一种飞机控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种集俯仰、侧翻、偏航为一体的、并能作为空气制动控制的飞机控制系统，主要用于固定翼、旋转翼、混合动力和扑翼机等有翼机型，也可用于直升机、四转子、气球、和飞艇等所有旋翼机和浮力驱动的飞机。

背景技术：

从莱特兄弟时代，就已开始利用可转动的控制面作为飞机的控制系统。最早的飞机上使用的升降舵和方向舵分别控制飞机的俯仰和偏航/侧翻。这些飞机的侧翻和转向都很慢。翘曲机翼是由莱特兄弟发明的，首次实现了独立的飞机三轴控制，并增加了侧翻速率，减少了转弯半径。后来，格伦·柯蒂斯发明了飞机副翼aileron来控制侧翻，与翘曲机翼相比，是一个有显著的简化和改良的伟大发明。

此后，又有人发明了升降稳定器（stabilator），它是把水平稳定器的稳定功能和升降舵的俯仰控制功能结合的一个控制系统。然后又发明了升降副翼（elevon），它结合了升降舵和副翼的功能，通常用于飞翼机和混合翼身设计中。该升降副翼利用对称偏转差异来实现独立的俯仰和滚转控制。类似的，垂直全动尾翼也被发明了，实现了垂直稳定器和方向舵的功能的结合。

一些固定翼垂直起降（VTOL）飞机被形容为X-翼机，其上有四个可移动的控制表面，本质上是两个相邻的V-机尾。这些机型可能有四个铰接在固定稳定器上、可分别转动的独立控制面，类似于原始固定翼机的传统方向舵和升降舵。

方向舵传统上不是作为一个有显著贡献的侧翻控制，因为传统上垂直尾翼比机翼短得多，过短的力矩臂导致无法进行有效的侧翻控制。对于较新的机身设计，包括低展弦比固定翼垂直起降飞机，侧翻惯量和抑制侧翻的气动阻力是非常低的，这样使得垂直尾翼表面作为主要侧翻控制成为可能，但这一技术从来没有实践过。

气动空中制动技术已有多种发明，分别利用了如下多种技术，包括：推力矢量法、功分器、扰流板、降落伞等。就笔者所知，从来没有任何空气制动系统是依赖于两个不同的独立成套的诱导旋转的控制表面，彼此相对偏转以显著增加空气阻力为目的的制动方法。

技术实现要素：

本实用新型提供了一个全新的飞机控制系统，即集合垂直稳定器、方向舵和副翼的功能组合成一个称为偏航侧翻稳定器（stabiruderon）的新部件，用以增加偏航稳定性以及提供独立偏航和侧翻控制。

本实用新型的技术方案是：一种飞机控制系统，其特征在于，在机尾设有两个沿飞机对称面对称设置、能够上下偏转的升降副翼，以及两个位于机尾处的飞机对称面上、从质量中心向上向下延伸的、能够转动的偏航侧翻稳定器。

所述的偏航侧翻稳定器的上、下部和升降副翼的左、右部均设有能够分别驱动该偏航侧翻稳定器的上、下部和升降副翼的左、右部向相同或不同的方向偏转的驱动装置，以产生相互补足的侧翻力矩或相反的侧翻力矩。

所述的偏航侧翻稳定器为对称翼型。

所述的侧翻稳定器的上、下两部分使用相同的翼型件。

所述的侧翻稳定器的上、下两部分距离飞机的质量中心等距或近似等距。

所述的偏航侧翻稳定器的上部和下部分别通过上下方向的转轴转动连接在机尾的上面和下面，该转轴分别通过一传动机构与设在机尾或机身内的电动机传动连接。

本实用新型的优点是：利用两个沿飞机对称面对称分布的升降副翼和两个位于飞机对称面上、靠近机尾、从质量中心向上向下同时延伸的、差异对称、可全方位转动的偏航侧翻稳定器的组合作用，集俯仰、侧翻、偏航为一体，并能具有空气制动控制的作用。

本实用新型的升降副翼和偏航侧翻稳定器（stabiruderon）的对称布置最大限度地减少旋转动作耦合，以保证飞机的控制简单流畅。把控制表面集中在推进器产生的滑流中心线附近，确保空气动力控制的永远有效性，即使在低速飞行和悬停时也万无一失。飞机的俯仰动作由升降副翼的对称偏转来控制，偏航由偏航侧翻稳定器（stabiruderon）的对称偏转来控制，侧翻由升降副翼和/或偏航侧翻稳定器（stabiruderon）的差动偏转来控制。空中气动制动的方法是一个平稳过程，当升降副翼和偏航侧翻稳定器（stabiruderon）以较宽数值范围的差动偏转，产生连续增加的阻力而对飞机进行制动。因为升降副翼和偏航侧翻稳定器（stabiruderon）同时产生相对抵消的转动力矩，在产生气动阻力的同时不会诱导净力矩的产生。一旦控制表面恢复失速前的偏转位置，其自身滑流可导致快速空气复位贴合，所以控制表面只需要短暂地偏转到失速角度，即可迅速控制飞机的速度和动作。该升降副翼和偏航侧翻稳定器（stabiruderon）的组合还能实现富于攻击性和新颖性的特技飞行动作。

偏航侧翻稳定器（stabiruderon）还可以与升降舵结合控制飞机的沿三轴线的全部旋转动作。通过结合偏航侧翻稳定器（stabiruderon）与副翼或升降副翼，一个全新的空气制动的概念得以实现，称为“反侧翻空气制动方法”。通过同时诱导偏航侧翻稳定器（stabiruderon）和副翼/升降副翼产生的差分偏转而产生的相反侧翻力矩，在不增加净侧翻力矩情况下产生大量气动阻力。这种崭新的气动空中制动系统对能够低速飞行垂直起降的低展弦比的固定翼机型特别有用。

附图说明

图1描述了垂直起降固定翼飞机的升降副翼和偏航侧翻稳定器；

图2展示了通过升降副翼对称偏转来控制飞机的俯仰角度；

图3描述了通过偏航侧翻稳定器的对称偏转来控制飞机的偏航角度；

图4展示了通过升降副翼的差分偏转来控制飞机的侧翻动作；

图5展示了通过偏航侧翻稳定器的差分偏转来控制飞机的侧翻角度；

图6展示了通过偏航侧翻稳定器和升降副翼的差分偏转来控制飞机的侧翻角度；

图7展示了通过偏航侧翻稳定器和升降副翼的差分偏转来进行空气制动；

图8展示了通过偏航侧翻稳定器的差分偏转造成深度失速式空气制动；

图9展示了通过偏航侧翻稳定器的深度失速获得的特技飞行。

具体实施方式

参见图1，本实用新型一种飞机控制系统的一个实施例，在机尾3设有两个沿飞机对称面对称设置、能够上下偏转的升降副翼1，以及两个位于机尾3处的飞机对称面上、从质量中心向上向下延伸的、能够转动的偏航侧翻稳定器2。

所述的偏航侧翻稳定器2的上、下部和升降副翼1的左、右部能够分别向相同或不同的方向偏转，以产生相互补足的侧翻力矩或相反的侧翻力矩。

所述的偏航侧翻稳定器2为对称翼型，其上、下两部分使用相同的翼型件。

所述的侧翻稳定器2的上、下两部分距离飞机的质量中心等距或近似等距（相差小于20%）。

所述的偏航侧翻稳定器2的上部和下部分别通过上下方向的转轴转动连接在机尾3的上面和下面，该转轴分别通过一传动机构与设在机尾3或机身内的电动机传动连接。

下面说明本实用新型的工作原理：

1、升降副翼1的偏转：

升降副翼1偏转有效地改变其翼型的攻角和受偏转影响而改变的中弧线形状，导致这些翼型的周围流场的压力分布变化。翼型表面的压力分布的集成产生一个差分空气动力，这些力有大小，应用点，以及在该翼面的平面翼型的方向之分。因为这些力在翼型的平面内（忽略粘性效应），没有横向分量，因此不能诱导偏航力矩。不过，这些力在纵向和垂直方向有分量，所以具有产生侧翻和俯仰力矩的潜力。简化来讲，每个翼型差分力可以在每个机翼半跨度上集成以获得等效的合力，这些力有大小，方向和在每个半翼上的应用点之分。

2、升降副翼1对称偏转：

如果等效合力在升降副翼1的每个半翼上相同，并且具有相同的应用点，则诱导侧翻的垂直投影力将是相同的，并从通过质量重心的对称线测量，横向的定向力矩臂将有相同的长度和相反的方向。其结果是在对称升降副翼偏转时发生的机翼每侧的侧翻力矩相互抵消，造成零净侧翻力矩，如附图2所示。在对称升降副翼偏转时，等效合力的应用点通常会从穿过飞机质量中心的主体固定横向轴线偏离，在飞机纵向上产生一个非零力矩臂和一个非零垂直投影空气动力，从而产生一个非零的气动俯仰力矩。因此，对称升降副翼偏转可以用于控制飞机的俯仰动作。

3、升降副翼1差动偏转：

在升降副翼1差动偏转的情况下（附图4），升降副翼1的两侧（两部分）的偏转幅度是相同的，但方向相反，升降副翼1表面的压力分布使得任一侧的诱导俯仰力矩大部分取消，产生近似为零的俯仰力矩。垂直投射力将会在升降副翼1一侧增加而在另一侧减少，造成侧翻力矩不再取消，实现使用差分升降副翼偏转来控制侧翻动作。

4、偏航侧翻稳定器2的偏转：

偏航侧翻稳定器2的偏转能有效地改变其自身攻角，增加或减少作用于自身的空气动力的大小和方向。所产生的气动力将主要作用在纵向和横向方向，几乎没有垂直分量。因为偏航侧翻稳定器2产生的等效合成气动力能够在其自身和飞机的质量中心之间产生在垂直方向和纵向方向上的力矩臂，所以能产生偏航、侧翻和俯仰的力矩。

偏航侧翻稳定器2的中等对称偏转（附图3）将主要在横向方向产生近似相等的空气动力。纵向方向的力距臂较长，形成强大的偏航力矩，确保有效偏航控制。由于偏航侧翻稳定器2在飞机质量中心上下两侧的近似对称分布，和其类似的大小、形状、和偏转角，该控制系统设计对造成偏航-侧翻耦合的可能几乎不存在。俯仰-偏航耦合也可以忽略不计，因为作为上下偏航侧翻稳定器2产生的时间平均的诱导阻力将大致相等。

图5中的偏航侧翻稳定器的差分偏转，产生以机身中心线为轴的扭转力矩，控制飞机的侧翻角度。

深度偏航侧翻稳定器2偏转将导致其自身深度失速，产生一个较大的纵向时间平均空气动力。当两个偏航侧翻稳定器2同时失速，将造成一个快速空气制动功能，同时有效偏航控制和稳定性（附图8）将暂时丧失。当一个偏航侧翻稳定器2深度失速时（附图9），将引起一个非零俯仰力矩，其可以被对称升降副翼偏转增强或减弱，以造成一个快速的俯仰力矩，或快速空中气动制动。在这种情况下，偏航稳定性和控制将不会丢失，只会被减弱。

5、升降副翼和偏航侧翻稳定器2的差分偏转：

升降副翼1和偏航侧翻稳定器2的同时差动偏转，将产生相互增强（图6）或相互制约（图7）的侧翻力矩。在相互增强的情况下，能非常快速地部署动作，提高了飞机的机动性，使之对飞行员更“好玩”。在相互制约的情况下，能实现流畅并且连续的空中气动制动。快速飞行的固定翼垂直起降飞机从传统的固定机翼水平飞行模式，到一个近乎垂直盘旋面向飞行模式的过渡期间，有一个 “快速攀登”的问题。这个问题是由于一个贴合机翼前缘的漩涡造成的，这个前缘漩涡能够延迟机翼失速并增加最大机翼升力。本实用新型的空中气动制动技术，已经证明能够缓解现存的“快速攀登”的问题。