本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器及工作方法。
背景技术：
无人机已成为近年来业界最火的名词之一，在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域，无人机已获得广泛应用，而在警力、城市管理、农业、地质、气象、电力、快递、测绘、植保、喷洒农药、测绘、巡线等行业领域，无人机正在发挥越来越大的作用。预计未来无人机市场的消费总额将会成倍增加，商用无人机消费市场的增长潜力更大，适用于本发明垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器的应用。
随着航空事业的飞速发展，人们对于飞行器的研究和探索越来越多元化、广泛化和科学化。
在传统的固定翼飞机和直升机领域，固定翼飞机速度快，航程远，航时长，但是大部分固定翼飞机起降受场地限制比较多，不能垂直起降和空中悬停；直升机起飞虽不受场地限制，能够悬停，但是我们知道，随着海拔升高，大气层空气密度会越来越小，低空高密度空气能够为旋翼飞行器飞行提供满意的条件(单位空间的空气质量高，同样的旋翼转速会对空气做更大的功，旋翼受到的反作用力也越大，即升力更大)，但在高空情况下，空气密度降低，即便旋翼转速高(由于材料强度限制，气动中所谓的激波影响，旋翼的转速也有限制)，也难获得更大的升力，飞行器就难以上升了，而且由于存在两个旋翼系统，直升机的气动外形不能像固定翼飞机一样设计得比较流畅，直升机的飞行阻力比固定翼飞机要大，因此气动性能不佳导致飞行速度较低。
相比于传统飞行器，碟形飞行器的发展越来越受到人们的重视。冷战期间，美军研制的一款垂直起降碟形飞行器(VZ-9Avrocar)，该飞行器直径约5.5米，高度约1米，机身大部分由铝材料制成，空重1.36吨。该飞行器中心为一大尺寸风扇，为飞行器提供升力和推力。飞行员通过操纵杆调整机身外部出气圆环孔位置改变出口气流方向从而达到对飞行器飞行姿态的控制。在气动布局上，由于该飞行器整个机体所受的压力中心与重心难以达到平衡，在整机悬空时具有内在的不稳定性，设计人员不得不增添一个独立于控制系统之外的稳定系统，从而增加了整体结构的复杂性。
另据英国《飞行国际》网站2008年8月27日报道，Fenstar 50无人机中心顶部位置有一升力风扇，且风扇下游曲面机身四周安装有一定数量的凸起翼梢，它是首个利用科恩达效应飞起来的飞行器，柯恩达效应指的是在物体表面曲率不是太大的情况下，利用摩擦让周边流体减速，从而造成流体依附表面进行流动。该飞行器碳纤维结构由lola group公司提供，其使用的两冲程内燃发动机所消耗的燃料为石油和汽油的混合物，最大起飞重量18.5kg，有效载荷5kg，能携带4L的燃油，依据其有效载荷的情况，其续航时间仅达到1小时。
再如飞行器M200Neuera利用8个电控风扇让其与地面之间保持3米左右的距离，并且无论是草地还是海面，M200Neuera飞行器都能够成功悬浮。而在贴地行驶速度与普通汽车无异，最快时速能达到160km/h，在海面上速度能够达到321km/h，而在7000米高空，最快速度能够达到643km/h，是目前最有希望量产的垂直起落飞行器。
针对这些天马行空、外形迥异的飞行器进行分析后发现，升力风扇是这些飞行器的升力和飞行动力的源头，然而它们都存在着飞行不稳定的先天缺陷。因此，对于飞行姿态控制，使飞行器保持稳定飞行是亟待解决的问题。
飞盘，20世纪50年代在美国率先流行，随后80年代也在国内流行开来。飞盘飞得远是由于飞盘的截面大致和飞机机翼的截面相同，所以在飞行时受一个相当可观的向上的空气动力，这个力方向向上拖着飞盘抵消了大部分重力，使它能飞行较长的时间。在正确的稳定姿态飞行时，飞盘的尾部有较小的湍流区，如果翻倒过来飞行，湍流区会增大，飞行的阻力也就随之增大，飞盘就飞不远了。
为了使飞盘飞行时始终保持正确的稳定飞行姿态，就要注意投掷时要让它旋转起来。高速旋转的飞盘具有像陀螺一样的效应，在遇到外力时，它的轴向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点运动，由于高速旋转的物体有保持旋转轴不变的特性，旋转起来的飞盘飞行时始终有一个向上的空气动力拖着，这样就能够保证飞盘在高速旋转时具有很好的稳定飞行姿态。而没有旋转的飞盘，在飞行时会翻跟头，达不到稳定飞行的目的，就不能保证阻力最小和升力最大的飞行姿态。
本发明提出的喷气自旋转碟盘式飞行器参照游戏中飞盘旋转维持稳定平飞的特性，利用升力风扇提供碟盘飞行器升力和前进驱动力，实现平稳飞行。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器及工作方法，针对大部分固定翼飞机不能垂直起降和空中悬停、直升机飞行速度受限以及部分碟形飞行器飞行不稳定的问题，设计一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器，该飞行器采用翼身融合的气动布局，不仅具有良好的气动性能，而且其起降过程不用考虑场地空间限制因素，能够自由起降、悬停、爬升，在高速自旋飞行状态下，具有良好的稳定性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器，包括碟盘式机身和静子机体；
所述碟盘式机身为由旋盘机体及其内部中心设置的升力风扇组成的一体式结构，其中，所述旋盘机体呈中空且顶部和底部中心均开口的碟盘式球顶盖形结构；所述旋盘机体内部沿周向均匀分布若干台喷气发动机，对应的在顶盖上沿周向均匀分布设置若干喷气发动机进气口，及在底部上沿周向均匀分布设置若干喷气发动机出气口；
所述静子机体为由位于中心位置的回转体式货舱及环绕其外侧的上部的静子叶片排和下部的姿态控制环组成的一体式结构，其中，所述静子叶片排沿周向均匀排布；
所述升力风扇由沿其中心内环的升力风扇轮毂周向均匀设置的若干风扇叶片组成；所述回转体式货舱的顶部位于所述升力风扇轮毂形成的回转中心位置。
进一步的，所述姿态控制环为一圆盘结构，其上沿周向均匀对称开设若干矢量喷口，所述矢量喷口中均匀排布有导流片。
进一步的，所述喷口分为推进喷口和控制喷口，其中，所述推进喷口中的导流片左右摆动，所述控制喷口中的导流片沿顺时针方向偏转角度。
进一步的，所述喷口的数量为4～16个，轮廓形状为矩形或扇形。喷口分布尽可能使得静子叶片排整流后的气流沿着周向均匀地排出姿态控制环。
进一步的，所述旋盘机体内部沿周向均匀分布安装有3～20台喷气式发动机，沿顺时针方向倾斜40～70°角度，喷气式发动机排气流斜向下高速喷出，既提供飞行器的部分升力，又提供飞行器高速旋转的驱动力。
进一步的，位于所述静子叶片排的内环的静子叶片排轮毂为所述回转体式货舱的外壳，所述回转体式货舱与静子叶片排固接成一体；
位于所述静子叶片排的外环的静子叶片排外机匣为连接所述碟盘式机体和静子机体的环形轴承机构，该环形轴承机构为接触式轴承或非接触式轴承。
一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器的工作方法，包括以下步骤：
1)外部空气由开设在旋盘机体上的进气口进入喷气式发动机，再由排气口高速排出，从而产生托举飞行器的升力以及使其自身高速旋转的旋转力矩；；
2)升力风扇随旋盘机体沿着飞行器中心轴线高速旋转，吸入机身上方空气并对其做功加压，加压后的气流经下游的静子叶片排整流后通过由矢量喷口和导流片组成的姿态控制环排出；
3)飞行器受到加压气流运动产生的驱动力作用水平飞行，静子机体相对于地面保持不转动或者低转速转动；
4)通过调节姿态控制环，控制飞行器的飞行姿态和飞行方向。
进一步的，步骤4)中，所述飞行器的飞行姿态的控制方式为：
所述矢量喷口的控制喷口中的导流片在相同偏转角度下时，改变其中任何一个的偏转角度，则流过该控制喷口的气体流量相应发生变化，导致该控制喷口气流产生的垂直于该平面的法向推力也随之变化，整个飞行器会由于姿态控制环所在平面的法向推力分布不均而达到控制飞行器俯仰姿态的目的。
进一步的，步骤4)中，所述飞行器的飞行方向的控制方式为：
所述矢量喷口的推进喷口中的导流片向一个方向偏转时，所述推进喷口喷出的气流产生一个反向的反推力，推进飞行器前进。
进一步的，步骤4)中，所述飞行器的飞行方向的控制方式为：
调节控制喷口中的导流片的偏转角度，改变静子机体相对于碟盘式机体的偏转位置，使得推进喷口中的导流片偏转产生的反推力方向在所需要的飞行方向上。
有益效果：本发明提供的一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器，与现有技术相比较，本发明利用飞行器自身高速旋转展现出的陀螺效应，可使飞行器具有良好的稳定性；升力风扇在整机运作过程中能够调整飞行器飞行姿态达到起飞、爬升、悬停的效果；对于静子叶片排，一方面其轮毂形成的回转空间为飞行器提供了较大的有效载荷空间，另一方面作为整流作用为下游姿态控制环控制飞行器飞行姿态发挥了重要作用；由于碟盘式飞行器采用翼身融合的气动布局，避免了机身与机翼干扰所造成的附加阻力，使得该飞行器整体具有良好的气动性能。
附图说明
图1为本发明的三维俯视图；
图2为本发明的三维仰视图；
图3为本发明的三维拆解图；
图4为本发明的内部发动机布局图；
图5为图1的俯视图中喷口13的分类示意图。
其中：1-碟盘式机体；2-静子机体；3-旋盘机体；4-升力风扇；5-喷气发动机；6-喷气发动机进气口；7-喷气发动机出气口；8-升力风扇轮毂；9-回转体式货仓；10-静子叶片排；11-静子叶片排轮毂；12-静子叶片排外机匣；13-喷口；14-导流片；15-姿态控制环；16-推进喷口；17-控制喷口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明为一种可垂直起降的喷气自旋转碟盘式飞行器，该飞行器由碟盘式机身1和可用于承载货物的静子机体2两大部分组成。其主要结构包括：旋盘机体3，升力风扇4，喷气发动机5，喷气发动机进气口6，喷气发动机出气口7，升力风扇轮毂8，回转体式货舱9，静子叶片排10，静子叶片排轮毂11，静子叶片排外机匣12，矢量喷口13，导流片14等组成。
碟盘式机身1由旋盘机体3和升力风扇4构成，且为一体式结构；旋盘机体3内部沿周向均匀分布的多台喷气发动机5安装在旋盘机体内部承力支架上，外部空气由开设在旋盘机体3上的进气口6经内部连接管道进入喷气式发动机5，再由排气口7高速排出，从而产生托举飞行器的升力以及使其自身高速旋转的旋转力矩；升力风扇4随旋盘机体3高速旋转，吸入机身上方空气并对其做功加压，加压后的气流经下游静子叶片排10整流后通过矢量喷口13和导流片14组成的姿态控制环15由飞行器机身下方排出，一方面可以确保静子机体相对于地面保持不转或者极低转速转动，另一方面可以产生提供飞行器向前平飞的驱动力和控制飞行姿态的力矩；其中静子叶片排轮毂11形成的回转空间构成了回转式货舱9。
该飞行器由碟盘式机体1和可用于承载货物的静子机体2两大部分结构组成。
在图1与图3中可见，碟盘式机体1由旋盘机体3和升力风扇4两部分构成，碟盘式机体中心的升力风扇与旋盘机体为一体。旋盘机体内部沿周向均匀分布安装有3～20台喷气式发动机5，喷气发动机5沿顺时针方向(逆时针)(由飞行器自上而下看)按照一定的倾斜角度(喷气发动机中心轴线与飞行器中心轴线的夹角)安装在旋盘机体内部的承力支架上。碟盘式机体1为每一台喷气发动机开有进气口6、排气口7以及内部连接管道。外部空气经内部连接管道由进气口6进入喷气发动机5最后经排气口7高速排出，由于出口喷出的高速气流方向与飞行器中心轴线成一定角度，所以高速喷出的气流不仅可以产生托举飞行器的升力，而且可以使飞行器产生顺时针(逆时针)的旋转力矩，驱动碟盘式机身以及位于中心的升力风扇沿着飞行器中心轴线高速旋转，高速自旋的飞行器犹如公园的塑料飞盘玩具一样，旋转的机体会展现出陀螺效应，使得飞行器具有良好的稳定性；同时，高速旋转的升力风扇4会吸入机身上方大量空气并对其做功加压，加压气流会进入升力风扇下游的静子机体2，并由静子叶片排10整流后流入下游的姿态控制环15。
在图2与图3中，可用于承载货物的静子机体2由位于飞行器中心位置的回转体式货舱9、环绕货舱一周的静子叶片排10以及姿态控制环15三大部分结构组成。其中静子叶片排轮毂11为回转体式货舱9的外壳，回转体式货舱9顶部位于升力风扇轮毂8形成的回转中心位置，回转体式货舱9与静子叶片排10固接成一体，静子叶片排外机匣12为连接碟盘式机体1和静子机体2的环形轴承机构，该环形轴承机构可以是接触式轴承(如滚动轴承)，也可以是非接触式轴承(如磁浮轴承、气浮轴承)。处于静子机体2末端的姿态控制环15由喷口13和导流片14组成，与静子机体固接，属于静子机体的一部分，其主要功能是用于控制飞行器飞行姿态和飞行方向的。姿态控制环15在圆周方向均布4～16个喷口，喷口13的轮廓形状为矩形，也可以为扇形，所有喷口都安装有可调节气流偏转方向的导流片14。喷口13按照功能不同划分为两类，一类是用于改变飞行器姿态的控制喷口17，一类是用于产生飞行器前进力的推进喷口16。下面以静子机体2为参考坐标系，在图4中详细说明两类喷口作用的具体实施方式：
首先是飞行器姿态控制方式，当飞行器按图4中顺时针方向高速旋转时，由于连接碟盘式机体1和静子机体2的环形轴承机构存在摩擦力作用，使得静子机体2也会随碟盘式机体高速自旋，通过调节控制喷口17中导流片的偏转角度(顺时针)，就会产生作用于静子机体2上逆时针方向的扭矩，该扭矩可以用来抵消飞行器自旋时环形轴承机构因为摩擦力作用在静子机体2上顺指针方向的扭矩，从而可以确保静子机体2相对于地面保持不转或者极低转速转动；对于飞行器俯仰姿态的控制方式，由于本飞行器结构是对称的，如图5，姿态控制环所在平面对称分布若干控制喷口17，控制喷口17的导流片在相同偏转角度下时，改变其中任何一个控制喷口的导流片偏转角度，则流过该喷口的气体流量就会发生变化，导致该喷口气流产生的垂直于该平面的法向推力也会随之变化，整个飞行器会由于姿态控制环所在平面的法向推力分布不均而达到控制飞行器俯仰姿态的目的。
其次是飞行器飞行方向的控制方式，首先定义飞行器前、进方向为图4中的右、左方向，由于推进喷口16的导流片只能左右摆动，当所有推进喷口16的导流片都向左偏转时，推进喷口16喷出的气流会产生一个向右的反推力，以此来推进飞行器前进。如需改变飞行器沿其他方向飞行时，只需调节控制喷口17的导流片的偏转角度来改变作用于静子机体2的扭矩，从而改变静子机体2相对于碟盘式机体1的偏转位置，使得推进喷口16的导流片偏转产生的反推力方向在所需要的飞行方向上。
由于本飞行器在飞行时是以静子机体2为参考坐标系来定义飞行航向的，从以上内容可以看出静子机体的偏转位置决定了整个飞行器的飞行航向，具有十分重要的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。