一种垂直起降飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种垂直起降飞行器飞行器，尤其涉及一种可以切换推力方向的垂直起降飞行器。
【背景技术】
[0002]倾转旋翼飞机、倾转涵道风扇(Tilt Ducted Fan)飞机、垂直起降的喷气式飞机是常见的可以切换推力方向的垂直起降飞行器，这种飞行器设置有机翼，还可以将推力方向在垂直方向和水平方向之间进行切换。当推力方向设置在垂直方向时飞行器可以像直升机一样垂直地起降，当推力方向设置在水平方向时飞行器又可以像固定翼飞机一样飞行，兼备了直升机与固定翼的优点。倾转旋翼飞机、倾转涵道风扇(Tilt Ducted Fan)飞机、垂直起降的喷气式飞机等可以切换推力方向的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，需要依靠姿态控制的装置来实现飞行器垂直起降过程的滚转、俯仰、偏航的飞行姿态的控制，以及实现纵向及横向飞行。
[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的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]倾转涵道风扇(Tilt Ducted Fan)飞机具有和倾转旋翼飞机一样的优缺点，例如贝尔公司的X-22倾转涵道风扇飞机，螺旋桨置于涵道中，组成了涵道风扇(Ducted Fan),初看和普通螺旋桨没有太大两样，但是涵道内外的气流有速度差，在贝努力原理的作用下，涵道内的高度气流可以拖动涵道外的低速气流，可以产生比涵道内气流流动多至50%的额外推力。贝尔X-22采用四台涡轴发动机，两两布置在垂尾两侧，通过交联的同步轴，驱动所有四副涵道风扇。与V-22鱼鹰式倾转旋翼飞机不同的是，X-22倾转涵道风扇飞机每个涵道出口设置有气动控制舵面作为姿态控制装置，用来提供垂直起落和平飞中的飞行姿态控制。但由于这种气动控制舵面是一种复杂的机械部件，这种机械部件生产、维护的成本高，而且容易出现机械故障；此外，利用气动控制舵面控制飞行器的起飞、着陆、悬停时的飞行器平衡性较差而且灵敏度较低。
[0006]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；而且此类姿态控制的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涡扇或涡喷发动机。
[0007]上述类型的垂直起降飞行器用来作为的飞行姿态控制的姿态控制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；而且此类采用复杂机械结构的姿态控制装置的飞行器不够灵活和不易操作。
【发明内容】
[0008]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、可以更灵活地控制飞行姿态的垂直起降飞行器。
[0009]为解决上述技术问题，本发明的垂直起降飞行器包括机身、主翼、可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转的主推力装置、使主推力装置倾转的倾转装置、用于控制飞行姿态的姿态控制装置；主翼包括左半翼及右半翼，主推力装置使用热机作为动力装置；其中，姿态控制装置由电源模块、至少两个调姿装置、调速器模块、飞行控制系统组成；调姿装置由电机、与电机功率连接的螺旋桨或涵道风扇(Ducted Fan)组成；调速器模块用于分别调节各个调姿装置的电机的输出功率，调速器模块接受飞行控制系统的控制；电源模块用于提供电源；至少有一个调姿装置设置在左半翼，并且还至少有一个调姿装置设置在右半翼。
[0010]通过在主翼的左半翼及右半翼分别设置有调姿装置，飞行控制系统对调速器模块实施控制，调速器模块分别调节每组电机的输出功率，通过调节各个调姿装置所产生的推力的差异，实现对飞行器滚转姿态的控制；可以通过倾转主推力装置使其产生垂直方向推力及纵向推力的矢量分量实现对俯仰姿态的平衡控制。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的姿态控制装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。
[0011]作为本发明一种垂直起降飞行器的进一步改进，调姿装置设置在主翼的端部。调姿装置的螺旋桨或涵道风扇设置在主翼的左半翼、右半翼的端部，可以使调姿装置的螺旋桨或涵道风扇远离飞行器的重心，这样可以提高调姿装置姿态控制的效率。
[0012]作为本发明一种垂直起降飞行器的另一个改进，该飞行器还设置有至少一个调姿装置置于在飞行器的头部或尾部。调姿装置可以连接在机身或者通过机翼、连接轴等机构连接在飞行器的头部或尾部。这样可以通过调姿装置对飞行器的俯仰姿态进行控制；通过飞行控制系统控制的以电机作为动力装置的姿态控制装置反应更加灵敏迅速而且更加易于操作，从而使飞行器的姿态控制更为稳定。
[0013]更进一步地改进，该飞行器还设置有水平尾翼，水平尾翼包括左尾翼及右尾翼；各个调姿装置分别设置在左尾翼、右尾翼、左半翼、右半翼的端部。这样的设置可以使调姿装置的螺旋桨或涵道风扇远离飞行器的重心，这样可以提高调姿装置姿态控制的效率。
[0014]作为本发明一种垂直起降飞行器的另一个改进，主翼为双翼结构，其中第一主翼置于飞行器的前半段靠近机头一侧，第二主翼置于飞行器的后半段靠近机尾一侧；第一主翼及第二主翼的各个半翼分别设置有调姿装置。作为进一步改进，各个调姿装置分别设置在第一主翼、第二主翼的各个半翼的端部。作为更进一步改进，还可以将第一主翼设置为前掠翼。通过采用双翼结构的主翼，可以提高了飞行器纵向飞行时的稳定性及增加固定翼升力；通过采用双翼结构的主翼的飞行器，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；此外调姿装置的螺旋桨或涵道风扇分别设置在第一主翼、第二主翼的各个半翼的端部可以提高调姿装置姿态控制的效率。第一主翼设置为前掠翼，第二主翼设置为后掠翼可以增加飞行器的机动性能及升阻比，还可以增加第一主翼与第二主翼之间的空间。
[0015]作为本发明一种垂直起降飞行器的进一步改进，可以活动连接调姿装置，螺旋桨或涵道风扇设置为可以在水平位置与垂直位置之间进行倾转；调姿装置还包括倾转装置。作为更进一步改进，电源模块包括电功率储存装置、发电机，发电机与电功率储存装置电耦合；调姿装置的螺旋桨或涵道风扇与发电机功率连接；电机包括转子与定子，电机的转子兼作发电机的转子。这样可以通过倾转调姿装置，使调姿装置所产生的推力的方向可以在垂直方向和水平方向之间进行切换，提高的调姿装置的利用效率；