飞行器和用于操作飞行器的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种飞行器和用于操作飞行器的方法。
【背景技术】
[0002] 只要是飞行自身，就一直存在对如下的机器的需求：该飞行可以在具有直升机的 安全和效率的情况下垂直起飞、转换至机翼推动（Wing borne)的高速飞行并且然后恢复至 用于垂直降落的旋转翼飞行（rotary wing flight)。
[0003] 直升机是能够从未准备的场地高效地垂直飞行的多用途飞行器，但是其向前速度 受限。
[0004] 飞机可以携带大型的尚效载荷，能够进彳丁尚速、尚效、远航程并且尚尚度的飞行， 但是受限于需在大面积的陆地的准备好的表面和设施中操作。
[0005] 自1900年代的早期第一架飞行器起飞以来，将所述两种类型的飞行组合的尝试 已经引起了许多发明家的许多尝试。在1950年代与1960年代期间，在该研宄领域做出了 许多进展，关于垂直起飞和降落（VTOL)轮的关键的进展总结在网站www. vtol. orR上。
[0006] 在已经创造并且测试的所有机器中，仅少量的VTOL类型的机器进行了生产。其 为如Harrier的军方喷气式VTOL飞机以及如V22鱼鹰式的转向旋翼飞行器（Tilt Rotor Aircraft)，但是，还没有一架真正的直升机与飞机的组合。麦克唐纳道格拉斯直升机（现 在属于波音）的鸭式旋翼（CRW，canard rotor wing)飞行器是试图解决该问题的最近的示 例。
[0007] 在将旋翼飞行器（旋转翼飞行器）从旋转翼飞行转换为具有旋翼停止以用作固定 翼的固定翼飞行（fixed wing flight)的所有尝试中，主要的问题是会由飞行器的向前运 动在旋翼桨叶上产生不对称的升力。随着旋翼被降速至停止，该升力的不对称导致不稳定。
[0008] 许多不同的设计构造已经尝试推进旋翼飞行器的性能超过由传统的旋翼界定的 极限。随着任何旋转翼飞行器开始向前运动，在前行桨叶（advancing blade)与后行桨叶 (retreating blade)之间的气流的不对称差异导致升力不平衡，该升力不平衡导致了不稳 定性。对于传统的直升机，该不对称性也限制了其最大速度。
[0009] 具有位于机身的顶部上的一个旋翼或多个旋翼的传统设计的旋翼飞行器，在用于 升力增补的机翼和/或由与旋翼分离的推进装置产生向前的推力的能力、推力增补的帮助 下，已经在过去提高了纯直升机的速度限制。这些构造已知为组合式直升机，并且使得旋翼 能够根据需要解除，以产生升力和推力，因此，使得这些旋翼能够随着空速（airspeed)增 加而卸载。卸载旋翼具有两个主要的优点：其允许旋翼的每分钟转速（RPM)更低并且允许 旋翼桨叶上的迎角（angle of attack)降低。这些改变的结果意味着推迟在前行旋翼桨叶 (advancing rotor blade)上产生接近音速的气流并且在后行桨叶碰到桨叶失速（blade) 之前增加时间间隙，二者都意味着飞行器可以在这些问题再次变成限制音速之前更快地飞 行。与可比较的固定翼飞行器相比，这些构造的设计复杂性、较高的总拉力以及动力消耗高 得多，其超过了这些构造的优点。这些飞行器一直没有超过原型机阶段。
[0010] 转向旋翼机（tilt rotor)是将直升机和飞机的能力中的一些组合在一台机器中 的独特的机器。由于其较高的旋翼载荷，所以其在垂直飞行角色中没有直升机高效，并且在 向前飞行时受限于涡轮螺旋桨飞行器的速度。为了实现直升机和固定翼飞行器两者的全部 优点和能力，单个机器需要一种已知为Stop Rotor Aircraft的飞行器。
[0011] Stop Rotor Aircraft能够利用直升机特有的高效垂直飞行以及固定翼飞行 器的高速、高海拔和长航程的能力。Stop Rotor Aircraft能够获得如自转旋翼飞机 (autogiros)、直升机、组合式直升机、旋翼式螺旋桨飞机（gyrodyne)和转向旋翼机不能具 有的速度和海拔。
[0012] 现有技术包括两种类型的停止式旋翼飞行器（Stop Rotor Aircraft)方案，即，旋 翼的旋转轴线大致被安装成与机身的纵向轴线成90度的传统设计机器，以及旋翼的旋转 轴线与机身的纵向轴线平行的尾坐式垂直起落飞行器（tail sitter)或者头坐式垂直起落 飞行器（nose sitter)。在该情况下，传统上设计的机器是具有传统设计的机身的机器，该 机身使得机器能够使用轮子、滑道、浮板或滑行装置在其纵向轴线与地面大致平行的情况 下起飞和降落。
[0013] 坐地式垂直起落飞行器或头坐式垂直起落飞行器（tail or sitter)是以如下方 式设计的机器，当在其旋转翼飞行模式中运行时，它们在起飞和降落期间需要它们的机身 位于垂直方向中。
[0014] 还存在提出的其它设计概念，例如可缩回、可展开和收缩的旋翼，但是，它们没有 成功飞行过。
[0015] 两种类型和三种方法
[0016] 可以使用三种分离方法将停止式旋翼飞行器（Stop Rotor Aircraft)现有技术划 分成两种不同类型的构造，用于实现飞行模式之间的转换。两种构造包括：第一，传统设计 的机器，其中旋翼的旋转轴线安装成与机身的纵向轴线呈大致90度，以及第二，非传统设 计的已知为坐地式垂直起落飞行器或头坐式垂直起落飞行器（Tail or Nose Sitters)，其 具有与机身纵向轴线对齐的旋翼旋转轴线。通常，传统设计的机器被构建为使用平行于旋 翼盘作用的气流执行径向气流的转换，并且坐地式垂直起落飞行器或头坐式垂直起落飞行 器设计的机器被构建为使用平行于旋翼系统的旋转轴线作用的气流执行轴向气流的转换。
[0017] 通过被构建为在气流平行于旋翼盘作用的情况下执行径向气流转换的机器而提 出第一种转换方法。该机器是传统设计的机器，其中旋翼旋转轴线安装成与机身纵向轴线 呈大致90度。该方案将加速飞行器进行机翼推动飞行，其中在该机翼推动飞行中，非旋转 的机翼支撑飞行器，以允许旋翼减速然后停止并且锁定在适当的位置，然后其使得飞行作 为固定翼飞行器继续。然后，利用相反的步骤使得转换回旋转翼飞行。然后，旋翼被再次启 动用于垂直降落。这些飞行器旨在能够在其转换的飞行轨迹中运行延长的时间段。
[0018] 这些传统设计的飞行器从早期的组合式旋翼飞行器概念机发展而来，该组合式 旋翼飞行器概念机能够使用减速的旋翼运行，示例是1950年代的Fairy Rotodyne，the CarterCopter,和the DARPA Heli-Plane概念机。最近的生产停止式旋翼飞行器的尝试 是 Sikorsky S_72Rotor Systems Research Aircraft (RSRA), the X-Wing 和 the Boeing X50A Canard Rotor Wing(CRW)0
[0019] 试图停止或启动具有径向气流的旋翼系统的所有直升机和设计所碰到的主要问 题是不对称的升力。这可适用于具有平行于旋翼盘运行的相对气流的任何旋翼系统。随着 旋翼减速，每一侧之间的不平衡开始增加；最终气流在后行桨叶的全跨度上逆转。气流的每 圈一次的旋转方向变化产生的不稳定性导致了显著的不稳定性，该显著的不稳定性阻止该 概念机成功工作。
[0020] 通过被构建为在气流平行于旋翼系统的旋转轴线作用的情况下执行轴向气流转 换的机器，提出第二种转换方法。其是已知为坐地式垂直起落飞行器或头坐式垂直起落飞 行器的非传统设计。使用与机身纵向轴线对齐的旋翼旋转轴线创建这些设计。如名字所示 出的那样，由于它们的构造，，以在当处于旋转翼操作模式中时，坐地式垂直起落飞行器或 头坐式垂直起落飞行器需要在纵向轴线大致竖直地指向天空或地面的方向的情况下起飞 和降落。虽然该构造可以以固定翼模式执行传统的起飞和降落，但是其不能以旋转翼操作 模式执行横滚式（rolling)起飞或降落。该飞行器能够在其转换的飞行轨迹中运行达延长 的时间段。
[0021] 使用该构造已经提出了多种旋翼飞行器设计方案，示例是二战中德国的 Focke-Wulf TriebflUgel 和最近的 Thorpe SEEOP Spin Wing。概念机原型的证明 Thorpe SEEOP Spin Wing是仅有的停止式旋翼飞行器（Stop Rotor Aircraft)，该停止式旋翼飞行 器已经成功地从旋转翼飞行改变成固定翼飞行以及再次改变回去。该提出的飞行器利用大 型高效旋翼，但是由于旋翼驱动系统位于机身内部，所以其限制了其机身空间的功能。
[0022] 在非常低或为零的空速下，在短暂的机会窗口期间通过机器执行第三种转换方 法。所述飞行器是传统设计的机器，其中旋翼的旋转轴线被安装成与机身的纵向轴线呈90 度。其可以采用双向旋翼桨叶或具有在转换期间翻转的一个桨叶的对称机翼。但是，还没有 任何传统设计的机器能够在向前飞行时使旋翼停止并且然后重新使其启动用于垂直降落。 使用双向旋翼系统的1937年的Herrick HV-2A Vertaplane可以在飞行中从固定翼模式变 化至旋翼机模式，但是反之不行。US Naval Research Laboratory(NRL)Flip Rotor概念机 是设计为使用传统机翼的示例。1954-58的B6lkow/St0ckel P109 Stopped Rotor概念 机是使用短暂转换窗口的另一方案。
[0023] 本发明试图克服或大体改进现有技术的缺陷中的至少一些，或至少提供一种可替 代的方案。
[0024] 应理解的是，如果本文引用了任何现有技术信息，那么所述引用并不构成下述承 认：该信息形成了在澳大利亚或任何其它国家中的现有技术的公知常识的一部分。
【发明内容】
[0025] 根据第一方面，本发明提供一种飞行器，包括：
[0026] 具有纵向轴线的机身；
[0027] 至少一个直升机主旋翼，该至少一个直升机主旋翼可操作地安装至机身，所述至 少一个直升机主旋翼包括能够绕旋转轴线旋转的旋翼桨叶，其中旋翼桨叶能够在飞行中停 止并且能够被改变以提供相对于纵向轴线对称的翼面；以及
[0028] 所述飞行器具有至少一个控制面，该至少一个控制面能够被操作以在飞行中提供 与所述至少一个直升机主旋翼的旋转轴线大致对齐的相对气流。
[0029] 优选地，所述至少一个控制面能够控制所述飞行器在所述相对气流保持与所述至 少一个直升机主旋翼的旋转轴线大致对齐的情况下行进。
[0030] 优选地，所述至少一个直升机主旋翼的旋转轴线大致垂直于机身的纵向轴线。
[0031] 优选地，所述飞行器包括重心，所述至少一个直升机主旋翼包括与所述重心大致 对齐的旋转轴线。
[0032] 优选地，还包括用于提供向前的推力的补充装置。
[0033] 优选地，其中，所述至少一个直升机主旋翼能够被改变以在飞行之前提供相对于 纵向轴线对称的翼面。
[0034] 优选地，其中，所述至少一个直升机主旋翼能够被改变并且能够在飞行中从停止 位置旋转，以提供升力，该升力具有大致垂直于纵向轴线的成分。
[0035] 优选地，还包括反扭矩装置，该反扭矩装置可操作地安装至机身。
[0036] 优选地，其中，旋翼桨叶能够被构造成相对于纵向轴线的非对称构造和对称构造。
[0037] 优选地，还包括用于转换所述旋翼桨叶中的至少一个以