一种垂直起降飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞行器，尤其涉及一种带有姿态控制装置的垂直起降飞行器。
【背景技术】
[0002]目前常见的垂直起降飞行器有直升机、倾转旋翼飞机及垂直起降的喷气式飞机，垂直起降飞行器在实现垂直起降时需要依靠姿态控制装置来保持飞行器的平衡，需要依靠姿态控制装置来实现飞行器水平、滚转、俯仰、偏航的飞行姿态的控制，以及实现飞行器的垂直起降以及纵向、横向飞行；姿态控制装置就是指控制飞行器飞行姿态的装置。
[0003]传统的直升机安装有自动倾斜器，自动倾斜器由两个主要零件组成:一个不旋转环和一个旋转环。不旋转环被安装在旋翼轴上，并通过一系列推拉杆与周期变距和总距操纵装置相连。它能够向任意方向倾斜，也能垂直移动。旋转环通过轴承被安装在不旋转环上，能够同旋翼轴一起旋转。扭力臂用于保证旋转环与桨叶一起同步旋转。防扭臂则用于阻止不旋转环旋转。这两个环作为一个单元体同时倾斜和上下。旋转环通过拉杆与变距摇臂相连。直升机是通过周期变距操纵装置操纵自动倾斜器使旋翼桨叶周期变距实现俯仰姿态及滚转姿态的控制，也可以控制纵向速度及横向速度；通过总距操纵装置操纵自动倾斜器同步改变旋翼桨叶桨距用于控制直升机的垂直速度。传统的直升机还安装有尾桨用于平衡旋翼反作用扭矩，通过改变尾桨总距可以控制直升机偏航速度。
[0004]由美国贝尔公司和波音公司联合设计制造的V-22鱼鹰式倾转旋翼飞机在机翼的两端部各连接有一个发动机舱，发动机舱可以在水平位置与垂直位置之间倾转，发动机舱上连接有旋翼。V-22倾转旋翼飞机的飞行姿态控制与直升机类似，也是通过周期变距操纵装置及总距操纵装置使旋翼桨叶周期变距及同步改变旋翼桨叶桨距用于控制飞机飞行姿态。V-22倾转旋翼飞机通过倾转至少一个发动机舱，从而在旋翼之间产生纵向推力差异，用于控制飞机的偏航速度。因为用于直升机或倾转旋翼飞机的姿态控制装置都是采用复杂机械部件，所以对制作材料要求高、生产难度大、安装复杂、维护成本高；而且此类的姿态控制的装置只适用于采用了与发动机功率连接的旋翼作为推力装置的飞行器，该类飞行器大多采用涡轮轴发动机或者活塞式发动机。
[0005]由英国霍克飞机公司和布里斯托尔航空发动机公司研制的“鹞”式战斗机，它实现垂直/短距起落的基本原理在于采用一台4个可旋转喷口的“飞马”涡扇发动机来提供起落时所需的升力以及过渡飞行和正常飞行所需的推力。两对喷口对称于飞机重心，分置机身两侧，通过喷口操纵系统的操纵杆和发动机油门杆，实现发动机推力矢量的控制(改变推力的大小和方向)。机头、机身和翼梢装有从发动机引气的喷气反作用操纵系统，用以控制垂直、短距起落或悬停时的飞行姿态，在正常飞行中也可用以改善失速时的操纵性。因为用于垂直起降喷气式飞机的姿态控制的装置也是采用复杂的机械部件，特别是可旋转喷口，不仅对制作的材料要求高、而且生产难度大，所以提高了生产和维护的成本；而且此类姿态控制装置只适用于采用了矢量喷口或举升发动机甚至通过传动装置与发动机功率连接的升力风扇作为垂直推力装置的的飞行器，此类飞行器采用特制的矢量发动机。
[0006]上述类型的垂直起降飞行器用来作为姿态控制的装置都是采用复杂的机械结构的，大量的机械部件不仅增加了制造的难度，也提高的生产和维护的成本；而且飞行器所采用的推力装置的类型被限制。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种没有复杂机械结构的姿态控制装置的、可以采用多种类型推力装置的垂直起降飞行器。
[0008]为解决上述技术问题，本发明的垂直起降飞行器包括了机身、为飞行器提供主要推力的主推力装置，其中飞行器还包括姿态控制装置，姿态控制装置使用电能，由电源模块、N个调姿单元、对应N个调姿单元的N个电机、调速器单元、以及飞行控制系统组成，其中N为大于或等于3的自然数；电源模块为姿态控制装置提供电源；调姿单元为与电机功率连接的扇叶，每个调姿单元分别连接有电机；调速器单元与电机电性连接，用于分别调节每个电机的输出功率，调速器单元接受飞行控制系统控制并与飞行控制系统信号连接；至少有两个调姿单元分别对称地置于飞行器的左部及右部用作滚转调姿单元；飞行器以重心的前后分为前部与后部，至少有一个调姿单元置于相对于滚转调姿单元所处该部的另一部，或当滚转调姿单元所产生的垂直升力的合力可作用在飞行器大体重心处时至少有一个调姿单元置于飞行器的前部或后部均可，或有至少两个调姿单元分别置于飞行器的前部及后部，作为俯仰调姿单元；所有的俯仰调姿单元所产生的垂直升力的合力可作用在机身纵向中线上。
[0009]通过设置有用作滚转和俯仰控制的调姿单元，每组调姿单元各自连接有一组电机，调速器单元分别控制每组电机的输出功率，飞行控制系统对调速器单元实施控制，通过调节各个调姿单元所产生的推力的差异，从而实现飞行姿态的控制。这样的好处是，采用了使用电能的姿态控制装置可以免去原先复杂的机械部件，使飞行器的机械结构得到简化。通过飞行控制系统控制的以电机作为动力装置来驱动扇叶的姿态控制装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作；分布于飞行器左右以及前或后的各个调姿单元可以产生使飞行器滚转、俯仰以及偏航的推力，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。此外，由于主推力装置为飞行器提供了主要的推力，姿态控制装置主要用作平稳起降、悬停、滚转、俯仰及纵向飞行、横向飞行等飞行姿态的控制，姿态控制装置与主推力装置分离，独立于主推力装置，所以飞行器对于采用何种类型的发动机及何种类型的推力装置没有特别的限制。
[0010]作为本发明垂直起降飞行器的进一步改进，飞行器还包括机翼，机翼设置为可以选择性地调整迎角；机翼与飞行器活动连接，机翼与伺服作动器可操作地连接，伺服作动器接受飞行控制系统控制并与飞行控制系统信号连接。这样的好处是，飞行器在向前纵向飞行时，飞行器的机身无论处于何种倾斜角度，机翼都能处于最优的迎角，提高了机翼的效率。
[0011]作为本发明垂直起降飞行器的进一步改进，主推力装置设置为朝飞行器前方倾斜；作为更进一步改进，还可以将调姿单元设置为朝飞行器前方倾斜。主推力装置及调姿单元可以产生垂直推力及向前的纵向推力的矢量分量。这样的好处是，飞行器在向前纵向飞行时不用倾斜或不用较大幅度倾斜机身，推力装置及调姿单元便可产生垂直升力的同时产生向前的纵向推力的矢量分量推动飞行器前进。作为本发明垂直起降飞行器的进一步改进，飞行器设置有垂直尾翼，飞行器设置有垂直尾翼可以提高飞行器飞行的稳定性和操纵性。
[0012]作为本发明垂直起降飞行器的进一步改进，飞行器设置为双主翼结构，其中第一主翼置于飞行器的前部，第二主翼置于飞行器的后部，第一主翼与第二主翼的之间距离大于或等于主推力装置的直径；第二主翼兼作水平尾翼；第一主翼及第二主翼的左右端部分别连接有调姿单元。通过采用双翼结构的机翼，可以提高了飞行器纵向飞行时的稳定性及增加升力；通过采用双翼结构的机翼的飞行器，其产生垂直推力的主推力装置与产生固定翼升力的机翼的位置可以不用集中在重心附近，主推力装置与机翼位置没有冲突，可以使主推力装置布置更加方便；此外调姿单元连接在第一主翼及第二主翼的左右半翼的端部可以提高调姿单元的姿态控制的效率。
[0013]作为本发明垂直起降飞行器的进一步改进，至少有两个主推力装置分别连接于机身的中段的左右两侧。主推力装置采用与发动机功率连接的涵道风扇，涵道的出风口设置有可以选择性地朝飞行器前后方向摆动的舵面，舵面用于改变垂直推力及纵向推力的矢量分量，也可以作偏航控制；舵面与伺服作动器可操作地连接，伺服作动器接受飞行控制系统控制并与飞行控制系统信号连接。两组主推力装置分别连接于机身的中段的左右两侧，可以使主推力装置更加集中在飞行器的重心附近，可以提高飞行器飞行的稳定性；同时降低因左右主推力装置产生推力差异时而所造成的风险，使飞行器更加安全。使用涵道风扇作为主推力装置，可以保护飞行器起降场所的人员或物品不被扇叶所伤害，所以更加安全；此外扇叶置于涵道中，可以吸进上层额外的环境空气，起到一定的引射增升的作用；通过增加扇叶的叶片数量和提高发动机的转速，还可以增加推力和提高速度。主推力装置的出风口设置有可以选择性朝飞行器前后方向摆动的舵面，可以通过舵面改变主推力装置垂直推力及纵向推力的矢量分量，用于调节飞行高度和纵向飞行速度；也可以通过舵面改变左右主推力装置纵向推力的矢量分量的差异，进行偏航控制，提高的飞行器的操作性。
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