說明書

本發(fā)明涉及一種帶有三個或更多旋翼的多翼飛行器，其配裝有可沿縱軸自由旋轉(zhuǎn)的自由機翼，從而在水平飛行過程中為飛行器提供升力。

背景技術(shù)：

近年來，垂直起飛后能水平飛行的飛行器的開發(fā)、制造和利用的涉及多領(lǐng)域的綜合行業(yè)方興未艾。所述飛行器即可是有人駕駛也可是無人駕駛，并有多個不同的名稱如，vtol(垂直起降)飛行器、多旋翼飛行器、側(cè)轉(zhuǎn)飛行器等。這類飛行器的特征在于具有幾個引擎(螺旋槳或噴氣式)，實現(xiàn)飛行器的垂直起降。一旦飛行器升空，引擎的定位可進行調(diào)整，以推動飛行器的水平飛行。為表述清楚起見，本說明書中的飛行器特指“多旋翼飛行器”。多旋翼飛行器采用螺旋槳或噴氣式引擎可實現(xiàn)起飛、盤旋及水平飛機。飛行器通過感應(yīng)器和飛行控制計算機向飛機器的引擎和螺旋槳發(fā)送指令來控制及保持穩(wěn)定。

多旋翼飛行器的一個優(yōu)點是其能夠垂直起降、在空中盤旋及水平飛行。

多旋翼飛行器的一個缺點是續(xù)航時間相對較短。這一缺陷的原因是引擎的一部分能量并用來維持其水平向前的飛行。因此有些多旋翼飛行器配裝有機翼，以提高水平飛行的能量效率。有些多旋翼飛行器配裝有以固定連接方式與機翼連接的引擎，因此引擎與機翼之間的角度是固定的，機翼旋轉(zhuǎn)與引擎的旋轉(zhuǎn)同步。在其他一些型號中，機翼和引擎與底座固定連接。上述飛行器的缺陷在于引擎和機翼以固定方式連接，在起降和盤旋過程中都會產(chǎn)生不利影響。當機翼與地面垂直(即引擎朝上，與直升機的功能相同)且風(fēng)大時，就會出現(xiàn)阻力和不穩(wěn)定。類似地，引擎和機翼均固定連接在底座上的飛行器在起飛、盤旋或降落時如出現(xiàn)后風(fēng)或側(cè)風(fēng)，機翼就會產(chǎn)生負升力及/或阻力。這一缺陷導(dǎo)致能量損失(需要引擎增加作業(yè))，或出現(xiàn)使飛行器偏離垂直降落線或盤旋點等更嚴重的狀況。例如當飛行器需要降落在建筑樓頂時，這一問題尤其嚴重，當正在降落時出現(xiàn)側(cè)風(fēng)就會導(dǎo)致飛行器偏離著陸點。

為增加飛行器的穩(wěn)定性可采用執(zhí)行器及各種機械裝置，但同時因為增加了部件又降低了可靠性，當這些部件對于飛行至關(guān)重要時，其成為真正的危險因素。此外，上述裝置重量較大從而縮短了最大飛行時間或降低了飛行器裝載能力。相應(yīng)地，本發(fā)明中的自由機翼可在其安裝于多旋翼的縱軸上自由轉(zhuǎn)動。自由機翼可由執(zhí)行器控制也可不需要控制，其角度和產(chǎn)生的升力由其相對于氣流決定。

現(xiàn)將各現(xiàn)有多旋翼飛行器存在缺陷的情況總結(jié)如下：(1)機翼固定安裝于底座的飛行器在水平飛行時，其機翼與傳統(tǒng)飛行器的功能相同。當飛行器盤旋(飛行器在空中相對于地面某個點固定不動)或降落(飛行器相對于地面某個點垂直下降)時如未出現(xiàn)大風(fēng)，側(cè)不會出問題。然而如出現(xiàn)側(cè)風(fēng)、陣風(fēng)或后風(fēng)，飛行器將偏離固定點，從而出現(xiàn)前述的問題。(2)機翼固定安裝于引擎的飛行器的機翼和引擎相對于底座同步旋轉(zhuǎn)：在水平飛行時，飛行器與傳統(tǒng)飛機功能相同。然而在盤旋或降落時，引擎朝上，機翼與地面垂直，當出現(xiàn)任何方向的風(fēng)時都會導(dǎo)致飛行器偏離所述固定位置。此外，這一缺陷還難以控制，因為移動機翼本身將導(dǎo)致引擎和機翼糾差之間的沖突。

附圖說明

本發(fā)明的附圖不是本發(fā)明及其申請的范圍的限制。附圖僅用于對本發(fā)明的說明，其僅構(gòu)成本發(fā)明多個可能的實施例的其中之一。

圖1a為處于水平位置的多旋翼飛行器，動力部件正在作業(yè)。

圖1b為向前側(cè)向飛行的多旋翼飛行器。

圖2為帶有一對自由機翼(400)的多旋翼飛行器(100)。

圖3為處于水平飛行帶有自由機翼(400)的多旋翼飛行器(100)，動力部件正在作業(yè)。

圖4為向右側(cè)傾的多旋翼(1000)。

圖5為向左側(cè)傾的多旋翼(1000)。

圖6-9為安裝有自由機翼(4000)的多旋翼(1000)。5

發(fā)明詳細說明

本發(fā)明涉及一種安裝有自由機翼的多旋翼飛行器，這一設(shè)計一方面可提高飛行效率及節(jié)省能量，另一方面可避免機翼安裝于底座或引擎的飛行器的缺陷。

多旋翼飛行器的穩(wěn)定和控制通過感應(yīng)器和飛行計算機操作引擎和螺旋槳來實現(xiàn)。例如，如果操縱人員想讓飛行向前飛行，后引擎收到加速指令，而前引擎則收到減速指令。此時旋翼旋轉(zhuǎn)并向前傾，在水平方向上給飛行器施加推力。由于向前飛行需要動能，飛行器為保持高度需要增加引擎動力，因此如圖1a和1b所示飛行器在此狀態(tài)時消耗更多的能量。如圖1a所示，多旋翼飛行器(2)在水平位置盤旋。升力矢量(4)是引擎和螺旋槳(5)實施的全部動力，重力矢量(6)是飛行器(2)重力的中心。當這兩種力量相等時，飛行器(2)處于平衡狀態(tài)，即保持高度盤旋。

圖1b向前側(cè)向飛行(或逆風(fēng)飛行)的飛行器(2)，升力矢量(4)是引擎和螺旋槳(5)產(chǎn)生的合力，所述合力(4)可分成實現(xiàn)向前飛行的向前矢量(8)以及決定飛行器高度的矢量(10)。

可以看到當矢量(10)小于矢量(4)和矢量(6)時，飛行器將失去高度并下降。為了使飛行器保持高度，必須增加合力直到矢量(10)等于矢量(6)，即飛行器的總重量。這樣將實現(xiàn)平衡，使飛行器保護飛行高度。增加合力將導(dǎo)致能量浪費并縮短飛行時間。

本發(fā)明涉及如圖2和圖3所示的一種多旋翼飛行器(100)，其包括一個底座(200)，三個或更多的引擎(300)，一個自由機翼(400)(或底座兩側(cè)的一對自由機翼。所述自由機翼(400)通過軸連接方式與底座(200)相連接。因此，自由機翼(400)和底座(200)的角度可通過執(zhí)行器(500)或機翼上氣流的力量進行調(diào)節(jié)。

在水平飛行單元(以后簡稱為“水平飛行”)時，自由機翼(400)為了產(chǎn)生升力，其必須與氣流方向(14)產(chǎn)生一個具體的正迎角。由于底座(200)向前正對氣流，因此自由機翼(400)不能始終固定于底座非常重要。否則將產(chǎn)生負角度，從而導(dǎo)致失去高度和能量損失。為使自由機翼相對于氣流形成具體的正角度，可采用控制機翼轉(zhuǎn)向的執(zhí)行器或安裝于機翼上的計算機控制的引擎?？蛇x擇的方案是，可采用不需要干涉的完全自由機翼(400)，以自動與氣流運動相對形成最佳的狀態(tài)。這可通過機翼的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，但會在多個飛行姿態(tài)中降低空氣動力效率。

自由機翼(400)通過軸(18)與底座(200)連接，自由機翼可沿軸自由旋轉(zhuǎn)。自由機翼(400)根據(jù)氣流(14)實現(xiàn)自動穩(wěn)定(或通過程控執(zhí)行器實現(xiàn)穩(wěn)定)，增加向上升力，其可視為矢量(16)為引擎(300)產(chǎn)生的升力提供補充。

如圖3所示，自由機翼可沿軸(18)自由旋轉(zhuǎn)。矢量(16)為自由機翼產(chǎn)生的向上升力，其中心位于軸(18)后面，其產(chǎn)生的力矩(22)使機翼后緣沿軸(18)升起。機翼上的控制表面或機翼后緣的向上升起產(chǎn)生向下動力(26)，其在向上力矩(22)相反方向產(chǎn)生力矩(24)，直到實現(xiàn)平衡狀態(tài)，機翼相對于氣流實現(xiàn)穩(wěn)定并產(chǎn)生升力。在盤旋時，飛行器(100)必須頂風(fēng)，在飛行時，機翼應(yīng)相對于氣流收起。安裝于飛行器的專用軟件、飛行計算機以及感應(yīng)器均用來在水平飛行時保持自由機翼(400)的定向。

根據(jù)前述說明及本專利申請的附圖，可以理解到本發(fā)明涉及一種帶有三個或更多以固定方式安裝于飛行器(100)底座(200)的螺旋槳(300)，螺旋槳(300)與底座之間的角度是固定的。此外，本發(fā)明涉及的飛行器(100)具有通過軸(18)連接于底座(200)的一個或多個自由機翼(400)，機翼(400)與飛行器(100)的底座(200)之間的角度可以調(diào)節(jié)。機翼(400)的迎角可通過執(zhí)行器(500)旋轉(zhuǎn)機翼來實現(xiàn)，所述執(zhí)行器可以是馬達、螺旋槳或任何其他設(shè)備?？蛇x的方案是，由于自由機翼(400)可以自由旋轉(zhuǎn)，其迎角也可相對于自由機翼(400)上的氣流來進行調(diào)節(jié)。在水平飛行時，機翼周圍的水平氣流調(diào)整機翼的迎角，使機翼(400)的升力矢量處于向上的方向。這增加了飛行器(100)的升力并減小了螺旋槳(300)作業(yè)所需的能量。本發(fā)明可通過為飛行器(100)增加兩個自由機翼(400)來實施。此外，機翼(400)與底座(200)的軸連接(18)可實現(xiàn)機翼的360度無限制的旋轉(zhuǎn)。

當飛行器(100)在側(cè)風(fēng)條件下盤旋、起飛或降落時，飛行器(100)可向風(fēng)的方向側(cè)轉(zhuǎn)，以保持與地面固定點的位置，機翼可旋轉(zhuǎn)至機翼(400)的前緣正對風(fēng)向，這樣可以在相當程度上減小阻力并避免飛行器(100)偏離地面固定點。如圖所示，機翼的每一側(cè)(左側(cè)及右側(cè))可獨立旋轉(zhuǎn)，由于機翼的每一側(cè)的阻力不同，這樣可以實現(xiàn)多旋翼，尤其是在偏離軸上的控制，通過機翼的獨立，相對于多旋翼和螺旋槳產(chǎn)生非常小的力矩，同樣使多旋翼在大風(fēng)條件下更加穩(wěn)定。

自由機翼(400)可配裝控制表面以實現(xiàn)機翼和飛行器升力的最佳和快速的控制。可選地，自由機翼(400)可配裝限制裝置以限制機翼旋轉(zhuǎn)至軸(18)上的可能性。換句話說，為在低速狀態(tài)下產(chǎn)生升力，機翼的后部不能升至超過一定角度。然而所述限制裝置不能限制機翼在起飛、盤旋和降落過程中降低。

圖4和圖5為本發(fā)明多旋翼(1000)的第二個實施例。沿多旋翼飛行器(1000)垂直軸(1026)的旋轉(zhuǎn)通常是順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳(5000)產(chǎn)生的力矩差別的結(jié)果。為實現(xiàn)多旋翼的最佳控制，這些力矩相對較小。多旋翼(1000)包括一個底座(2000)和四個或更多的螺旋槳(5000)。底座(2000)包括一個主體(2100)和一對軸(2200)(2300)，為解釋起見，在說明書中稱為“右軸”(2200)和“左軸”(2300)。

螺旋槳(5000)與所述軸的頂端連接，每條軸(2200)(2300)通過軸連接(1018)與主體(2100)連接。假設(shè)四個螺旋槳(5000)以同樣的動力做向上作業(yè)，多旋翼(1000)將垂直上升，四個引擎(5000)處于同一水平面。

假如操作員想使多旋翼向右轉(zhuǎn)，其可增加右軸(2200)上的螺旋槳的動力并減小同一軸(2200)上另一螺旋槳的動力。右軸(2200)將沿與主體(2100)相連接的軸(1018)旋轉(zhuǎn)，在一個螺旋槳上升而其他螺旋槳下降的情況下，多旋翼將向右側(cè)轉(zhuǎn)。

如圖4所示，由于右軸(2200)上的引擎(1014)和左軸(2300)上的引擎(1020)推力增大，多旋翼(1000)順時針方向向右轉(zhuǎn)(同時也可減小引擎1016和1022的推力)，從而實現(xiàn)多旋翼沿主軸1026偏轉(zhuǎn)。圖5為多旋翼相對應(yīng)地向左偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

圖6-9為本發(fā)明涉及的多旋翼(1000)的第三種實施例，其配裝有與底座(2000)的主體(2100)以軸連接方式連接的自由機翼(4000)。