必须小巧且与人的结合性要好，靠四肢就能稳妥地操控。“翼装飞行”运动就是为了满足这一需求而产生的，但“翼装飞行”因为没有动力只是一种御风滑行而已，仍然不能实现个人的自由飞行梦想。
3.扑翼式动力飞行器最类似鸟的飞行模式，但因扑翼飞行器的核心机构即扑翼机构的机械效率太低，要想载人飞行的话需要很大翼展的扑翼机构，则整个飞行器就变得很庞大了，重量也会增大，所以扑翼式飞行器难以推广应用于大众。
4.蜂鸟是一种飞行技术更加高超的鸟类，其在取食花蜜阶段的飞行时翅膀扇动频率及方式很特别，因此蜂鸟能够保持头部向上的飞行姿态极其准确地定点飞行。如果有一款类似蜂鸟一样能直升直降、定点悬浮、前进后退的小巧而高效的飞行器，且能由人的四肢来控制飞行器的飞行动作，不仅可以实现自由飞行的梦想，飞行器也可以应用于：
①
执行低空巡逻搜救与救援、山地森林保护、河流湖泊保护等工作。
②
农业巡查等植保作业。
③
高压线、油气管线巡查作业。
④
飞行体验及运动娱乐。
⑤
个人飞行上下班。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种仿蜂鸟式直升飞行器，靠四肢控制飞行动作能像蜂鸟一样的飞行方式飞行，且具有较高的机械效率，能实现较长时间的直升直降、定点悬停、低速低空巡航。
6.该仿蜂鸟式直升飞行器，包括机体组件、动力组件和转向组件。所述机体组件内设置有容纳使用者的空间。所述的动力组件包括涡桨发动机、操纵杆、离合手柄、变速手柄和离合器。两台涡桨发动机通过同轴的两根转轴转动连接在机体组件的两侧。两根转轴与机体组件之间均设置有离合器。离合器控制转轴与机体组件之间的接合与分离。呈u形的操纵杆的两端与两根转轴分别固定。离合手柄和变速手柄均安装在操纵杆上。离合手柄控制离合器的工作状态；变速手柄控制涡桨发动机的输出推力。
7.所述的转向组件包括踏板、尾翼支座和尾翼。尾翼支座安装在机体组件的底部；踏板与尾翼支座构成转动副或球面副。尾翼与踏板固定。踏板位于机体组件内腔的底部。尾翼位于机体组件的外部。
8.作为优选，所述的机体组件包括甲服。所述甲服包括由外至内依次设置的面层、金属骨架和内衬。
9.作为优选，所述甲服的正面设置有用于供使用者进出的开口；开口两侧从上到下设置有多组扣式安全带。
10.作为优选，所述甲服的底部固定有起落架；所述尾翼位于起落架与甲服之间。起落架的底部安装有多个脚轮。
11.作为优选，所述甲服上安装有蓄电池和油箱。蓄电池用于为控制模块供电。油箱用于为涡桨发动机提供燃料。
12.作为优选，所述涡桨发动机上转轴的转动轴线水平设置，且位于飞行器重心的正上方。
13.作为优选，所述的尾翼支座的安装位置能够沿机体组件的竖直方向调节。工作状态下，尾翼支座调节至，使用者的肩部与涡桨发动机上转轴对齐的状态。
14.作为优选，所述踏板与尾翼支座之间构成球面副。所述的尾翼包括固定在一起的水平翼片和垂直翼片。
15.作为优选，所述踏板与尾翼支座之间设置阻尼器和复位弹簧。
16.作为优选，工作状态下，使用者站立在踏板上，并手握操纵杆。
17.作为优选，两台涡桨发动机的旋向相反。
18.作为优选，所述操纵杆上安装有仪表盘。
19.该仿蜂鸟式直升飞行器的飞行方法，包括以下步骤：
20.步骤一、使用者进入到机体组件中，站立在踏板上，并手握操纵杆。
21.步骤二、两个涡桨发动机启动，带动机体组件升空。
22.步骤三、需要提供前进或后退时，飞行员通过离合手柄将离合器调节至分离状态，并用手向上或向下翻转操纵杆。若需要在空中前进，则向下翻转操纵杆；若需要在空中后退，则向上翻转操纵杆。需要转向时，飞行员通过双脚带动踏板翻转，使得尾翼转动，飞行器在飞行过程中转向目标方向。
23.本发明的有益效果是：
24.1.本发明通过双手翻转操纵杆的方式直接带动两个涡桨发动机翻转，通过双脚在踏板上的移动直接带动尾翼的转动，操作方式简单，飞行器前进、后退、转向的控制均不需要使用动力元件，且不涉及复杂的传动结构，从而简化了飞行器结构，降低了飞行器的重量和成本。此外，本发明中使用双手双脚配合进行飞行控制的方式，操控简单，没有复杂的操控系统，容易上手。
25.2.本发明的整体结构类似于一只中空的蜂鸟，用两台燃油效率及功率密度都高的涡桨发动机替代蜂鸟翅膀提供飞行动力，使得整个飞行器的体积缩小、重量减轻，有利于提高巡航时间和飞行速度。
26.3.本发明合理设计了飞行器的重心与发动机的升力关系，起飞、巡航、降落整个飞行过程人始终保持头部向上或前上方方向，不会栽跟头反转。此外，飞行器适合在低空低速飞行，具有蜂鸟一样的飞行空间体验感，飞行成本低廉。
27.4.本发明中踏板的高度能调节，使得不同身高的使用者均能够处于最佳的操控位置；此外，本发明提供的飞行器的占地面积不超过3平方米，可垂直起飞，对起降环境的要求低。
附图说明
28.图1是本发明的侧面剖视图。
29.图2是本发明的后视图。
30.图3是本发明中动力组件的结构示意图(图2中a-a截面的剖视图)。
31.图中：1.甲服，2.涡桨发动机，3.操纵杆，4.仪表盘，5.离合手柄，6.变速手柄，7.离合器，8.尾翼支座，9.踏板，10.尾翼，11.起落架，12.蓄电池，13.油箱。
具体实施方式
32.结合附图说明仿蜂鸟式直升飞行器的结构组成与实施方法。
33.如图1、2和3所示，一种仿蜂鸟式直升飞行器，包括机体组件、动力组件和转向组件。动力组件和转向组件均安装在机体组件上。动力组件通过涡桨发动机提供飞行器飞行的动力；转向组件通过尾翼实现飞行器飞行过程中的转向。
34.机体组件包括甲服1、仪表盘4、起落架11、蓄电池12和油箱13。甲服1是整个飞行器的支撑结构件，包括由外至内依次设置的面层、金属骨架、内衬三层。甲服1的背部呈流线型、胸腹部平滑的类似蜂鸟身体形状；甲服1的正面设置有用于供飞行员进出甲服的开口；开口两侧从上到下设置有几处用于调整甲服大小的扣式安全带；甲服1的面层采用皮革或尼龙布缝制而成，主要用于装饰与遮阳遮雨作用；内衬采用棉纺制品缝制而成，主要用于包裹飞行员并起保温、隔音、减震等作用；金属骨架是用钛合金等轻金属型材制作的具有一定强度和刚度的结构件，金属骨架的强度与刚度可保证各部件的安装稳定性和可靠性。
35.起落架11固定在甲服的下端，用于飞行器的降落停放与在地面上移动。起落架与甲服1的底部间隔设置；起落架与甲服1之间的空间用于安装转向组件。起落架是一种复合材料制作的框架结构件，起落架11的底部安装有多个有弹性的脚轮；脚轮用于实现该仿蜂鸟式直升飞行器在地面上的移动，以及在降落时起缓冲作用。
36.蓄电池12采用可充电的锂电池组，容量约20ah，固定在甲服的背部，用于给飞行器控制系统及点火提供电力。油箱13固定在甲服的背部，用铝合金材料制作的容量为35升的燃油箱体，用于储存2台涡桨发动机工作所需的燃料。
37.动力组件包括涡桨发动机2、操纵杆3、离合手柄5、变速手柄6和离合器7。涡桨发动机2是整个飞行器的动力装置。两台涡桨发动机2分别安装在甲服的两侧。两台涡桨发动机2的基本动力参数相同但旋向相反,功率约15kw/台，最大拉力约2000n。甲服1的两侧肩部位置均转动连接有一根转轴。两根转轴同轴设置。飞行器在站立状态下转轴的轴线与飞行器的重心处于同一铅垂面中；且转轴的轴线位于飞行器的重心上方。两条涡桨发动机2与两根转轴的外端分别固定。两根转轴与甲服1之间均设置有离合器7。离合器7能够控制转轴与甲服1保持固定状态，或能够相对转动的状态。
38.所述的操纵杆3为u形管状构件，由一体成型的手持杆和两根侧杆组成。相互平行的两根侧杆的内端与手持杆的两端分别连接。操纵杆3的两端即两根侧杆的外端与两根转轴的内端分别固定。操纵杆3的手持杆位于甲服1的正面；使用者的双手上下翻转操纵杆3，能够带动涡桨发动机2前后偏转，从而使得涡桨发动机2的推力产生水平分离，实现飞行器在空中的前进和后退。
39.涡桨发动机2点火旋转后能够产生了绕发动机轴线的滚转扭矩和沿轴线方向的升
力，两台涡桨发动机的扭矩和升力就是飞行器的飞行动力。调节涡桨发动机2的油门大小来改变扭矩和升力大小，从而改变飞行速度大小。通过操纵杆3能使甲服1肩部的转轴带动涡桨发动机2前后偏转一定角度，从而产生水平方向的飞行分力，水平方向的飞行分力能使飞行器实现前进或后退运动。当两台涡桨发动机2的转速不同时便产生绕甲服1的纵轴滚转所需的动力，从而实现飞行器的横滚绕竖直轴线转动动作。涡桨发动机2的优势是燃油效率高、功率密度大、工作时外部温度接近环境温度，因此可以减轻飞行器的自重，也不用考虑涡桨发动机2的降温措施及热辐射问题。
40.操纵杆3的手持杆上安装有仪表盘4、离合手柄5和变速手柄6。离合手柄5的输出接口与两个离合器的控制接口电连接；变速手柄6的输出接口与用于控制涡桨发动机2的控制器或驱动器电连接。通过转动离合手柄5，控制两个离合器在接合状态与分离状态之间切换，从而控制转轴在固定状态与可转动状态之间切换。通过转动变速手柄6的方式调节涡桨发动机2的转速，进而控制飞行速度大小。
41.所述的离合手柄5安装在操作杆3手持端的左手位，由左手旋转离合手柄5控制离合器7的开合动作。所述的变速手柄6安装在操纵杆3手持杆的右手位，由右手旋转变速手柄6可控制涡桨发动机2的进油量，从而控制飞行器的飞行速度。
42.所述的仪表盘4是飞行器的显示仪表盘及控制中心，仪表盘4固定安装在操纵杆3的正前方且便于飞行员观察的位置，仪表盘4内部配置有电子陀螺仪、卫星定位仪、高度仪、燃油控制与点火控制系统。仪表盘4的盘面上配置飞行仪表及开关，具体包括点火按钮、高度表、速度表、姿态表和油量表。通过点火按钮点火涡桨发动机2，通过变速手柄6控制涡桨发动机2的转速。
43.转向组件包括踏板9、尾翼支座8和尾翼10。尾翼支座8固定安装在甲服1的底部；踏板9与尾翼支座8通过球铰链连接，构成球面副。尾翼10与踏板9固定。踏板9位于甲服1内腔的底部，用于供使用者踩踏。尾翼10位于甲服1内腔的外部，且处于甲服1与起落架11之间。
44.球铰链能够实现踏板9和尾翼10的左右及前后偏转。踏板9用于为飞行员提供站立的支撑。飞行员通过改变自身的重心位置和双脚姿势，控制踏板9带动尾翼10绕尾翼支座9进行左右或前后偏转；通过尾翼10的偏转，能够调节气流对尾翼10的作用力方向，实现飞行器的飞行姿态和飞行方向的调整。
45.尾翼10是飞行器的飞行姿态辅助调整装置，类似于蜂鸟尾巴的功能。本实施例中，尾翼10包括复合材料制作的水平翼片和垂直翼片。垂直翼片一侧边缘与水平翼片其中一个侧面的中部固定。当飞行员的双脚带动尾翼10绕尾翼固定座9偏转时，若尾翼10左右偏转，则产生绕飞行器重心的左右偏航动力，从而驱动飞行器左右偏航运动；若尾翼10前后偏转，则产生绕飞行器重心的俯仰动力，改变飞行器的俯仰姿态。在飞行过程中，人体与地面的夹角通过水平翼片调整，以便于飞行员以舒适的角度观察地面情况，调整范围为人体与水平前进方向成30
°
～150
°
夹角(大于90
°
时为倒飞状态)。
46.尾翼支座8在甲服1底部的固定位置，能够沿着甲服1的竖直方向调节高度。尾翼支座8实现高度调节的结构为定位销轴与在竖直方向上依次排列的多个定位孔配合的结构。尾翼支座8的高度调整是为了适应不同身高的使用者的需要，使得不同高度的使用者的肩部均能够与甲服上的转轴对齐，以便于不同高度的使用者转动操纵杆。
47.作为一种可选的进一步优化方案，球铰链设置有对应的阻尼器和复位弹簧，使得
踏板9的偏转具有一定阻力，从而降低对飞行员平衡能力的要求，降低飞行器的操作难度。
48.该一种仿蜂鸟式直升飞行器的飞行方法如下：
49.步骤一、飞行员佩戴头盔从甲服前侧的开口进入并背靠甲服1内部的内衬；进入甲服的飞行员站立在踏板9上并保持平衡。飞行员扣好安全带，使得人与飞行器结合为一体，检查飞行器的状态。
50.步骤二、点火发动两个涡桨发动机2，使两个涡桨发动机2同速反向旋转，逐渐增大涡桨发动机2转速以产生足够的升力垂直起飞。
51.步骤三、飞行员通过仪表盘观察飞行器的工作姿态与状态；需要提供前进或后退时，飞行员通过离合手柄将离合器调节至分离状态，并用手向上或向下翻转操纵杆3。若需要在空中前进，则向下翻转操纵杆3；若需要在空中后退，则向上翻转操纵杆3。需要转向时，飞行员通过双脚带动踏板翻转，使得尾翼转动，在飞行器前进过程中，尾翼在气流作用下提供飞行器转向的动力。
52.飞行员在飞行过程中分为三个阶段，分别为垂直起飞阶段、斜线上升阶段和水平巡航飞行阶段。
53.垂直起飞阶段：涡桨发动机不调整角度，人与机体都是直立状态。
54.斜线上升阶段：涡桨发动机前倾约0-30
°
角(角度越大水平方向的速度越大)，此时由于整个飞行器的水平方向的风阻力作用点位于整个飞行器重心略偏下的位置，即使不旋转水平尾翼，机体与人体在水平风阻作用下也可绕涡桨发动机安装轴俯仰约大约0
°
～30
°
角(根据重心与安装轴距离及机体各部分的风阻系数而定)。
55.水平巡航飞行阶段：当涡桨发动机前倾角度使得发动机竖直向上的分力与飞行器重量相等时，飞行器就处于水平巡航状态。此时，因水平风阻力比斜线飞行时更大，则机身与人体与地面的夹角会更小，具体为接近45
°
。通过水平尾翼的偏转也可以减小或增大俯仰角度，因此在水平巡航飞行阶段机身人体与水平面夹角可调整至30
°
。
56.结合附图计算说明仿蜂鸟式直升飞行器的载重与巡航能力如下：
57.复合材料制作的甲服自重小于40kg。
58.操纵杆、离合手柄、调速手柄、仪表盘、离合器、尾翼支座、尾翼、起落架、蓄电池共重约20kg。
59.油箱容积35升，加满航空煤油后总重量约40kg。
60.小功率涡桨发动机，每台功率15kw，重量约25kg，最大推力为2000n。
61.合计：飞行器总输出功率为30kw，最大推力4000n，最大自重150kg。可搭载人员及其附属物品最大值为250kg。若飞行员及附属物品重量按100kg计算，则起飞重量为250kg，最大起飞加速度为1.6m/s2。35升航空煤油可维持以200km/h的巡航速度飞行大于3小时。
62.对于操纵杆进行操作的臂力需求计算如下：飞行器工作过程中，涡桨发动机最大推力为2000n，两个发动机合推力为4000n。因此，两个转轴对甲服的正压力合力为4000n；而圆柱副旋转的当量摩擦系数fv(钢对钢有润滑时)约为0.08，则总的旋转摩擦力约为4000n*0.08＝320n＝32kg。本实施例中，转轴半径(即圆柱副半径)为10cm；操纵杆的手持杆轴线与转轴轴线的距离为80cm。因为有操纵杆的力杠杆作用，故操纵手柄的上下操纵阻力约为32kg/8＝4kg。在转轴与甲服之间安装轴承的情况下，所需的操纵力更小；因此，普通人即可轻松操纵本发明提供的飞行器。