航空器垂直起降的升力装置、飞行器及固定翼航空器的制作方法

1.本实用新型涉及航空器与无人机领域，具体地，涉及航空器垂直起降的升力装置、飞行器及固定翼航空器。


背景技术：

2.直升机作为一种可垂直起降、悬停和低空慢速飞行的航空器，在国防上的用途和重要性无需多说，在抢险救灾、医疗救护、治安巡防、消防救生以及工程建设中发挥着重要作用。近年来随着电子技术的发展，使用和传统的直升机同样升力原理的小型多旋翼无人机更是得到了飞速发展，从儿童玩具到摄影录像、小物件投送等，渗透到了生产和生活的方方面面。
3.无论是传统的真正意义上的直升机还是小型旋翼式无人机，其升力和前进的动力都来源于旋翼，靠发动机的动力通过传输装置驱动螺旋桨(旋翼)高速旋转而产生升力，升力作用于叶片上，并通过传动轴作用到机体上。简单说来，飞行状态下直升机的机体是通过传动轴悬挂在旋翼上的，可形象地描述为“命悬一轴”，而旋翼和传动轴同时还在高速转动，旋翼和传动轴不仅要承受巨大的扭矩，同时还要承受机体和载荷的重量，不仅增加了制造和维修保养难度，也对直升机的安全性和可靠性提出了挑战，但目前尚未见到更好的设计。
4.另一方面，垂直起降也是固定翼航空器的理想的起降方式，经过数十年的研究和实践，世界上虽然开发出了几种不同升力类型的具有垂直起降功能的固定翼飞机，但是，应用最多和最成功的是把固定翼飞机和旋翼式直升机相结合，以直升机的形式起飞，到一定高度后转换成固定翼飞机，而这个转换过程对机械性能和操作人员的经验要求都非常高，而且事故时有发生。
5.经检索发现申请号为cn201811274291.8的中国专利，公开了一种垂直起降飞机，属于飞行器技术领域，包括机身、机翼、换向升力装置、垂直升力装置、转向螺旋桨、雪橇式起落架。机身内设有主控器，主控器与换向升力装置、垂直升力装置及转向螺旋桨相连接；机翼采用后掠翼式；换向升力装置位于机身前端，在主控器的控制下能够进行多角度转向，为飞机提供垂直方向的升力或前进的拉力，同时还能通过改变拉力的方向来改变飞机的航向；垂直升力装置采用电机带动桨叶转动的形式为飞机提供向上的升力，垂直升力装置通过支撑杆固定在机翼的后缘上。垂直升力装置(4)包括四个带有螺旋桨的电机，四个电机通过支撑杆固定在机翼(2)后缘上，四个电机的桨叶在同一水平面上，靠近机翼(2)翼尖部位的两个电机的转向相反，靠近机身(1)的两个电机的转向相反，在机身(1)同一侧的电机转向相反；四个电机相互抵消了扭矩，使得飞机能够平稳的进行垂直升降；飞机通过主控器控制垂直升力装置(4)的电机转速来改变飞机的俯仰，当增大垂直升力装置(4)的四个电机转速时，机身(1)尾部的升力大于机翼(2)的升力，使得飞机机头朝下，当降低垂直升力装置(4)的电机转速时，机身(1)尾部的升力小于机翼(2)的升力，飞机机头朝上；飞机还能通过主控器控制机身(1)两侧的垂直升力装置(4)的电机的转速差来控制飞机进行侧向滚转；当位于机身(1)左侧的垂直升力装置(4)的两个电机转速大于机身(1)右侧的两个电机时，飞
机向右滚转；当位于机身(1)左侧的垂直升力装置(4)的两个电机转速小于机身(1)右侧的两个电机时，飞机向左滚转。但是上述专利的垂直升力装置存在以下不足：上述升力装置仍然是基于螺旋桨工作原理，升力直接作用在螺旋桨叶片上，然后通过传动轴传递到机体上，无论结构还是产生升力的方式都类似于已有的旋翼式直升机。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供航空器垂直起降的升力装置、飞行器及固定翼航空器。
7.本实用新型第一个方面为提供一种航空器垂直起降的升力装置，包括：
8.支撑部件；
9.设置于所述支撑部件上方的离心叶轮；
10.设置于所述支撑部件下方的动力装置，所述动力装置与所述离心叶轮通过传动轴连接，所述动力装置通过所述传动轴驱动所述离心叶轮进行旋转，使所述支撑部件上方的空气被所述离心叶轮的叶片推向所述支撑部件外围，在所述支撑部件上方形成负压区，从而在所述支撑部件上产生向上的升力，构成升力的第一部分；
11.设置于所述支撑部件外围的导向罩，所述导向罩的内壁与所述支撑部件的外壁通过连接件连接；被所述离心叶轮推向所述支撑部件外围的空气形成气流并以水平方向射向所述导向罩内壁上，通过所述导向罩改变所述气流的方向，使其向正下方喷射，从而在所述导向罩上产生向上的反作用力，构成升力的第二部分。
12.优选地，所述支撑部件为圆盘形部件，所述圆盘形部件设有用于穿过所述传动轴的中心通孔，所述传动轴能绕其轴向转动。
13.优选地，所述连接件为条形部件，所述条形部件沿所述圆盘形部件的周向均匀分布于所述圆盘形部件的外壁上，且所述条形部件沿所述圆盘形部件的外壁向外延伸，使所述圆盘形部件的外壁与所述导向罩的内壁之间留有间隙，为气流向下喷射提供通道，使气流通过间隙向下喷射。
14.优选地，所述连接件的数量为4个。
15.优选地，所述导向罩为圆台型部件，所述圆台型部件的侧面与底面的夹角为45
°
。
16.优选地，所述圆台型部件的侧壁上设有缺口，所述缺口为气流的侧喷口，使部分气流通过所述侧喷口向侧方喷出；
17.所述侧喷口上设有导向板，且所述导向板能覆盖整个所述侧喷口；通过控制所述导向板的开启角度，从而调节侧喷气流的大小与方向，改变气流喷射方向以产生与驱动扭矩相反方向的扭矩，从而平衡驱动扭矩以使整个升力装置保持扭矩平衡。
18.优选地，所述圆台型部件设有两个相对称的缺口；每个所述缺口上的导向板可独立控制其开启角度。
19.优选地，所述导向板为板状部件，所述板状部件的一侧与所述侧喷口的一侧转动连接，所述板状部件另一侧为自由端，可绕所述板状部件的一侧转动。
20.本实用新型第二个方面为提供一种观光用碟形飞行器，包括所述的航空器垂直起降的升力装置；
21.用于容纳乘客的观光舱，所述观光舱设置于所述升力装置的支撑部件的下方；
22.设置于所述观光舱下方的机械舱，所述机械舱用于安装所述升力装置的动力装置及存放所需物资；
23.设置于所述机械舱底部的起落架。
24.本实用新型第三个方面为提供一种固定翼航空器，包括所述的航空器垂直起降的升力装置；机体的左机翼、右机翼、左水平尾翼和右水平尾翼上均设置所述升力装置。
25.本实用新型上述升力装置的工作原理如下：动力装置通过传动轴驱动离心叶轮旋转，支撑部件上方的空气被高速旋转的离心叶轮的叶片推向支撑部件外围，在支撑部件上方形成负压区，由于支撑部件下方空气压力高于支撑部件上方的空气压力而在支撑部件上产生向上的升力，同时，被旋转的离心叶轮推向支撑部件外围的空气形成气流水平射向导向罩，而当气流射向导向罩后会改变方向，向正下方喷射，从而在导向罩上产生向上的反作用力，因此，整个升力装置产生的升力由两部分构成：第一部分是由升力圆盘上下方气压差产生的升力，第二部分是由向下喷射气流形成的向上的反作用力。
26.与现有技术相比，本实用新型具有如下至少一种的有益效果：
27.本实用新型上述升力装置，通过结构改进，使离心叶轮和传动轴仅负责把支撑部件上方的空气推向升力圆盘外围，而离心叶轮和传动轴自身不承受升力，使升力施加在支撑部件和导向罩两个非运动部件上，改善了传统的旋翼式航空器飞行时机体通过高速旋转的传动轴悬挂在桨叶上这种“命悬一轴”的缺点，极大地改善了传动轴的受力状态，提高了飞行器的安全性。
28.本实用新型上述升力装置，用于航空器垂直起降，可使升力直接作用在机体上，传动轴仅驱动叶片转动，不再承受机体和载荷的重量，极大地提高直升机和旋翼式无人机的安全性和可靠性，并可应用于固定翼飞机的垂直起降，更宽地拓展直升机、固定翼飞机和无人机的应用场景。
29.本实用新型上述升力装置，结构简单，可靠性高。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1是本实用新型一优选实施例的航空器垂直起降的升力装置的俯视图；
32.图2是本实用新型一优选实施例的航空器垂直起降的升力装置的侧视图；
33.图3是本实用新型一优选实施例的航空器垂直起降的升力装置的爆炸图；
34.图4是本实用新型一优选实施例的观光用碟形飞行器的结构示意图；
35.图5是本实用新型一优选实施例的升力装置用于固定翼飞机垂直起降的结构示意图；
36.图中标记分别表示为：1为离心叶轮、2为传动轴、3为动力装置、4为圆盘形部件、5为连接件、6为导向罩、7为侧喷口、8为导向板、101为观光舱、102为机械舱、103为轮子、201为机体、202为机翼、203为水平尾翼、204为第一升力装置、205为第二升力装置、206为第三升力装置、207为第四升力装置。
具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
38.实施例1
39.参照图1所示，本实施例提供一种航空器垂直起降的升力装置，图中包括：支撑部件、离心叶轮1、动力装置3和导向罩6。
40.离心叶轮1安装于支撑部件上方。离心叶轮1在动力装置3的驱动下进行旋转，离心叶轮1的叶片转动推动空气从支撑部件中心向外围运动。
41.动力装置3是整个升力装置的动力模块，为驱动离心叶轮1旋转提供动力。动力装置3可以为电机。参照图2所示，动力装置3安装于支撑部件下方，并固定在机体201(飞行器)上。动力装置3与离心叶轮1通过传动轴2连接，动力装置3通过传动轴2驱动离心叶轮1进行旋转，支撑部件上方的空气被旋转的离心叶轮1推向支撑部件外围，在支撑部件上方形成负压区，由于支撑部件下方空气压力高于支撑部件上方的空气压力，从而在支撑部件上产生向上的升力，构成升力的第一部分；同时，被转的离心叶轮1推向支撑部件外围的空气形成气流，气流水平射向导向罩6。
42.结合图1及图3所示，导向罩6设置于支撑部件外围，导向罩6的内壁与支撑部件的外壁通过连接件5连接为一整体；被离心叶轮1推向支撑部件外围的空气形成气流水平射向导向罩6，通过导向罩6改变气流的方向，使其向正下方喷射，从而在导向罩6上产生向上的反作用力，构成升力的第二部分。作为一优选方式，导向罩6为圆台型部件，圆台型部件的侧面与底面的夹角为45
°
，当夹角为45
°
时，使水平方向射向导向罩6的气流的方向改变为垂直向下。
43.上述升力装置的离心叶轮1仅负责把支撑部件上方的空气推向支撑部件外围，不承受升力，而升力施加在支撑部件和导向罩6两个非运动部件上。因此，将上述升力装置用于为航空器的垂直起降提供升力时，可使升力直接作用在航空器的机体201上，传动轴2仅驱动叶片转动，不再承受机体201和载荷的重量，将会极大地提高直升机和旋翼式无人机的安全性和可靠性。可将升力装置应用于固定翼飞机的垂直起降，更宽地拓展直升机、固定翼飞机和无人机的应用场景。
44.在其他部分优选实施例中，参照图1所示，支撑部件为圆盘形部件4，圆盘形部件4设有用于穿过传动轴2的中心通孔，且中心通孔贯通圆盘形部件4的厚度方向。传动轴2能绕其轴向转动。将传动轴2的上端与连接位于圆盘形部件4上方的离心叶轮1连接，将传动轴2的下端与位于圆盘形部件4下方的动力装置3连接。
45.在其他部分优选实施例中，参照图1所示，连接件5沿圆盘形部件4的周向均匀分布于的其外壁上，且连接件5沿圆盘形部件4的外壁向外延伸，使圆盘形部件4的外壁与导向罩6的内壁之间留有间隙。导向罩6内壁与圆盘形部件4之间的间隙为气流向下喷射提供通道，使气流通过间隙向下喷射。作为一优选方式，连接件5的数量为4个。连接件5可以为条状部件。
46.在其他部分优选实施例中，导向罩6为带有缺口的圆台型部件，缺口为气流的侧喷
口7，使部分气流通过侧喷口7向侧方喷出。
47.侧喷口7上设有导向板8，且导向板8能覆盖整个侧喷口7；通过控制导向板8的开启角度，从而调节侧喷气流的大小与方向，通过改变气流喷射方向以产生与驱动扭矩相反方向的扭矩，从而平衡驱动扭矩以使整个升力装置保持扭矩平衡。
48.在具体实施时，在圆台形部件上的侧喷口7可根据具体情况设置：当只用一个升力装置的时候，在圆台形部件上必须设置侧喷口7；当一个飞行器用两台升力装置，则可以通过两个升力装置的叶轮反向旋转取得扭矩平衡。侧喷口7的数量可根据实际需求调整。
49.在其他部分优选实施例中，圆台型部件设有两个相对称的缺口，每个缺口上的导向板8可以独立控制。
50.在其他部分优选实施例中，导向板8为板状部件，板状部件的一侧与侧喷口7的一侧转动连接，板状部件另一侧为自由端，可绕板状部件的一侧转动。
51.实施例2
52.参照图4所示，本实施例提供一种观光用碟形飞行器，包括航空器垂直起降的升力装置、观光舱101、机械舱102和起落架。
53.在导向罩6的左右两侧各有一个侧喷口，通过控制导向板8的开启角度和方向，在平衡叶轮扭矩的同时，为碟形飞行器移动提供动力。
54.用于容纳乘客(游客)的观光舱101，观光舱101设置于升力装置的支撑部件的下方。升力装置的圆盘形部件4、离心叶轮1和导向罩6位于观光舱101的上方，将圆盘形部件4安装观光舱101顶部，可作为观光舱101的顶部封板。观光舱101可以为四周用透明材质制造的顶部为敞口式的圆柱形空间，将传动轴2自下而上穿过观光舱101的中心轴线。游客可以在观光舱101内透过透明的外壁观看四周风景。
55.机械舱102设置在观光舱101的下部，机械舱102为近似于半椭球状的空间，用以安装动力装置3以及存放其他所需物资。机械舱102底部设有起落架。起落架是碟形飞行器在地面时的支撑和移动系统。起落架可以由3个轮子103和连接部件构成，其作用是在碟形飞行器降落到地面上时为飞行器提供支撑，同时带动飞行器在地面上移动。
56.实施例3
57.参照图5所示，本实施例提供一种固定翼航空器，图中包括四个航空器垂直起降的升力装置(即第一升力装置204、第二升力装置205、第三升力装置206和第四升力装置207)，为固定翼航空器的垂直起降提供升力。在机体201的两个机翼202、两个水平尾翼203上分别安装第一升力装置204、第二升力装置205、第三升力装置206、第四升力装置207。在固定翼航空器起飞和降落时，通过调节4台升力装置的升力，使固定翼航空器平稳升起或落下。
58.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质。