一种利用鳍翼调整片状机身航空器航行姿态的方法与流程

本发明涉及一种利用鳍翼调整片状机身航空器航行姿态的方法，属于航空技术领域。

背景技术：

载人航空器可分为固定翼和旋转翼两大类，固定翼常见于水平起降航空器（如喷气式客机），而旋转翼常见于垂直起降航空器（如直升机）。就目前已经达到的技术水平来说，固定翼航空器可以高速飞行，操作简便，但需依托跑道起降。旋转翼航空器可以垂直起降，不需依托跑道起降，适应性强，但是机理失调，操控复杂，飞行速度慢，燃油效率低。

新型垂直起降航空器采用片状机身以后可以解决垂直起降又要满足水平飞行两种飞行模式而产生的矛盾，将成为垂直起降航空器新的发展方向。但是，片状机身的特殊结构又给航空器的姿态控制带来一些新的问题，主要表现为：（1）片状特性。片状机身的特殊结构要求控制机构同样具备片状的特性。（2）控制力矩大。相对于现有的航空器，片状机身的特殊结构提高了片状机航空器在纵横两个方向的稳定性，因此需要的俯仰力矩和偏航力矩更大。（3）兼容性。姿态控制机构需要同样能够兼容垂直起降和水平飞行两种飞行工况的要求。（4）协调性。片状机航空器具有内在飞行机理协调的优点，姿态控制机构只能彰显这些优点，不能破坏协调性。（5）扭矩平衡。片状机航空器采用旋翼垂直起降，需要再悬停阶段具备扭矩平衡能力，而水平飞行则无此要求。因此需要设计出一个有效可靠的临时性扭矩平衡控制机构。（6）可靠性。片状机航空器解耦了相互制约的飞行要求，具有简单可靠的优点，姿态控制机构只能彰显这些优点，不能破坏。（7）直观性。片状机航空器要求姿态控制机构简便易行、控制效果直观易得。（8）准确性。片状机航空器要求姿态控制机构的指向明确，能够精准控制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服片状航空器飞行速度较低带来的飞行姿态控制中低流速空气动力不足的问题和片状机身给航空器的姿态控制带来控制力矩增大等问题，提出一种利用鳍翼调整片状机身航空器航行姿态的方法，在不破坏片状机身空气动力特性的前提下实现片状航空器飞行状态的有效控制。

为解决上述技术问题，本发明提出一种利用鳍翼调整片状机身航空器航行姿态的方法，以高宽比和长宽比均≥2的片状机身的航空器为对象，在航空器的片状机身上安装一个或多个大面积片状鳍翼，通过转动鳍翼改变鳍翼与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩，使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身，控制航空器的航行姿态。鳍翼的安装数量根据实际需要确定。作为优选，所述片状机身的高宽比和长宽比均为3-10。

所述鳍翼有鳍翼轴，鳍翼可以鳍翼轴为轴心转动，从而获得航空器姿态调整需要的辅助力矩，助力片状机身航空器航行姿态的调整。鳍翼的转动可由独立动力提供，如专设操控电机等，也可以人力驱动以备故障迫降之需。

所述鳍翼可以收平与片状机身形成一体，可采用常规收放机构（结构）实现，如铰接折叠结构等。

所述鳍翼为大面积片状结构，利用鳍翼的大面积翼面在低速飞行中产生足够空气动力，控制航空器的航行姿态。鳍翼的具体面积根据实际需要具体确定，满足在低速飞行中能够产生足够的空气动力而调整航空器的航行姿态即可。

所述鳍翼可以前后成对使用或上下成对使用，前后成对使用时尽量拉开距离，即在机身范围内尽量拉开距离，具体根据实际需要确定，以产生足够的力矩控制航空器的航行姿态。

所述鳍翼在片状机身上的安装位置不受限制，可设置于片状机身的头部、背部、腹部、尾部、腰部，鳍翼设于腹部或腰部时主要调整片状机身航空器俯仰姿态，鳍翼设于头部或尾部时主要调整片状机身航空器水平偏转姿态，鳍翼设于背部时主要调整片状机身航空器横向平移姿态。较其他航空器而言，在片状机身上安装片状鳍翼的位置限制因素要少得多。

所述鳍翼采用大面积钢性薄壁结构，鳍翼轮廓线为流线型，以尽量减少断面的气流阻力。鳍翼表面一般为连续平面，或采用飞机翼型的气动曲面，以使流过其表面的气流保持连续流动，满足空气动力调整需求。

本发明用于俯仰控制的鳍翼工作时其翼面不与片状机身同处于一个平面，而是与片状机身的平面垂直相交；当用于俯仰控制的鳍翼不工作时，可以顺应气流自然下反或直接收合进入片状机身平面，以尽量减少其对航空器的不良影响。

本发明通过在片状航空器的片状机身上安装大面积片状鳍翼，当航空器航行需要调整航行姿态时，让鳍翼围绕鳍翼轴转动，改变鳍翼与气流的相对运动状态而产生足够的作用力，或通过改变鳍翼的组合状态产生足够的力矩，该作用力施加于片状机身，克服片状航空器飞行速度较低带来的飞行姿态控制中低流速空气动力不足的问题和片状机身给航空器的姿态控制带来控制力矩增大等问题，实现对航空器航行姿态的控制。

与现有技术相比，本发明能够有效克服片状航空器飞行速度较低带来的飞行姿态控制中低流速空气动力不足的问题和片状机身给航空器的姿态控制带来控制力矩增大等问题，实现垂直起降和水平飞行两种工作模式的平稳转换和有效兼容，具有可有效维护片状机身特性、协调飞行机理、提高飞行器可靠性和适应性等优点，可广泛应用于载人航空器或无人机等领域。

附图说明

图1是使用本发明方法实施例1的片状机身航空器示意图。

图2是使用本发明方法实施例2的片状机身航空器示意图。

图3是使用本发明方法实施例3的片状机身航空器示意图。

图4是使用本发明方法实施例4的片状机身航空器示意图。

图中：1-片状机身航空器，2-鳍翼，2-1-前背鳍，2-2-后背鳍，2-3-尾鳍，2-4-腹鳍，3-鳍翼轴，3-1-前背鳍轴，3-2-后背鳍轴，3-3-尾鳍轴，3-4-腹鳍轴，4-开孔，5-螺旋桨，6-旋翼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述，实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：参见图1，本片状航空器利用鳍翼控制航行的方法，以高宽比为10、长宽比为3的片状机身的航空器为对象，在航空器的片状机身1上安装大面积片状鳍翼2，通过转动鳍翼改变其与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩，使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身，控制航空器的航行姿态。鳍翼2有鳍翼轴3，鳍翼2可以鳍翼轴3为轴心转动，其转动由配套动力（电机）提供，也可以人力驱动以备故障迫降之需。鳍翼2为大面积片状结构，利用鳍翼2的大面积翼面在低速飞行中产生足够空气动力，控制航空器的航行姿态。鳍翼2有两个，设于腹部、前后错位、反向倾斜、成对使用，尽量拉开距离而分别设置在片状机身腹部的前端和后端，以产生足够的力矩，主要调整片状机身航空器俯仰姿态，从而控制航空器的航行姿态。鳍翼2采用常规收放式结构，可以收平与片状机身形成一体。用于俯仰控制的鳍翼2的中轴位置设有鳍翼轴3，工作时其翼面不与片状机身1同处于一个平面，而是与片状机身1的平面垂直相交；当用于俯仰控制的鳍翼不工作时，可以顺应气流自然下反或直接收合进入片状机身平面。鳍翼2采用大面积钢性薄壁结构，鳍翼轮廓线为流线型。鳍翼2的表面为连续平面，采用飞机翼型的气动曲面。

片状机身航空器采用片状机身以后，很好地解决了机身垂直起降模式和水平飞行模式两种工作模式下的兼容问题，但是也在一定程度上带来了俯仰操控困难的矛盾，而鳍翼的采用，加大了航空器的俯仰力矩，由此可以很好地解决片状机身航空器俯仰操控困难的问题。鳍翼2可以鳍翼轴3为轴心旋转，让鳍翼2避免遮挡迎面气流、下洗气流和上升气流，兼容道路行驶、垂直起降和水平飞行三种工况的要求。前后位置的鳍翼2错位布置、反向倾斜，能显著加大俯仰力矩。鳍翼2由人工或自动控制旋转或锁止，前、后两个鳍翼2可以锁定后完全同步反向转动以获得最大俯仰力矩，也可以分别转动以完成各种微调控制。鳍翼2采用大面积结构，进一步提高了俯仰力矩。

本发明采用大面积的鳍翼、巧妙的位置和相互的配合放大了控制力矩，保证了航空器在无动力紧急迫降时，可以通过操控转动鳍翼而施加一定的控制，调整着陆姿态，提高无动力迫降的安全性和成功率。当操作前后两个鳍翼同向倾斜时，可实现航空器在悬停状态下的前后移动的控制。悬停状态下，旋翼产生下洗气流；当前后鳍翼均同向前倾时，片状机身航空器向后移动；当前、后鳍翼均同向后倾时，片状机身航空器向前移动。在片状机身航空器水平飞行时，鳍翼可对机身进行垂直微调，达到精准控制的效果。

实施例2：参见图2，本片状航空器利用鳍翼控制航行的方法，以高宽比为3、长宽比为8的片状机身的航空器为对象，在航空器的片状机身1的尾部垂直水平面安装大面积片状鳍翼2，通过转动鳍翼2改变其与气流的相对运动状态产生作用力，使鳍翼产生的力施加于片状机身，控制航空器的航行姿态。鳍翼2有鳍翼轴3，鳍翼2可以鳍翼轴3为轴心左右转动，其转动由配套动力（电机）提供，也可以人力驱动以备故障迫降之需，主要调整片状机身航空器水平姿态。鳍翼2为大面积片状结构，利用鳍翼2的大面积翼面，在片状机身航空器飞行中产生足够空气动力，加大了片状机身航空器水平飞行时的偏航控制能力，控制航空器的航行姿态，解决片状机身航空器偏航控制困难的矛盾。鳍翼2以鳍翼轴3为轴心旋转，可以让鳍翼2避免遮挡迎面气流、下洗气流和升气流，满足片状机身航空器兼容道路行驶、垂直起降和水平飞行三种工况的要求。鳍翼2上有开孔4，孔中安装螺旋桨5，可使螺旋桨5与鳍翼2协同旋转改变推进方向。鳍翼2为大面积钢性板，以增加航空器姿态调整的稳定性并扩大偏转力矩。鳍翼2采用大面积钢性薄壁结构，其轮廓线为流线型、表面为连续平面，采用飞机翼型的气动曲面。

实施例3：参见图3，本片状航空器利用鳍翼控制航行的方法，以高宽比为5、长宽比为10的片状机身的航空器为对象，在航空器的片状机身1的背部和尾部与片状机身在同一平面安装大面积片状鳍翼，通过转动鳍翼改变其与气流的相对运动状态产生作用力，使鳍翼产生的力施加于片状机身，控制航空器的航行姿态。片状机身1的背部成对设有两片鳍翼，即前背鳍2-1和后背鳍2-2，两背鳍翼有前背鳍轴3-1和后背鳍轴3-2，背鳍可以鳍翼轴为轴心左右转动，它们对称设于航空器旋翼转轴两边同一平面内，主要调整片状机身航空器的横向平移姿态；片状机身1的尾部设有一片鳍翼，即尾鳍2-3，主要调整片状机身航空器的水平姿态；各鳍翼共同组合形成鳍翼组，并相互配合工作，调整航空器所需航行姿态。各鳍翼均为大面积片状结构，利用鳍翼的大面积翼面，在片状机身航空器飞行中产生足够空气动力，并通过改变鳍翼的组合状态产生足够的力矩，大大增加片状机身航空器水平飞行时的偏航控制能力，控制航空器的航行姿态，解决片状机身航空器偏航控制困难的矛盾。各鳍翼以其轴为轴心旋转，其转动由配套动力（电机）提供，也可以人力驱动以备故障迫降之需，可以让鳍翼避免遮挡迎面气流、下洗气流和升气流，满足片状机身航空器兼容道路行驶、垂直起降和水平飞行三种工况的要求。设于片状机身1尾部的尾鳍2-3上有开孔4，孔中安装螺旋桨5，可使螺旋桨5与该鳍翼协同旋转改变推进方向。鳍翼为大面积钢性板，以增加航空器姿态调整的稳定性并扩大偏转力矩。各鳍翼采用大面积钢性薄壁结构，其轮廓线为流线型、表面为连续平面，采用飞机翼型的气动曲面。

实施例4：参见图4，本片状航空器利用鳍翼控制航行的方法，以高宽比为4、长宽比为9的片状机身的航空器为对象，在航空器的片状机身1的背部、尾部和腹部安装大面积片状鳍翼，通过转动鳍翼改变其与气流的相对运动状态产生作用力，使鳍翼产生的力施加于片状机身，控制航空器的航行姿态。片状机身1的背部成对设有两片鳍翼，即前背鳍2-1和后背鳍2-2，两背鳍翼有前背鳍轴3-1和后背鳍轴3-2，背鳍可以鳍翼轴为轴心左右转动，它们对称设于航空器旋翼转轴两边同一平面内，主要帮助调整航空器的水平横移姿态；片状机身1的尾部设有一片鳍翼，即尾鳍2-3，尾鳍2-3有尾鳍轴3-3，尾鳍主要帮助调整航空器的水平姿态；片状机身1的腹部设有两片鳍翼，即腹鳍2-4，腹鳍2-4有腹鳍轴3-4，腹鳍设于腹部、前后错位、反向倾斜、成对使用，尽量拉开距离而分别设置在片状机身腹部的前端和后端，以产生足够的力矩，主要帮助调整片状机身航空器的俯仰姿态；各鳍翼共同组合形成鳍翼组，并相互配合工作，调整航空器所需航行姿态。各鳍翼均为大面积片状结构，利用鳍翼的大面积翼面，在片状机身航空器飞行中产生足够空气动力，并通过改变鳍翼的组合状态产生足够的力矩，大大增加片状机身航空器水平飞行时的偏航控制能力，控制航空器的航行姿态，解决片状机身航空器偏航控制困难的矛盾。各鳍翼以其轴为轴心旋转，其转动由配套动力（电机）提供，也可以人力驱动以备故障迫降之需。可以让鳍翼避免遮挡迎面气流、下洗气流和升气流，满足片状机身航空器兼容道路行驶、垂直起降和水平飞行三种工况的要求。设于片状机身1尾部的尾鳍2-3上有开孔4，孔中安装螺旋桨5，可使螺旋桨5与该鳍翼协同旋转改变推进方向。鳍翼为大面积钢性板，以增加航空器姿态调整的稳定性并扩大偏转力矩。各鳍翼采用大面积钢性薄壁结构，其轮廓线为流线型、表面为连续平面，采用飞机翼型的气动曲面。

上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。