本发明涉及一种新布局的可垂直/短距起降(vstol)轻型单人飞机——飞行摩托，属于航空飞行器中固定翼飞机涉及技术领域。
背景技术：
现有飞行器分为固定翼和旋翼两种，而目前城市轻小型飞行器多为旋翼类。旋翼飞行器具有体积较小、操作简单，可垂直起降，不需要滑跑跑道，占用空间小等优点，因而目前在单人飞行器领域中被广泛应用。但是，其飞行速度小、飞行高度低、机动性较差的缺点制约了飞行器在城市高楼间穿梭的灵活性，安全性也随之降低；固定翼飞机因其具有飞行速度快，航时长，飞行距离远等特点，在多人轻型飞机中应用较多。但是因为其尺寸较大，滑跑起飞降落需用很大空间，在单人飞行器的发展中受到了很大限制。本发明的研究方案是可垂直/短距起降的固定翼类单人飞行器。它兼备固定翼和旋翼的优点，而且结构简单，可作为城市之间的远距离航行工具，未来发展前景将十分广阔。
现有设计方案主要包括：
1)城市轻小型飞行器
日前专注生产制造人类“钢铁侠”飞行装备的马丁飞行喷射包公司已在2月在澳大利亚证券交易所主板挂牌交易，“钢铁侠飞行包”即将上市，售价125万人民币。人类对于单人飞行器的研究热情从未减退，2011年，德国人托马斯·森克尔携手斯特凡·沃尔夫和亚历山大·措泽尔研制出一种新型单人遥控飞行器，这种新型飞行器名为e-volo。美国一家公司近年来推出一款“飞行摩托”，可供单人驾驶和乘坐，能在空中飞行前进。
2)e-volo单人飞行器
2011年，德国人研制出一种新型单人遥控飞行器，首次载人试飞飞行1分30秒后安全着陆。设计者说，未来它不仅可以走入寻常百姓家，用作“空中飞车”，还可用于管道系统检测、空中救护或航拍等作业。这种新型飞行器名为e-volo，由托马斯·森克尔携手斯特凡·沃尔夫和亚历山大·措泽尔研制。飞行器看上去就像一个人坐在弹跳球上，周围被遥控直升机模型环绕。实际上，它由4组16个水平旋翼组成，每个旋翼由电脑控制，因此飞行员坐在位于中心的底座上，仅用无线控制器就可操控驾驶，如同玩电子游戏一样。座位下方的球主要起减震作用。飞行器配备了全球定位系统(gps)，能自动避开障碍物，自控到达已设定位置。它还可在飞行员非操控状态下静止盘旋于空中。
3)飞行摩托
美国一家公司近年来推出一款“飞行摩托”，可供单人驾驶和乘坐，能在空中飞行前进。这种飞行摩托可以在离地近5米高的地面上飞行，时速约为48公里。该飞行器的驱动装置是其下面两个圆盘，利用两个圆盘旋转产生的上升气流，可让摩托升到空中。根据制造该款飞行器的公司介绍，这种个人飞行器上有两个手柄，可以调节行驶速度和高度。同时，飞行摩托内置感应装置，人在上面驾驶时，可以利用身体的倾斜产生的重心变化，改变飞行摩托的飞行方向。
4)个人喷气式"飞行背包"
新西兰航空设计师格伦·马丁坚信，他成功开发出一种能使普通人实现遨游太空梦想的单人飞行器，使喷气背包在现实生活中驶离地面。据马丁介绍，尽管喷气背包的飞行距离、飞行高度和持续时间上都不算太理想，分别只有50英尺、6英尺和45秒，但这些都不是实验的目标。马丁说：“我只是想去证明这项技术可以奏效。无论是6英尺，还是600英尺，一旦你身在天空，这些数字不会有什么区别。”从飞行设计原理上看，马丁喷气背包更像是气垫船而非喷气机。使用汽油的摩托发动机通过汽车风扇皮带驱动两个扇形螺旋桨，螺旋桨在两个外表看似超大号汤罐的装置内水平旋转。这种涵道风扇设计比直升机无屏蔽发动机效率更高。发动机、燃料箱和飞行员处于升力扇中间及下方，以降低重力中心，避免喷气背包在飞行中上下颠倒，撞向地面。
固定翼垂直/短距起降技术发展
迄今为止，世界上具备比较成熟的垂直/短距起降技术的固定翼代表飞机有英国的鹞式，美国的v-22鱼鹰和f-35。“鹞”实现垂直短距起降的基本原理在于，采用一台4个可旋转喷口的“飞马”涡扇发动机来提供起降时所需的升力以及过渡飞行和正常飞行所需的推力；v22-鱼鹰倾转旋翼机是在类似于固定翼飞机的机翼两翼尖处各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼螺旋桨组件；美国的f35b型联合攻击战斗机是目前最先进的垂直/短距起降战斗机，其推进系统是由一台两级对转升力风扇和一台喷管可转向的主发动机组成。在垂直升降过程中，主发动机喷口向下偏转产生一部分升力的同时，通过主发动机轴驱动升力风扇产生升力。
现有技术的问题
1、目前，单人飞行器以旋翼类居多，旋翼飞行器虽然具有体积小、重量轻等优点，但是其缺点也很明显，比如飞行速度慢，飞行距离短，飞行高度低，不可作为远距离飞行的交通工具，等等。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种飞行摩托，其特征在于包括：
机身、机翼、腹鳍、垂尾、边条翼、动力系统、起落架、驾驶舱、襟翼，
其中：
机翼采用机翼内段和机翼外段的组合形式，机翼内段平直，机翼外段后掠，
机身的头部装有前发螺旋桨，前发螺旋桨外围设有防护圈以提高螺旋桨旋转时的安全性，
驾驶舱位于机身中部，后部则迅速收缩与机翼内段融为一体，
边条翼位于机身的两侧，有效提高了大迎角和低速飞行时的升力；
起落架前三点式起落架；所述起落架的前起、主起采用缓冲减震设计并包括主起机轮，
飞行摩托的机身后缘安装有防擦尾轮，
主起的位置，使得飞行摩托垂直起飞时允许前发螺旋桨使机头抬起且飞行摩托的尾部着地，且在此状态下，重力作用点沿水平方向在主起机轮着地点后方。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的飞行摩托的俯视图。
图2是根据本发明的一个实施例的飞行摩托的侧视图。
图3是根据本发明的一个实施例的飞行摩托垂直起降离地时姿态的示意图。
图4a是根据本发明的一个实施例的飞行摩托的总体和前发布局。图4b是根据本发明的另一个实施例的飞行摩托的总体和前发布局。
图5是飞行摩托悬停时受力分析图。
具体实施方式
针对现有技术的上述问题，本发明的目的是固定翼类单人飞行器，其飞行速度更快，航时长，飞行距离更远。
在轻型固定翼飞机中，最大的问题是不能够垂直/短距起降、悬停，其起飞和降落都需要很大距离。而且飞机的尺寸相对比较大，在空间日益拥挤的当下，不适合推广使用；而现有的固定翼垂直/短距起降技术设计复杂，结构重量大，不适合应用在城市轻小型飞行器。本发明采用固定翼与螺旋桨配合，结合偏转滑流效应，使飞行器既具有旋翼类飞行器的优点，可垂直/短距起降。而且尺寸相对较小，结构比较简单，制作成本相对较低，适合广泛应用。
整体布局
如图1至图4b所示，根据本发明的飞行摩托整体采用鸭翼布局。鸭翼(4)可以用较小的翼面来达到较高的操纵效能。同时，机身两侧带有大边条翼(6)。
机翼
机翼(9、12)采用机翼内段(9)和机翼外段(12)的组合形式，机翼内段(9)平直，机翼外段(12)后掠。平直机翼内段(9)提高了整体偏转滑流增升效应，后掠机翼外段(12)在高推重比下具有优异的加速性能。此外，襟翼(10、11)同时作为升降副翼，用于飞行时的俯仰和滚转控制。机翼外段(12)没有任何活动舵面，结构简单可靠。
机身
机身(5)头部设置前发螺旋桨(1)，前发螺旋桨(1)外围的防护圈(2)提高螺旋桨旋转时的安全性。驾驶舱(15)位于机身中部，后部则迅速收缩与机翼内段(9)融为一体。驾驶舱(15)采用半封闭的形式，前挡风板(14)设计流线型，降低飞行时阻力。左右两侧防护板(16)保护驾驶员在飞行时避免受到螺旋桨的伤害。脚蹬(17)为驾驶员在飞行时提供腿部支撑。整体上看，机身(5)具有良好的气动特性，且可使飞行员获得开阔的视野。
腹鳍和垂尾
腹鳍(21)布置在襟翼(10、11)下方两侧。垂尾(22)可采用单垂尾或双垂尾(28)形式。双垂尾的位置可设计在机身两侧或机翼两端，作为翼端垂尾。
边条翼
边条翼(6)位于机身的两侧，有效提高大迎角和低速飞行时的升力。座位两侧，边条翼上的孔位(7)为驾驶员骑行飞行摩托的腿部位置。
动力系统
本发明的动力系统可采用电动式，或者油电混合式。发动机既可以采用单发，又可以采用双发。
在根据本发明的一个实施例中，采用单发油电混合式，该单发油动发动机位置(19)在座舱(15)后的机身(5)内部，并带动机翼前缘两个主桨(18)和一个前桨(1)。同时，三个螺旋桨(两个主桨(18)和一个前桨(1))各配有一个辅助电机(3、8)。辅助电机(3、8)可以和主发动机(19)一同工作，以满足在垂直起降、悬停等状态的大功率工作需求；亦可作为备用电机，在主发动机(19)无法正常工作的情况下应急使用。
起落架和尾轮
根据本发明的实施例采用前三点式起落架；所述起落架的前起(13)、主起(20)采用缓冲减震设计。本发明的起落架实施例重点考虑了主起(20)的位置，飞行摩托垂直起飞时，控制前发螺旋桨(1)使机头抬起，尾部着地。机身后缘安装有防擦尾轮(24)，此状态下，重力作用点(23)在主起机轮(25)着地点后方(沿水平方向)。
悬停原理
如图5所示，飞行摩托在悬停姿态时，利用科恩达效应，主发螺旋桨(18)后拖出的高速螺旋桨滑流，随着机翼结合襟翼偏转改变了方向，产生斜向上的合力。不同的后缘襟翼类型(单缝、双缝、三缝)产生不同大小和方向的合力。有研究证明：矢量合力的大小可达螺旋桨拉力的80％以上。
飞行摩托悬停时襟翼(10、11)下偏，图5所示的前发螺旋桨(1)提供的拉力、机翼在偏转滑流效应下的气动力与主发螺旋桨拉力的合力(29)、重力(23)达到平衡，实现在空中的悬停。而且，可以通过改变襟翼的偏转角度来改变滑流合力的大小和方向，再结合前发的力矩配平与控制，实现飞行摩托在不同俯仰角下的悬停，角度范围约30-60度。
垂直起降方式
飞行摩托垂直起飞：通过控制前发螺旋桨(1)，使飞行摩托抬头至大约悬停时的角度，襟翼下偏，使机翼处于很大的向下弯曲状态；推大油门，主发螺旋桨(18)旋转产生向前拉力和较大向后气流，在机翼偏转滑流作用下，产生较大的气动力。在以上各力的共同作用下，飞行器处于类似于三轴旋翼的垂直起飞状态，实现垂直起飞。在适当高度再转入平飞；也可通过调节襟翼的偏转角度和螺旋桨拉力的大小实现超短距起飞。
飞行摩托垂直降落：由常规平飞或下滑阶段减小飞行速度，在保持轨迹基本不变的情况下，结合升降舵与前发逐渐拉起俯仰角(迎角)，进入大迎角大阻力减速飞行阶段，随着飞行速度的进一步降低偏转襟翼转入悬停模式，同垂直起飞和悬停，通过三发螺旋桨与滑流控制保持飞机稳定悬停和缓慢下降，直至主轮柔和接地，减小主发油门，控制前发使飞行摩托机头稳定回落接地，完成垂直着陆。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1、与现有的旋翼类飞行摩托相比，本发明结构简单，并且前飞效率高，具有更快的飞行速度，更远的航程和更高的升限。因为该机的前飞动力取自发动机推力的全部分量，而旋翼机的前飞动力取自旋翼拉力的前向分力，并且该机在前飞时由机翼产生全部升力，气动效率高；旋翼机的飞行控制需要复杂的周期变距机构，而且其动力传动需由发动机带动主旋翼，还需经过复杂的传动机构带动机身靠后的尾桨，结构较为复杂，安全性较差；同时，本发明前发离重心较远，操纵效率高，而且中小展弦比、较大的滑流舵面、足够的推重比，这些设计使其较之旋翼机具备更强的机动能力。
2、与倾转旋翼机相比，本发明无倾转机构，结构简单，重量轻，安全性好。倾转旋翼机设计复杂，结构重量大；倾转旋翼机一般有两个同步的旋转桨舱，机构复杂，控制困难，对结构强度、控制策略要求较高，并且在垂直飞行时，对于飞行器的控制完全由旋翼提供，操纵效率不高。
3、与常规固定翼飞机相比，本发明能够摆脱对于起飞场地的依赖，能够实现垂直起飞和超短距起飞，并且能够在空中悬停。常规固定翼飞机一般需要较长的跑道才能实现滑跑起飞和降落，这对于在城市中飞行的飞行器很难实现。
4、本发明具有成本优势。设计结构简单，无特殊的加工工艺和材料要求，制作成本低。性价比高，经济实惠，易于推广。
结构、操控等方面的改进包括：
—通过使用滑流偏转动力增升技术实现了垂直/短距起降，大大降低了对地面场地的要求。
—该布局结构简单，无倾转机构，操纵面少，操纵效率高，维护容易，制作成本低廉。
—动力系统既可以采用电动式，又可以设计为油电混合式。油电混合设计，可在主发动机无法正常工作的情况下，电机应急使用，从而提高飞行安全。
—在空中可以实现大俯仰角悬停，在特殊情况下完成空中作业。
除了上述的实施例之外，本发明的其他可选实施例包括：
1、前发采用涵道形式(26)(图4b)，替代螺旋桨(1)。(相对涵道，螺旋桨的效率更高可节约能源，而涵道相比更加安全美观。)
2、飞行摩托的布局既可以设计为平直段机翼和后掠段机翼的组合机翼形式，也可以设计为较小后掠角的后掠翼(27)形式(图4b)。小后掠角机翼相对大后掠机翼的滑流增升效率更高。