飛行器和用于操作飛行器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種飛行器和用于操作飛行器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 只要是飛行自身，就一直存在對(duì)如下的機(jī)器的需求：該飛行可以在具有直升機(jī)的 安全和效率的情況下垂直起飛、轉(zhuǎn)換至機(jī)翼推動(dòng)（Wing borne)的高速飛行并且然后恢復(fù)至 用于垂直降落的旋轉(zhuǎn)翼飛行（rotary wing flight)。
[0003] 直升機(jī)是能夠從未準(zhǔn)備的場(chǎng)地高效地垂直飛行的多用途飛行器，但是其向前速度 受限。
[0004] 飛機(jī)可以攜帶大型的尚效載荷，能夠進(jìn)彳丁尚速、尚效、遠(yuǎn)航程并且尚尚度的飛行， 但是受限于需在大面積的陸地的準(zhǔn)備好的表面和設(shè)施中操作。
[0005] 自1900年代的早期第一架飛行器起飛以來(lái)，將所述兩種類型的飛行組合的嘗試 已經(jīng)引起了許多發(fā)明家的許多嘗試。在1950年代與1960年代期間，在該研宄領(lǐng)域做出了 許多進(jìn)展，關(guān)于垂直起飛和降落（VTOL)輪的關(guān)鍵的進(jìn)展總結(jié)在網(wǎng)站www. vtol. orR上。
[0006] 在已經(jīng)創(chuàng)造并且測(cè)試的所有機(jī)器中，僅少量的VTOL類型的機(jī)器進(jìn)行了生產(chǎn)。其 為如Harrier的軍方噴氣式VTOL飛機(jī)以及如V22魚(yú)鷹式的轉(zhuǎn)向旋翼飛行器（Tilt Rotor Aircraft)，但是，還沒(méi)有一架真正的直升機(jī)與飛機(jī)的組合。麥克唐納道格拉斯直升機(jī)（現(xiàn) 在屬于波音）的鴨式旋翼（CRW，canard rotor wing)飛行器是試圖解決該問(wèn)題的最近的示 例。
[0007] 在將旋翼飛行器（旋轉(zhuǎn)翼飛行器）從旋轉(zhuǎn)翼飛行轉(zhuǎn)換為具有旋翼停止以用作固定 翼的固定翼飛行（fixed wing flight)的所有嘗試中，主要的問(wèn)題是會(huì)由飛行器的向前運(yùn) 動(dòng)在旋翼槳葉上產(chǎn)生不對(duì)稱的升力。隨著旋翼被降速至停止，該升力的不對(duì)稱導(dǎo)致不穩(wěn)定。
[0008] 許多不同的設(shè)計(jì)構(gòu)造已經(jīng)嘗試推進(jìn)旋翼飛行器的性能超過(guò)由傳統(tǒng)的旋翼界定的 極限。隨著任何旋轉(zhuǎn)翼飛行器開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，在前行槳葉（advancing blade)與后行槳葉 (retreating blade)之間的氣流的不對(duì)稱差異導(dǎo)致升力不平衡，該升力不平衡導(dǎo)致了不穩(wěn) 定性。對(duì)于傳統(tǒng)的直升機(jī)，該不對(duì)稱性也限制了其最大速度。
[0009] 具有位于機(jī)身的頂部上的一個(gè)旋翼或多個(gè)旋翼的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的旋翼飛行器，在用于 升力增補(bǔ)的機(jī)翼和/或由與旋翼分離的推進(jìn)裝置產(chǎn)生向前的推力的能力、推力增補(bǔ)的幫助 下，已經(jīng)在過(guò)去提高了純直升機(jī)的速度限制。這些構(gòu)造已知為組合式直升機(jī)，并且使得旋翼 能夠根據(jù)需要解除，以產(chǎn)生升力和推力，因此，使得這些旋翼能夠隨著空速（airspeed)增 加而卸載。卸載旋翼具有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：其允許旋翼的每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM)更低并且允許 旋翼槳葉上的迎角（angle of attack)降低。這些改變的結(jié)果意味著推遲在前行旋翼槳葉 (advancing rotor blade)上產(chǎn)生接近音速的氣流并且在后行槳葉碰到槳葉失速（blade) 之前增加時(shí)間間隙，二者都意味著飛行器可以在這些問(wèn)題再次變成限制音速之前更快地飛 行。與可比較的固定翼飛行器相比，這些構(gòu)造的設(shè)計(jì)復(fù)雜性、較高的總拉力以及動(dòng)力消耗高 得多，其超過(guò)了這些構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)。這些飛行器一直沒(méi)有超過(guò)原型機(jī)階段。
[0010] 轉(zhuǎn)向旋翼機(jī)（tilt rotor)是將直升機(jī)和飛機(jī)的能力中的一些組合在一臺(tái)機(jī)器中 的獨(dú)特的機(jī)器。由于其較高的旋翼載荷，所以其在垂直飛行角色中沒(méi)有直升機(jī)高效，并且在 向前飛行時(shí)受限于渦輪螺旋槳飛行器的速度。為了實(shí)現(xiàn)直升機(jī)和固定翼飛行器兩者的全部 優(yōu)點(diǎn)和能力，單個(gè)機(jī)器需要一種已知為Stop Rotor Aircraft的飛行器。
[0011] Stop Rotor Aircraft能夠利用直升機(jī)特有的高效垂直飛行以及固定翼飛行 器的高速、高海拔和長(zhǎng)航程的能力。Stop Rotor Aircraft能夠獲得如自轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī) (autogiros)、直升機(jī)、組合式直升機(jī)、旋翼式螺旋槳飛機(jī)（gyrodyne)和轉(zhuǎn)向旋翼機(jī)不能具 有的速度和海拔。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)包括兩種類型的停止式旋翼飛行器（Stop Rotor Aircraft)方案，即，旋 翼的旋轉(zhuǎn)軸線大致被安裝成與機(jī)身的縱向軸線成90度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器，以及旋翼的旋轉(zhuǎn) 軸線與機(jī)身的縱向軸線平行的尾坐式垂直起落飛行器（tail sitter)或者頭坐式垂直起落 飛行器（nose sitter)。在該情況下，傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)的機(jī)器是具有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)身的機(jī)器，該 機(jī)身使得機(jī)器能夠使用輪子、滑道、浮板或滑行裝置在其縱向軸線與地面大致平行的情況 下起飛和降落。
[0013] 坐地式垂直起落飛行器或頭坐式垂直起落飛行器（tail or sitter)是以如下方 式設(shè)計(jì)的機(jī)器，當(dāng)在其旋轉(zhuǎn)翼飛行模式中運(yùn)行時(shí)，它們?cè)谄痫w和降落期間需要它們的機(jī)身 位于垂直方向中。
[0014] 還存在提出的其它設(shè)計(jì)概念，例如可縮回、可展開(kāi)和收縮的旋翼，但是，它們沒(méi)有 成功飛行過(guò)。
[0015] 兩種類型和三種方法
[0016] 可以使用三種分離方法將停止式旋翼飛行器（Stop Rotor Aircraft)現(xiàn)有技術(shù)劃 分成兩種不同類型的構(gòu)造，用于實(shí)現(xiàn)飛行模式之間的轉(zhuǎn)換。兩種構(gòu)造包括：第一，傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 的機(jī)器，其中旋翼的旋轉(zhuǎn)軸線安裝成與機(jī)身的縱向軸線呈大致90度，以及第二，非傳統(tǒng)設(shè) 計(jì)的已知為坐地式垂直起落飛行器或頭坐式垂直起落飛行器（Tail or Nose Sitters)，其 具有與機(jī)身縱向軸線對(duì)齊的旋翼旋轉(zhuǎn)軸線。通常，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器被構(gòu)建為使用平行于旋 翼盤(pán)作用的氣流執(zhí)行徑向氣流的轉(zhuǎn)換，并且坐地式垂直起落飛行器或頭坐式垂直起落飛行 器設(shè)計(jì)的機(jī)器被構(gòu)建為使用平行于旋翼系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線作用的氣流執(zhí)行軸向氣流的轉(zhuǎn)換。
[0017] 通過(guò)被構(gòu)建為在氣流平行于旋翼盤(pán)作用的情況下執(zhí)行徑向氣流轉(zhuǎn)換的機(jī)器而提 出第一種轉(zhuǎn)換方法。該機(jī)器是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器，其中旋翼旋轉(zhuǎn)軸線安裝成與機(jī)身縱向軸線 呈大致90度。該方案將加速飛行器進(jìn)行機(jī)翼推動(dòng)飛行，其中在該機(jī)翼推動(dòng)飛行中，非旋轉(zhuǎn) 的機(jī)翼支撐飛行器，以允許旋翼減速然后停止并且鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?，然后其使得飛行作 為固定翼飛行器繼續(xù)。然后，利用相反的步驟使得轉(zhuǎn)換回旋轉(zhuǎn)翼飛行。然后，旋翼被再次啟 動(dòng)用于垂直降落。這些飛行器旨在能夠在其轉(zhuǎn)換的飛行軌跡中運(yùn)行延長(zhǎng)的時(shí)間段。
[0018] 這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的飛行器從早期的組合式旋翼飛行器概念機(jī)發(fā)展而來(lái)，該組合式 旋翼飛行器概念機(jī)能夠使用減速的旋翼運(yùn)行，示例是1950年代的Fairy Rotodyne，the CarterCopter,和the DARPA Heli-Plane概念機(jī)。最近的生產(chǎn)停止式旋翼飛行器的嘗試 是 Sikorsky S_72Rotor Systems Research Aircraft (RSRA), the X-Wing 和 the Boeing X50A Canard Rotor Wing(CRW)0
[0019] 試圖停止或啟動(dòng)具有徑向氣流的旋翼系統(tǒng)的所有直升機(jī)和設(shè)計(jì)所碰到的主要問(wèn) 題是不對(duì)稱的升力。這可適用于具有平行于旋翼盤(pán)運(yùn)行的相對(duì)氣流的任何旋翼系統(tǒng)。隨著 旋翼減速，每一側(cè)之間的不平衡開(kāi)始增加；最終氣流在后行槳葉的全跨度上逆轉(zhuǎn)。氣流的每 圈一次的旋轉(zhuǎn)方向變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了顯著的不穩(wěn)定性，該顯著的不穩(wěn)定性阻止該 概念機(jī)成功工作。
[0020] 通過(guò)被構(gòu)建為在氣流平行于旋翼系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸線作用的情況下執(zhí)行軸向氣流轉(zhuǎn) 換的機(jī)器，提出第二種轉(zhuǎn)換方法。其是已知為坐地式垂直起落飛行器或頭坐式垂直起落飛 行器的非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用與機(jī)身縱向軸線對(duì)齊的旋翼旋轉(zhuǎn)軸線創(chuàng)建這些設(shè)計(jì)。如名字所示 出的那樣，由于它們的構(gòu)造，，以在當(dāng)處于旋轉(zhuǎn)翼操作模式中時(shí)，坐地式垂直起落飛行器或 頭坐式垂直起落飛行器需要在縱向軸線大致豎直地指向天空或地面的方向的情況下起飛 和降落。雖然該構(gòu)造可以以固定翼模式執(zhí)行傳統(tǒng)的起飛和降落，但是其不能以旋轉(zhuǎn)翼操作 模式執(zhí)行橫滾式（rolling)起飛或降落。該飛行器能夠在其轉(zhuǎn)換的飛行軌跡中運(yùn)行達(dá)延長(zhǎng) 的時(shí)間段。
[0021] 使用該構(gòu)造已經(jīng)提出了多種旋翼飛行器設(shè)計(jì)方案，示例是二戰(zhàn)中德國(guó)的 Focke-Wulf TriebflUgel 和最近的 Thorpe SEEOP Spin Wing。概念機(jī)原型的證明 Thorpe SEEOP Spin Wing是僅有的停止式旋翼飛行器（Stop Rotor Aircraft)，該停止式旋翼飛行 器已經(jīng)成功地從旋轉(zhuǎn)翼飛行改變成固定翼飛行以及再次改變回去。該提出的飛行器利用大 型高效旋翼，但是由于旋翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于機(jī)身內(nèi)部，所以其限制了其機(jī)身空間的功能。
[0022] 在非常低或?yàn)榱愕目账傧?，在短暫的機(jī)會(huì)窗口期間通過(guò)機(jī)器執(zhí)行第三種轉(zhuǎn)換方 法。所述飛行器是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器，其中旋翼的旋轉(zhuǎn)軸線被安裝成與機(jī)身的縱向軸線呈90 度。其可以采用雙向旋翼槳葉或具有在轉(zhuǎn)換期間翻轉(zhuǎn)的一個(gè)槳葉的對(duì)稱機(jī)翼。但是，還沒(méi)有 任何傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器能夠在向前飛行時(shí)使旋翼停止并且然后重新使其啟動(dòng)用于垂直降落。 使用雙向旋翼系統(tǒng)的1937年的Herrick HV-2A Vertaplane可以在飛行中從固定翼模式變 化至旋翼機(jī)模式，但是反之不行。US Naval Research Laboratory(NRL)Flip Rotor概念機(jī) 是設(shè)計(jì)為使用傳統(tǒng)機(jī)翼的示例。1954-58的B6lkow/St0ckel P109 Stopped Rotor概念 機(jī)是使用短暫轉(zhuǎn)換窗口的另一方案。
[0023] 本發(fā)明試圖克服或大體改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷中的至少一些，或至少提供一種可替 代的方案。
[0024] 應(yīng)理解的是，如果本文引用了任何現(xiàn)有技術(shù)信息，那么所述引用并不構(gòu)成下述承 認(rèn)：該信息形成了在澳大利亞或任何其它國(guó)家中的現(xiàn)有技術(shù)的公知常識(shí)的一部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種飛行器，包括：
[0026] 具有縱向軸線的機(jī)身；
[0027] 至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼，該至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼可操作地安裝至機(jī)身，所述至 少一個(gè)直升機(jī)主旋翼包括能夠繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉，其中旋翼槳葉能夠在飛行中停 止并且能夠被改變以提供相對(duì)于縱向軸線對(duì)稱的翼面；以及
[0028] 所述飛行器具有至少一個(gè)控制面，該至少一個(gè)控制面能夠被操作以在飛行中提供 與所述至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼的旋轉(zhuǎn)軸線大致對(duì)齊的相對(duì)氣流。
[0029] 優(yōu)選地，所述至少一個(gè)控制面能夠控制所述飛行器在所述相對(duì)氣流保持與所述至 少一個(gè)直升機(jī)主旋翼的旋轉(zhuǎn)軸線大致對(duì)齊的情況下行進(jìn)。
[0030] 優(yōu)選地，所述至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼的旋轉(zhuǎn)軸線大致垂直于機(jī)身的縱向軸線。
[0031] 優(yōu)選地，所述飛行器包括重心，所述至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼包括與所述重心大致 對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)軸線。
[0032] 優(yōu)選地，還包括用于提供向前的推力的補(bǔ)充裝置。
[0033] 優(yōu)選地，其中，所述至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼能夠被改變以在飛行之前提供相對(duì)于 縱向軸線對(duì)稱的翼面。
[0034] 優(yōu)選地，其中，所述至少一個(gè)直升機(jī)主旋翼能夠被改變并且能夠在飛行中從停止 位置旋轉(zhuǎn)，以提供升力，該升力具有大致垂直于縱向軸線的成分。
[0035] 優(yōu)選地，還包括反扭矩裝置，該反扭矩裝置可操作地安裝至機(jī)身。
[0036] 優(yōu)選地，其中，旋翼槳葉能夠被構(gòu)造成相對(duì)于縱向軸線的非對(duì)稱構(gòu)造和對(duì)稱構(gòu)造。
[0037] 優(yōu)選地，還包括用于轉(zhuǎn)換所述旋翼槳葉中的至少一個(gè)以