一种轻型垂直起降飞行器

本发明属于飞行器设计，具体地说是一种轻型垂直起降飞行器。

背景技术：

1、通用飞行器是一种多用途飞行器，轻型通用飞行器在公共交通、旅游观光、农林巡护等领域具有广泛地应用背景。

2、目前轻型通用飞行器大多采用传统的完全依靠推(拉)进式活塞发动机完成任务，这类飞行器安全性高、续航性能好、经济性好，有很丰富的工程应用需求，针对这类飞行器的设计有丰富的理论支撑和工程经验，设计方法相对成熟，易于优化，但是这类飞机的起降过程通常需要百米级的跑道和空旷的环境，对于起降场地的高要求使得这类飞行器在上述领域中不具备可推广性。

3、部分新型飞行器采用多旋翼的布局可以进行垂直起降，电动垂直起降飞行器逐渐称为研究的热点，这类飞行器利用电动旋翼系统可以克服场地的限制，然而这种多旋翼布局的飞行器气动外形受外露旋翼影响巨大，巡航效率大大降低，导致其航程较短，商业用途受限，同时这类新型飞行器构型灵活多样，其设计理论暂时还不完善，完成多种飞行任务的可靠性有待提高。

4、将上述两类飞行器结合进行设计可以克服缺点、兼具优势。在现有的技术中，公开过采用涵道将电动旋翼内埋于机翼或平尾结构内部的技术，相比于外露多旋翼，该技术保证了飞行器良好的气动外形，但由于内埋涵道的数量和大小都受到机体结构大小的限制，电动旋翼系统的总拉力相比于外露旋翼系统大大减小，形成了和起飞重量的矛盾，在载人飞行器的设计上尤为突出。在目前而言，在电动旋翼转速和尺寸受限制的情况下，最好的解决办法就是调整轻型飞行器的外形布局，增加内埋涵道的数量或提高单个涵道位置电动旋翼的拉力，从而增大电动旋翼系统的总拉力。

5、因此研究一种轻型垂直起降飞行器具有重要的工程意义和应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种轻型垂直起降飞行器，该飞行器既能利用常规燃油动力飞行器的气动外形进行巡航飞行、又能利用电动旋翼系统实现垂直起降。

2、本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

3、一种轻型垂直起降飞行器，包括机身、机翼、尾翼、活塞螺旋桨发动机、起落架以及电动旋翼，其特征在于：所述的活塞螺旋桨发动机采用翼吊式布局，该机身由带有涵道的扁平机头段、具有最大高度的机舱段、高度渐低且宽度渐窄的带有涵道的衔接段、具有上翘角的机尾段构成，机翼为矩形翼根段、带有涵道的直角梯形中段、带有涵道的矩形翼稍段构成的三段式分布结构，尾翼为带有涵道的平尾、垂尾构成的倒t型结构；上述的涵道均上下贯通且每个涵道中均布置有单独的电机驱动的电动旋翼，其中扁平机头段、衔接段以及直角梯形中段的涵道中分别布置共轴反转双旋翼。

4、具体来说，所述的电动旋翼包括两类，一类是共轴反转双旋翼，按照涵道厚度安装在扁平机头段、衔接段、直角梯形中段的前部；另一类是常规单旋翼，安装在直角梯形中段的后部、直角梯形中段和矩形翼稍段的衔接部、矩形翼稍段、以及尾翼的水平安定面上，位于机翼和平尾上的旋翼均为对称布置。电动旋翼的类型和尺寸的选择与对应涵道的深度和尺寸相匹配，飞行器上采用的电动旋翼系统为飞行器的上升、下降过程提供升力。

5、所述扁平机头段的涵道中布置有机头共轴反转双旋翼且所述的衔接段的涵道中布置有舱尾共轴反转双旋翼。

6、所述的机翼选择厚度不低于15％的翼型，以使得机翼上具备布置涵道的深度；采用单侧展向三段式机翼来扩大涵道的布置空间，按照此特点可以在机翼上布置八个上下贯通涵道用于安装电动旋翼。

7、所述的机翼实质上由机翼主体和副翼构成，矩形翼根段、直角梯形中段、矩形翼稍段是机翼主体组成结构，副翼设置在矩形翼稍段远离涵道的后缘外侧；在机翼主体部分，矩形翼根段的弦长为矩形翼稍段的弦长的两倍以上，矩形翼根段用于和机身的安装连接，直角梯形中段和矩形翼稍段用于布置涵道。

8、所述的机翼对称分布设置在机身的顶部，矩形翼根段、直角梯形中段、矩形翼稍段的前缘平齐，以便于涵道布置在机翼的最大厚度处；矩形翼根段、矩形翼稍段的后缘由直角梯形中段的梯形斜边过渡连接。

9、所述的机翼上布置有四对对称设置的涵道，其中三对涵道的轴心位于同一条直线上，一对机翼内侧共轴反转双旋翼对称布置在各自对应直角梯形中段的涵道中，在机翼内侧共轴反转双旋翼外侧的直角梯形中段和矩形翼稍段内设有布置机翼中段单旋翼的涵道，在机翼中段单旋翼外侧的矩形翼稍段内设有布置机翼外侧单旋翼的涵道，机翼内侧共轴反转双旋翼、机翼中段单旋翼、机翼外侧单旋翼三者等距设置；在机翼内侧共轴反转双旋翼后侧的直角梯形中段内设有布置机翼后缘单旋翼的涵道。

10、所述的平尾采用厚度为15％及以上的翼型来保证水平安定面上布置的涵道的深度，尾翼上对称布置两个上下贯通的涵道用于安装电动旋翼；两个矩形的平尾对称安装在机尾段上，平尾由水平安定面和升降舵组成，升降舵的后缘位置与机身的尾部平齐，在水平安定面上设有布置平尾单旋翼的涵道，两平尾单旋翼相对机身对称设置；垂直于平尾的垂尾固定安装在机尾段上，垂尾由垂直安定面和方向舵组成，垂直安定面的根部后缘与机身的尾部平齐。

11、基于活塞螺旋桨发动机的发动机系统主要为飞行器的巡航飞行提供动力，安装活塞螺旋桨发动机的发动机吊舱对称安装在机翼两侧，活塞螺旋桨发动机的输出轴水平朝向飞行器前方并与螺旋桨连接，工作过程中的螺旋桨旋转产生向前的拉力等价于飞行器向前运动的推力；为活塞螺旋桨发动机供油的油箱布置在机翼内部且位于机身上方的矩形翼根段内。

12、所述的涵道包括单旋翼涵道，单旋翼涵道的涵道空间由涵道壁围成，单旋翼涵道内上下方的梁结构分别固连电动单旋翼的安装轴，带有锥齿轮的主轴套置在安装轴上并能够相对安装轴转动，安装电机的电机室固定在涵道壁和/或梁结构上且电机室位于单旋翼涵道的下部，电机通过带有锥齿轮的电机驱动轴来驱动主轴旋转，主轴带动其上设置的电动单旋翼旋转。

13、所述的涵道包括双旋翼涵道，双旋翼涵道的涵道空间由涵道壁围成，双旋翼涵道内上下方的梁结构分别固连电动双旋翼的安装轴，带有锥齿轮的主轴套置在安装轴上并能够相对安装轴转动、且带有锥齿轮的套轴套置在主轴上并能够相对主轴转动，安装电机的电机室固定在涵道壁和/或梁结构上且电机室位于双旋翼涵道的中部，电机通过带有锥齿轮的电机驱动轴来驱动主轴和套轴各自旋转，主轴带动其上设置的旋翼旋转且套轴带动其上设置的旋翼旋转，呈相反放置的主轴上的旋翼和套轴上的旋翼反向旋转，从而实现双旋翼的共轴反转。

14、无论是单旋翼结构、还是双旋翼结构，实质上皆是通过相互啮合的锥齿轮组结构实现动力传输。

15、所述涵道的顶部开口和底部开口处分别设有电动遮罩，电动遮罩在电动旋翼工作时打开、在电动旋翼停止工作时关闭。

16、所述的起落架采用前三点式布局，包括前起落架和两个对称设置的主起落架，主起落架具体的结构有与机身连接的起落架支撑结构以及起落架机轮和机轮整流罩。

17、本发明相比现有技术有如下优点：

18、本发明的飞行器在上单翼的翼身布局形式、倒t型的常规尾翼布局、双发翼吊式发动机布局和前三点式起落架布局等常规布局的基础上，通过调整机身、机翼和尾翼的几何外形，增加电动旋翼的安装数量，在部分深度足够的涵道位置安装共轴反转双旋翼，增加电动旋翼拉力，最终使得电动旋翼系统能够提供与全机起飞重量相匹配的升力。

19、本发明的飞行器将常规布局的轻型飞行器与电动旋翼系统结合，兼具巡航性能和起降性能。良好的气动外形和燃油动力系统使其具有同类小型飞行器的优越巡航性能，涵道式电动旋翼系统可以在起降阶段提供充足的升力供其垂直起降，同时在巡航阶段涵道关闭不影响飞行器气动外形。

20、本发明的飞行器克服了电动旋翼拉力不足的缺点，通过增加涵道数量和引入共轴反转双旋翼，解决了电动旋翼系统总拉力与全机总重量之间的矛盾，创造性地在机身上设置涵道的同时兼顾了常规小型飞行器的机身外形，创造性地采用三段式机翼拓展了机体结构上的涵道布置空间，创造性地利用常规尾翼布局在水平安定面上布置涵道的同时兼顾了飞行器的稳定性。

21、本发明的飞行器选用的涵道布局方案能够使电动旋翼系统升力中心接近全机重心位置，利于电动旋翼系统工作过程中的飞行器平衡控制。

22、本发明的飞行器具有良好的滑跑性能，在有充分跑道距离的情况下能够不使用电动旋翼系统执行飞行任务。