本發(fā)明涉及一種新布局的可垂直/短距起降(vstol)輕型單人飛機——飛行摩托，屬于航空飛行器中固定翼飛機涉及技術領域。

背景技術：

現(xiàn)有飛行器分為固定翼和旋翼兩種，而目前城市輕小型飛行器多為旋翼類。旋翼飛行器具有體積較小、操作簡單，可垂直起降，不需要滑跑跑道，占用空間小等優(yōu)點，因而目前在單人飛行器領域中被廣泛應用。但是，其飛行速度小、飛行高度低、機動性較差的缺點制約了飛行器在城市高樓間穿梭的靈活性，安全性也隨之降低；固定翼飛機因其具有飛行速度快，航時長，飛行距離遠等特點，在多人輕型飛機中應用較多。但是因為其尺寸較大，滑跑起飛降落需用很大空間，在單人飛行器的發(fā)展中受到了很大限制。本發(fā)明的研究方案是可垂直/短距起降的固定翼類單人飛行器。它兼?zhèn)涔潭ㄒ砗托淼膬?yōu)點，而且結構簡單，可作為城市之間的遠距離航行工具，未來發(fā)展前景將十分廣闊。

現(xiàn)有設計方案主要包括：

1)城市輕小型飛行器

日前專注生產(chǎn)制造人類“鋼鐵俠”飛行裝備的馬丁飛行噴射包公司已在2月在澳大利亞證券交易所主板掛牌交易，“鋼鐵俠飛行包”即將上市，售價125萬人民幣。人類對于單人飛行器的研究熱情從未減退，2011年，德國人托馬斯·森克爾攜手斯特凡·沃爾夫和亞歷山大·措澤爾研制出一種新型單人遙控飛行器，這種新型飛行器名為e-volo。美國一家公司近年來推出一款“飛行摩托”，可供單人駕駛和乘坐，能在空中飛行前進。

2)e-volo單人飛行器

2011年，德國人研制出一種新型單人遙控飛行器，首次載人試飛飛行1分30秒后安全著陸。設計者說，未來它不僅可以走入尋常百姓家，用作“空中飛車”，還可用于管道系統(tǒng)檢測、空中救護或航拍等作業(yè)。這種新型飛行器名為e-volo，由托馬斯·森克爾攜手斯特凡·沃爾夫和亞歷山大·措澤爾研制。飛行器看上去就像一個人坐在彈跳球上，周圍被遙控直升機模型環(huán)繞。實際上，它由4組16個水平旋翼組成，每個旋翼由電腦控制，因此飛行員坐在位于中心的底座上，僅用無線控制器就可操控駕駛，如同玩電子游戲一樣。座位下方的球主要起減震作用。飛行器配備了全球定位系統(tǒng)(gps)，能自動避開障礙物，自控到達已設定位置。它還可在飛行員非操控狀態(tài)下靜止盤旋于空中。

3)飛行摩托

美國一家公司近年來推出一款“飛行摩托”，可供單人駕駛和乘坐，能在空中飛行前進。這種飛行摩托可以在離地近5米高的地面上飛行，時速約為48公里。該飛行器的驅動裝置是其下面兩個圓盤，利用兩個圓盤旋轉產(chǎn)生的上升氣流，可讓摩托升到空中。根據(jù)制造該款飛行器的公司介紹，這種個人飛行器上有兩個手柄，可以調(diào)節(jié)行駛速度和高度。同時，飛行摩托內(nèi)置感應裝置，人在上面駕駛時，可以利用身體的傾斜產(chǎn)生的重心變化，改變飛行摩托的飛行方向。

4)個人噴氣式"飛行背包"

新西蘭航空設計師格倫·馬丁堅信，他成功開發(fā)出一種能使普通人實現(xiàn)遨游太空夢想的單人飛行器，使噴氣背包在現(xiàn)實生活中駛離地面。據(jù)馬丁介紹，盡管噴氣背包的飛行距離、飛行高度和持續(xù)時間上都不算太理想，分別只有50英尺、6英尺和45秒，但這些都不是實驗的目標。馬丁說：“我只是想去證明這項技術可以奏效。無論是6英尺，還是600英尺，一旦你身在天空，這些數(shù)字不會有什么區(qū)別?！睆娘w行設計原理上看，馬丁噴氣背包更像是氣墊船而非噴氣機。使用汽油的摩托發(fā)動機通過汽車風扇皮帶驅動兩個扇形螺旋槳，螺旋槳在兩個外表看似超大號湯罐的裝置內(nèi)水平旋轉。這種涵道風扇設計比直升機無屏蔽發(fā)動機效率更高。發(fā)動機、燃料箱和飛行員處于升力扇中間及下方，以降低重力中心，避免噴氣背包在飛行中上下顛倒，撞向地面。

固定翼垂直/短距起降技術發(fā)展

迄今為止，世界上具備比較成熟的垂直/短距起降技術的固定翼代表飛機有英國的鷂式，美國的v-22魚鷹和f-35?！苞_”實現(xiàn)垂直短距起降的基本原理在于，采用一臺4個可旋轉噴口的“飛馬”渦扇發(fā)動機來提供起降時所需的升力以及過渡飛行和正常飛行所需的推力；v22-魚鷹傾轉旋翼機是在類似于固定翼飛機的機翼兩翼尖處各裝一套可在水平位置與垂直位置之間轉動的旋翼螺旋槳組件；美國的f35b型聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機是目前最先進的垂直/短距起降戰(zhàn)斗機，其推進系統(tǒng)是由一臺兩級對轉升力風扇和一臺噴管可轉向的主發(fā)動機組成。在垂直升降過程中，主發(fā)動機噴口向下偏轉產(chǎn)生一部分升力的同時，通過主發(fā)動機軸驅動升力風扇產(chǎn)生升力。

現(xiàn)有技術的問題

1、目前，單人飛行器以旋翼類居多，旋翼飛行器雖然具有體積小、重量輕等優(yōu)點，但是其缺點也很明顯，比如飛行速度慢，飛行距離短，飛行高度低，不可作為遠距離飛行的交通工具，等等。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種飛行摩托，其特征在于包括：

機身、機翼、腹鰭、垂尾、邊條翼、動力系統(tǒng)、起落架、駕駛艙、襟翼，

其中：

機翼采用機翼內(nèi)段和機翼外段的組合形式，機翼內(nèi)段平直，機翼外段后掠，

機身的頭部裝有前發(fā)螺旋槳，前發(fā)螺旋槳外圍設有防護圈以提高螺旋槳旋轉時的安全性，

駕駛艙位于機身中部，后部則迅速收縮與機翼內(nèi)段融為一體，

邊條翼位于機身的兩側，有效提高了大迎角和低速飛行時的升力；

起落架前三點式起落架；所述起落架的前起、主起采用緩沖減震設計并包括主起機輪，

飛行摩托的機身后緣安裝有防擦尾輪，

主起的位置，使得飛行摩托垂直起飛時允許前發(fā)螺旋槳使機頭抬起且飛行摩托的尾部著地，且在此狀態(tài)下，重力作用點沿水平方向在主起機輪著地點后方。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的飛行摩托的俯視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的飛行摩托的側視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的飛行摩托垂直起降離地時姿態(tài)的示意圖。

圖4a是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的飛行摩托的總體和前發(fā)布局。圖4b是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的飛行摩托的總體和前發(fā)布局。

圖5是飛行摩托懸停時受力分析圖。

具體實施方式

針對現(xiàn)有技術的上述問題，本發(fā)明的目的是固定翼類單人飛行器，其飛行速度更快，航時長，飛行距離更遠。

在輕型固定翼飛機中，最大的問題是不能夠垂直/短距起降、懸停，其起飛和降落都需要很大距離。而且飛機的尺寸相對比較大，在空間日益擁擠的當下，不適合推廣使用；而現(xiàn)有的固定翼垂直/短距起降技術設計復雜，結構重量大，不適合應用在城市輕小型飛行器。本發(fā)明采用固定翼與螺旋槳配合，結合偏轉滑流效應，使飛行器既具有旋翼類飛行器的優(yōu)點，可垂直/短距起降。而且尺寸相對較小，結構比較簡單，制作成本相對較低，適合廣泛應用。

整體布局

如圖1至圖4b所示，根據(jù)本發(fā)明的飛行摩托整體采用鴨翼布局。鴨翼(4)可以用較小的翼面來達到較高的操縱效能。同時，機身兩側帶有大邊條翼(6)。

機翼

機翼(9、12)采用機翼內(nèi)段(9)和機翼外段(12)的組合形式，機翼內(nèi)段(9)平直，機翼外段(12)后掠。平直機翼內(nèi)段(9)提高了整體偏轉滑流增升效應，后掠機翼外段(12)在高推重比下具有優(yōu)異的加速性能。此外，襟翼(10、11)同時作為升降副翼，用于飛行時的俯仰和滾轉控制。機翼外段(12)沒有任何活動舵面，結構簡單可靠。

機身

機身(5)頭部設置前發(fā)螺旋槳(1)，前發(fā)螺旋槳(1)外圍的防護圈(2)提高螺旋槳旋轉時的安全性。駕駛艙(15)位于機身中部，后部則迅速收縮與機翼內(nèi)段(9)融為一體。駕駛艙(15)采用半封閉的形式，前擋風板(14)設計流線型，降低飛行時阻力。左右兩側防護板(16)保護駕駛員在飛行時避免受到螺旋槳的傷害。腳蹬(17)為駕駛員在飛行時提供腿部支撐。整體上看，機身(5)具有良好的氣動特性，且可使飛行員獲得開闊的視野。

腹鰭和垂尾

腹鰭(21)布置在襟翼(10、11)下方兩側。垂尾(22)可采用單垂尾或雙垂尾(28)形式。雙垂尾的位置可設計在機身兩側或機翼兩端，作為翼端垂尾。

邊條翼

邊條翼(6)位于機身的兩側，有效提高大迎角和低速飛行時的升力。座位兩側，邊條翼上的孔位(7)為駕駛員騎行飛行摩托的腿部位置。

動力系統(tǒng)

本發(fā)明的動力系統(tǒng)可采用電動式，或者油電混合式。發(fā)動機既可以采用單發(fā)，又可以采用雙發(fā)。

在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，采用單發(fā)油電混合式，該單發(fā)油動發(fā)動機位置(19)在座艙(15)后的機身(5)內(nèi)部，并帶動機翼前緣兩個主槳(18)和一個前槳(1)。同時，三個螺旋槳(兩個主槳(18)和一個前槳(1))各配有一個輔助電機(3、8)。輔助電機(3、8)可以和主發(fā)動機(19)一同工作，以滿足在垂直起降、懸停等狀態(tài)的大功率工作需求；亦可作為備用電機，在主發(fā)動機(19)無法正常工作的情況下應急使用。

起落架和尾輪

根據(jù)本發(fā)明的實施例采用前三點式起落架；所述起落架的前起(13)、主起(20)采用緩沖減震設計。本發(fā)明的起落架實施例重點考慮了主起(20)的位置，飛行摩托垂直起飛時，控制前發(fā)螺旋槳(1)使機頭抬起，尾部著地。機身后緣安裝有防擦尾輪(24)，此狀態(tài)下，重力作用點(23)在主起機輪(25)著地點后方(沿水平方向)。

懸停原理

如圖5所示，飛行摩托在懸停姿態(tài)時，利用科恩達效應，主發(fā)螺旋槳(18)后拖出的高速螺旋槳滑流，隨著機翼結合襟翼偏轉改變了方向，產(chǎn)生斜向上的合力。不同的后緣襟翼類型(單縫、雙縫、三縫)產(chǎn)生不同大小和方向的合力。有研究證明：矢量合力的大小可達螺旋槳拉力的80％以上。

飛行摩托懸停時襟翼(10、11)下偏，圖5所示的前發(fā)螺旋槳(1)提供的拉力、機翼在偏轉滑流效應下的氣動力與主發(fā)螺旋槳拉力的合力(29)、重力(23)達到平衡，實現(xiàn)在空中的懸停。而且，可以通過改變襟翼的偏轉角度來改變滑流合力的大小和方向，再結合前發(fā)的力矩配平與控制，實現(xiàn)飛行摩托在不同俯仰角下的懸停，角度范圍約30-60度。

垂直起降方式

飛行摩托垂直起飛：通過控制前發(fā)螺旋槳(1)，使飛行摩托抬頭至大約懸停時的角度，襟翼下偏，使機翼處于很大的向下彎曲狀態(tài)；推大油門，主發(fā)螺旋槳(18)旋轉產(chǎn)生向前拉力和較大向后氣流，在機翼偏轉滑流作用下，產(chǎn)生較大的氣動力。在以上各力的共同作用下，飛行器處于類似于三軸旋翼的垂直起飛狀態(tài)，實現(xiàn)垂直起飛。在適當高度再轉入平飛；也可通過調(diào)節(jié)襟翼的偏轉角度和螺旋槳拉力的大小實現(xiàn)超短距起飛。

飛行摩托垂直降落：由常規(guī)平飛或下滑階段減小飛行速度，在保持軌跡基本不變的情況下，結合升降舵與前發(fā)逐漸拉起俯仰角(迎角)，進入大迎角大阻力減速飛行階段，隨著飛行速度的進一步降低偏轉襟翼轉入懸停模式，同垂直起飛和懸停，通過三發(fā)螺旋槳與滑流控制保持飛機穩(wěn)定懸停和緩慢下降，直至主輪柔和接地，減小主發(fā)油門，控制前發(fā)使飛行摩托機頭穩(wěn)定回落接地，完成垂直著陸。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

1、與現(xiàn)有的旋翼類飛行摩托相比，本發(fā)明結構簡單，并且前飛效率高，具有更快的飛行速度，更遠的航程和更高的升限。因為該機的前飛動力取自發(fā)動機推力的全部分量，而旋翼機的前飛動力取自旋翼拉力的前向分力，并且該機在前飛時由機翼產(chǎn)生全部升力，氣動效率高；旋翼機的飛行控制需要復雜的周期變距機構，而且其動力傳動需由發(fā)動機帶動主旋翼，還需經(jīng)過復雜的傳動機構帶動機身靠后的尾槳，結構較為復雜，安全性較差；同時，本發(fā)明前發(fā)離重心較遠，操縱效率高，而且中小展弦比、較大的滑流舵面、足夠的推重比，這些設計使其較之旋翼機具備更強的機動能力。

2、與傾轉旋翼機相比，本發(fā)明無傾轉機構，結構簡單，重量輕，安全性好。傾轉旋翼機設計復雜，結構重量大；傾轉旋翼機一般有兩個同步的旋轉槳艙，機構復雜，控制困難，對結構強度、控制策略要求較高，并且在垂直飛行時，對于飛行器的控制完全由旋翼提供，操縱效率不高。

3、與常規(guī)固定翼飛機相比，本發(fā)明能夠擺脫對于起飛場地的依賴，能夠實現(xiàn)垂直起飛和超短距起飛，并且能夠在空中懸停。常規(guī)固定翼飛機一般需要較長的跑道才能實現(xiàn)滑跑起飛和降落，這對于在城市中飛行的飛行器很難實現(xiàn)。

4、本發(fā)明具有成本優(yōu)勢。設計結構簡單，無特殊的加工工藝和材料要求，制作成本低。性價比高，經(jīng)濟實惠，易于推廣。

結構、操控等方面的改進包括：

—通過使用滑流偏轉動力增升技術實現(xiàn)了垂直/短距起降，大大降低了對地面場地的要求。

—該布局結構簡單，無傾轉機構，操縱面少，操縱效率高，維護容易，制作成本低廉。

—動力系統(tǒng)既可以采用電動式，又可以設計為油電混合式。油電混合設計，可在主發(fā)動機無法正常工作的情況下，電機應急使用，從而提高飛行安全。

—在空中可以實現(xiàn)大俯仰角懸停，在特殊情況下完成空中作業(yè)。

除了上述的實施例之外，本發(fā)明的其他可選實施例包括：

1、前發(fā)采用涵道形式(26)(圖4b)，替代螺旋槳(1)。(相對涵道，螺旋槳的效率更高可節(jié)約能源，而涵道相比更加安全美觀。)

2、飛行摩托的布局既可以設計為平直段機翼和后掠段機翼的組合機翼形式，也可以設計為較小后掠角的后掠翼(27)形式(圖4b)。小后掠角機翼相對大后掠機翼的滑流增升效率更高。