可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器的制作方法

本实用新型涉及航空航天领域技术，尤其是指一种可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器。

背景技术：

近年来，随着社会经济的不断发展，城市人口和机动车辆日益增加，城市道路交通的拥挤与阻塞己经成为世界大中城市普遍存在的现象，由此带来的交通拥堵、交通事故、能源浪费以及成倍增加的汽车废气排放造成的环境污染等问题，不仅严重地制约着城市和社会经济的可持续发展，同时也严重地影响着城市居民的生活质量。地面交通已经不能满足人们日益增长的物质生活需要，更快捷、方便、高效的空中立体交通必将成为人们研究和关注的新课题。

日常生活中所能见到的最多的航空飞行器通常有两类：

1、固定翼飞行器，如民航客机：高度5000-10000米，速度每小时500-800公里。民航客机通常采用固定翼加喷气式发动机形式，载重量大，飞行速度快，机动性高。飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋船的阻隔。安全、舒适，且受天气影响相对较小，安全系数高。但固定翼飞机最大的缺点是起降必须采用滑行增速或减速，因此严重受到起降场地的限制，不可能像汽车一样得到普及。

2、螺旋翼类飞行器，如直升机：高度10000米以下。速度大约是每小时0-300公里。直升机其最大特点是以一个或多个大型水平旋转的动力发动机提供向上升力。直升机的优点是可以垂直升降，也可以停留在半空不动（悬停），可以做低空、低速或向后飞行。但直升机由于采用无约束自由空间螺动力发动机驱动，其飞行严重制约于空气侧流和紊流的影响，驾驶难度大，安全性得不到保障。也不能作为民用航空器推广。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器，其可作为民用航空器推广。

为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案：

一种可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器，包括

一机身，所述机身的外形是碟形圆盘形状；

一驾驶舱，所述驾驶舱为圆形，驾驶舱突出于机身的顶部，以便驾机人可以观望周边环境；

一客舱，所述客舱位于机身内且在驾驶舱正下方，客舱（乘机舱）设置了较大的空间，用以搭乘乘客或载物；

一动力舱，所述动力舱设在客舱的外围环形区域中，动力舱上围绕飞行器中心轴均匀分布若干个上下贯通的通道；各通道的上端是环形间断的带导流的吸气口，在各通道里设置发动机，所述发动机通过上口向内吸气，下口向下喷气的方式为飞行器提供飞行动力；

一锥形尾舵，所述锥形尾舵设置在客舱以内的圆形区域，该锥形尾舵连接舵机，根据飞行速度的变化，能够把尾舵的锥尾拉长、缩短或消失，以减小飞行器迅速升空时空气的粘滞力；

一环形翼，所述环形翼设置在动力舱以外的区域，环形翼通过翼缘下突、上翘或隐藏，来改变空气的升力或逆升力，从而实现在飞行过程中升空、降落或平飞；

一飞行控制器，该飞行控制器设置于飞行器上。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，

一、本实用新型公开一种可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器，该飞行器由椭圆形机身、驾驶舱、客舱、动力舱、锥形尾舵、环形翼、飞行控制器等组成，由于机身采用椭圆形碟状构造，是在空气流场中飞行最理想的外形构造，该结构对于气体流场的扰动最小，且飞行过程中空气阻力最小。本实用新型的飞行器外形兼具有多轴螺旋翼动力飞行器所能实现的垂直起降，定高悬停等飞行能力，但较多轴螺旋翼动力飞行器，其飞行姿态几乎不受空气侧流的影响，飞行姿态更稳当可靠；本实用新型飞行器又具有固定翼涵道飞行器所能实现的飞行速度，且飞行能耗远小于现有固定翼涵道飞行器，而且起降不需要跑道辅助，是普及性飞行器必须具有的特质。使得本实用新型获得飞行器所需要的升力、减小飞行器的阻力和提高它的飞行安全性能。

二、本实用新型还公开实用新型人多年对于鸟类飞行的研究结果，并以鸟类飞行姿态为参照，针对本实用新型所述可垂直起降可悬停的环形翼碟形飞行器的空气动力特点，进行鸟类飞行的模仿和改进，从而设计出环形间断的带导流的吸气口、可伸缩的锥形尾舵和环形翼。吸气口允许飞行器从正上方吸气，使得飞行器正上方产生一圆柱形真空负压区域，从而获得向上运动的拉力。在动力舱的通道中间设置发动机，可以根据动力需求通过一系列精确计算，产生可以控制的、持续不断的旋转吸气，并把吸入的空气向飞行器下部喷气孔喷射气流，得到相应的推力。飞行器下部喷气孔靠近客舱以内的圆形区域设置有锥形尾舵，尾舵可以根据飞行速度的变化，能够把尾舵的锥尾按需要拉长、缩短或消失，以减小飞行器迅速升空时空气的粘滞力。椭圆形机身周边设置有可隐身或变形的环形翼，环形翼可根据飞行姿态的需要或隐身，或上翘，或下拉，来配合获得最优飞行能力。

为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型之实施例的飞行器外形示意图。

图2是本实用新型之实施例的飞行器俯视图。

图3是本实用新型之实施例的轴流式涡轮喷气发动机的内部结构图。

图4是本实用新型之实施例的涡轮风扇发动机的内部结构图。

图5是本实用新型之实施例的飞行器鸟类仿生工作原理图。

图6是本实用新型之实施例对鸟类飞行的气流和力学研究图。

图7是本实用新型之实施例对鸟类翅膀结构研究图。

图8是本实用新型之实施例的飞行器垂直运动的运动姿态特性图。

图9是本实用新型之实施例的飞行器俯仰运动的运动姿态特性图。

图10是本实用新型之实施例的飞行器滚转运动的运动姿态特性图。

图11是本实用新型之实施例的飞行器偏航运动的运动姿态特性图。

图12是本实用新型之实施例的飞行器前后运动的运动姿态特性图。

图13是本实用新型之实施例的飞行器侧向运动的运动姿态特性图。

附图标识说明：

10、机身 20、驾驶舱

30、客舱 40、动力舱

41、通道 42、吸气口

43、发动机 50、锥形尾舵

60、环形翼

80、轴流式涡轮喷气发动机 81、第一外筒

82、第一转轴 83、进气室

84、低压压缩机 85、高压压缩机

86、第一燃烧室 87、第一涡轮机

88、排气室 90、涡轮风扇发动机

91、第二外筒 92、第二转轴

93、风扇 94、压气机

95、第二燃烧室 96、第二涡轮机

97、喷管 98、内涵道

99、外涵道。

具体实施方式

请参照图1至图3所示，其显示出了本实用新型之较佳实施例的具体结构，是一种可垂直起降可悬停的环形翼60碟形飞行器，包括机身10、驾驶舱20、客舱30、动力舱40、锥形尾舵50、环形翼60、飞行控制器（图未示出）。

其中，所述机身10的外形是碟形圆盘形状，其纵剖面为一椭圆形结构。

所述驾驶舱20为圆形，驾驶舱20突出于机身10的顶部，以便驾机人可以观望周边环境。

所述客舱30位于机身10内且在驾驶舱20正下方，客舱30可以设置较大的空间，用以搭乘乘客或载物。

所述动力舱40设在客舱30的外围环形区域中，动力舱40上围绕飞行器中心轴均匀分布若干个上下贯通的通道40；各通道40的上端是环形间断的带导流的吸气口42，在各通道40里设置发动机43，所述发动机43通过上口向内吸气，下口向下喷气的方式为飞行器提供飞行动力。

所述锥形尾舵50设置在客舱30以内的圆形区域，该锥形尾舵50连接舵机，根据飞行速度的变化，能够把尾舵的锥尾拉长、缩短或消失，以减小飞行器迅速升空时空气的粘滞力。

以及，所述环形翼60设置在动力舱40以外的区域，环形翼60通过翼缘下突、上翘或隐藏，来改变空气的升力或逆升力，从而实现在飞行过程中升空、降落或平飞。

所述飞行控制器设置于飞行器上，用于控制飞行器动力电池的管理、飞行实时速度管理、为确保驾驭舒适而设定的加速度管理、驾驶舱20与客舱30气压、温度、含氧量参数管理、紧急情况逃生管理。

可根据飞行器的载重以及自身重量，以及用户对飞行器性能的要求情况，设置相应数量的通道40和发动机43，通常可以设置3个或3个以上发动机43。本实用新型专利以设置4个发动机43为例来阐述飞行器结构特性及飞行原理。

本实用新型的动力舱40上的通道40有四条，设置了4个发动机43形成四动力飞行器。本实用新型所述的飞行器，可以配置不同类型的空气喷气式发动机43，从而得到不同的性能和飞行速度，例如可以选用轴流式涡轮喷气发动机80、涡轮风扇发动机90、涡轮轴发动机43（图未示出）。

如图3所示，所述轴流式涡轮喷气发动机80包括第一外筒81、第一转轴82、进气室83、低压压缩机84、高压压缩机85、第一燃烧室86、第一涡轮机87、排气室88，所述第一外筒81从上到下分为5段，第1段的内径大小相同，第2段内径逐渐变小，第3段的内径先变大持续一段距离后再变小，第4段的内径逐渐变大，第5段的内径逐渐变小；所述进气室83设置在第一外筒81的顶部，所述低压压缩机84位于第1段内部，所述高压压缩机85位于第2段内部，所述第一燃烧室86围绕在第一转轴82外并且位于第3段内部，所述第一涡轮机87位于第4段内部，所述排气室88位于第5段内部。

这种轴流式涡轮喷气发动机80完全依赖燃气流产生推力，涡喷气流通道40只有一个，高速的时候效率较高，可以提供高速动力，轴流式涡轮喷气发动机80具有横截面小，压缩比高的优点。当飞行器的飞行速度超过音速后(Ma>1.0)，这种轴流式涡轮喷气发动机80的推进效率迅速提升，即使在马赫数 2.5-3.0 范围下，涡轮喷气发动机43的推进效率仍然可以达到 90%，能够实现（Ma1.4）的超音速巡航。

如图4所示，所述涡轮风扇发动机90包括第二外筒91、第二转轴92、风扇93、压气机94、第二燃烧室95、第二涡轮机96、喷管97，所述第二外筒91具有内涵道98和外涵道99，该内涵道98供发动机43核心部分空气经过，该外涵道99位于内涵道98的外侧，仅有风扇93空气经过；所述第二外筒91的从上到下分为3段，第1段的内径逐渐变小呈喇叭口形状，所述外涵道99从第2段开始延伸到第3段末端，第2段的内径逐渐变大，第3段的内径逐渐变小；所述风扇93设于第1段内，压气机94设置在内涵道98中并且位于第2段的靠上位置，所述第二燃烧室95位于第二转轴92外并且在第2段的中部位置，所述第二涡轮机96位于第2段的靠下位置，所述3段内部形成所述喷管97。

这种涡轮风扇发动机90的首级压气机94的面积较大，同时被用作为空气螺旋桨，将部分吸入的空气通过喷射引擎的外围向后推，发动机43核心部分空气经过内涵道98，仅有风扇93空气经过的核心机外侧部分是外涵道99。

涡扇发动机43的部分燃气热能通过高效率的第二涡轮机96传递给风扇93，由于风扇93的工作效率高，有助于提高发动机43推进功率；同时，也使内涵喷气速度降低，发动机43离速损失减小，也有助于提高发动机43推进效率。所以，涡扇发动机43的总效率高，耗油率低，发动机43经济性好。涡轮风扇发动机90最适合飞行速度400至1000公里时使用。

此外，这种涡轮风扇发动机90是混合排气的高涵道涡扇，由于发动机43内、外涵的喷气速度大大降低，而发动机43喷气噪音强度与喷气速度的八次平方成正比。所以发动机43喷气噪声较低，发动机43总的噪音水平也较低，有效减小了对环境的噪音污染，可以使飞行器变得更加舒适。

本实用新型所述飞行器还可以搭载其它现有不同规格和型号的飞行器动力装置，使其所能展现出完全均异的飞行能力。按实际需要可以在0到800公里/小时的时速空间里，在0到10000米高空之间，根据用户对飞行器性能不同需求，定制不同型号规格的民用个人航空飞行器。

结合图2、图5至图7所示，通过研究鸟类扑翼飞行仿生学，包括研究鸟羽毛的结构如何可以减小飞行中的空气摩擦力、如何感知空气的流动的速度和方向、气压、海拔等，以及研究鸟类翅膀上举和翅膀下压等动作。在鸟类飞行机理的启发下，得到本实用新型之飞行器结构设计方案：环形间断的带导流的吸气口42，从飞行器正上方吸气，使得飞行器正上方产生一圆柱形真空负压区域，从而获得向上运动的拉力（如图5所示）。在动力舱40的通道40中间设置发动机43，可以根据动力需求通过一系列精确计算，产生可以控制的、持续不断的旋转吸气，并把吸入的空气向飞行器下部（近地心一侧）喷气孔喷射气流，得到相应的推力。飞行器下部喷气孔靠近客舱30以内的圆形区域设置有锥形尾舵50，尾舵可以根据飞行速度的变化，能够把尾舵的锥尾按需要拉长、缩短或消失，以减小飞行器迅速升空时空气的粘滞力。椭圆形机身10周边设置有可隐身或变形的环形翼60，环形翼60可根据飞行姿态的需要或隐身，或上翘，或下拉，来配合获得最优飞行能力。

本实用新型之环形翼60蝶形飞行器的飞行控制器是一个集单片机技术、传感器技术、GPS导航技术、通讯技术、飞行控制技术、任务控制技术、编程技术等多技术并依托于硬件的高科技产物。要控制蝶形飞行器实现爬升、悬停、转弯等动作。

具体而言，所述飞行控制器集成和外接了计算单元、导航传感器、无线数传模块、发动机43和舵机控制模块。所述导航传感器包括惯导、地磁、GPS、超声波、激光、气压计、光流、导航相机等等。该发动机43和舵机控制模块分别与发动机43、舵机相连接，所述无线数传模块实现飞行器远程遥控飞行，所述飞行控制器运行有嵌入式系统，并具备传感器数据融合、姿态和位置控制、自主导航、自主飞行、航点管理、故障保护功能。例如，可以选用加拿大Micropilot商业飞控。

如图8至图13所示，本实用新型在四动力飞行器上装有前后、左右、上下3个方向的陀螺仪和3个坐标轴为转轴的加速度传感器组成惯性导航模块，计算出飞行器相对地面的姿态以及加速度、角速度，飞行控制器通过算法，计算出要保持运动状态时所需的旋转力和升力，并通过电子调控器来反馈给发动机43，使得发动机43输出合适的力来完成飞行器相应的动作姿态：

（1）垂直运动

参见图8，可以设置相邻两对发动机43转向相反，这样他们喷射的气流可以平衡其对机身10的反扭矩，当同时增加四个发动机43的输出功率，发动机43输出动力增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四动力飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个发动机43的输出功率，四动力飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动；当外界扰动量为零时，在发动机43产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动

参见图9，第1发动机的输出动力上升，第3发动机的输出动力下降，第2发动机、第4发动机的输出动力保持不变，为了不因为发动机43输出动力的改变引起四动力飞行器整体扭矩及总拉力改变，第1发动机与第3发动机输出动力改变量的大小应相等，由于第1发动机的升力上升，第3发动机的升力下降，产生的不平衡力矩使机身10绕y轴旋转（方向如图9所示），同理，当第1发动机的输出动力下降，第3发动机的输出动力上升，机身10便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动

参见图10，滚转运动与俯仰运动原理相同，滚转运动需改变第2发动机和第4发动机的输出动力，保持第1发动机和第3发动机的输出动力不变，则可使机身10绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动；

（4）偏航运动

参见图11，四动力飞行器偏航运动可以借助发动机43产生的反扭矩和适当的机身10倾斜来实现，发动机43转动过程中，由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个发动机43中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个发动机43转动方向相同。反扭矩的大小与发动机43输出动力有关，当四个发动机43输出动力相同时，四个发动机43产生的反扭矩相互平衡，四动力飞行器不发生转动；当四个发动机43输出动力不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四动力飞行器转动；当第1发动机和第3发动机的输出动力上升，第2发动机和第4发动机的输出动力下降时，第1发动机和第3发动机对机身10的反扭矩大于第2发动机和第4发动机对机身10的反扭矩，机身10便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与第1发动机、第3发动机的转向相反。因为发动机43的总升力不变，飞行器不会发生垂直运动。

（5）前后运动

参见图12，要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力，增加动力第3发动机输出动力，使拉力增大，相应减小动力第1发动机输出动力，使拉力减小，同时保持其它两个发动机43输出动力不变，反扭矩仍然要保持平衡。按照俯仰运动理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使动力发动机43拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图9图10中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

（6）侧向运动

参见图13，由于四动力飞行器结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。