一种长航程大载重涡喷动力载人垂直起降飞行器布局的制作方法

本发明涉及一种长航程大载重涡喷动力载人垂直起降飞行器布局，属于轻型载人垂直起降飞行器气动设计领域。

背景技术：

1、垂直起降轻型载人飞行器是未来空中交通的理想载具平台，该类飞行器可满足狭小空间、复杂地形环境起降，并实现中长距离快速抵达的通勤需求，适用于城市空中通勤、跨湖跨岛飞行、舰船快速登录等场景。

2、从人机姿态同步程度上，现有的垂直起降轻型载人飞行器布局可以分为人机姿态耦合式和人机姿态解耦式。人机姿态耦合式是指在起降和平飞状态下驾驶员与飞行器平台相对姿态不变，均随速度方向或推力方向一同变化，典型的布局有背包式(如新西兰的“马丁喷气背包”)和尾座式(如中国专利号为cn103287576a，申请号为201310199341.1，名称为《一种无尾布局单人尾坐式垂直起降飞行器》的专利中公开的载人垂直起降飞行器布局)。此类布局在起降过程中驾驶员与飞行器均处于竖直状态，而平飞时飞行器与驾驶员均须处于水平或大倾角姿态，垂直起降与平飞状态转化难度较大，对驾驶员操作要求较高；

3、人机姿态解耦式是指在起降和平飞状态下驾驶员姿态可不随飞行器平台姿态而改变，典型的布局有倾转动力式(如申请号为202211178488.8，名称为《一种全自动驾驶单人飞行器》的专利中公开的可倾转机翼载人垂直起降飞行器布局)和组合动力式(如国内cw-100大鹏垂直起降固定翼无人机)，此类布局在起降和平飞过程中通过倾转动力系统或分配升力发动机和推力发动机功率而改变飞行器推力线方向，驾驶员可始终保持竖直状态操纵飞行器，更符合传统人机交互逻辑，对驾驶员操作要求较低。

4、从动力系统形式上，现有的垂直起降轻型载人飞行器布局可以分为螺旋桨动力布局、涵道动力布局和涡喷动力布局。在尺寸规模方面，相同推力需求情况下，螺旋桨与涵道动力系统尺寸更大，相应的飞行器布局尺寸规模更大，而涡喷动力飞行器布局尺寸规模较小。在控制难度方面，螺旋桨动力依靠调节转速、总距、桨盘倾角实现推力大小和方向控制，控制效率最高；涵道动力依靠转速和辅助气动导流板控制，控制效率次之；涡喷动力转速调节效果较差，多采用矢量喷管通过偏转推力方向实现控制，控制效率较低。在经济性方面，螺旋桨和涵道气动推进效率较高，但多采用电池作为能源，电池储能密度较低，电池重量代价大；涡喷发动机气动推进效率较低，但可采用燃油作为能源，燃油储能密度大；随航程航时要求增加，燃油涡喷动力经济型将超过电动螺旋桨/涵道动力布局。

5、从增程增载形式上，现有的垂直起降轻型载人飞行器布局可以分为固定翼增升布局(如中国专利号为cn102785776a，申请号为201210261225.3，名称为《一种可垂直起降固定翼单人飞行器》的专利中公开的载人固定翼垂直起降飞行器布局)和低阻增速布局(如jpa公司的speeder飞行摩托)。固定翼增升布局被广泛应用于旋翼类飞行器的增程布局设计上，通过在飞行器上增加固定机翼在高速巡航时产生气动升力从而降低旋翼功率需求，达到省油目的。这类飞行器布局必须解决起降阶段旋翼与固定翼的不利干扰，以及侧风状态下固定翼对起降稳定性的不利影响。低阻增速布局通过尽可能减少布局外形复杂程度达成低风阻外形以实现高速巡航，多见于采用涡喷动力的飞行器布局。综合两类布局方案，为实现增程增载的目的，其核心是增加气动布局升阻比，同时应兼顾起降稳定性和飞行操纵性。

6、因此，现有垂直起降轻型载人飞行器布局在载荷/航程能力、起降稳定性、控制难度、驾驶体验等方面的设计往往顾此失彼，未见兼顾以上能力性能的垂直起降轻型载人飞行器布局公布。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种长航程大载重涡喷动力载人垂直起降飞行器布局，兼顾大载重/长航程飞行能力、操控性与稳定性，驾驶员与飞行器姿态解耦，驾驶员可利用体感控制飞行器姿态，符合传统人机交互逻辑，对驾驶员操作要求较低。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种长航程大载重涡喷动力载人垂直起降飞行器布局，包括：骑乘座舱、伸缩式变翼展机翼、起落架、涡喷矢量升力发动机舱和涡喷推力发动机及其进排气道；

4、骑乘座舱作为结构主体位于飞行器中央，骑乘座舱底部与伸缩式变翼展机翼连接，骑乘座舱与伸缩式变翼展机翼连接的前后左右四个角垂直布置四个涡喷矢量升力发动机舱，伸缩式变翼展机翼中部沿前后方向水平埋放涡喷推力发动机及其进排气道；涡喷推力发动机及其进排气道两侧设置有起落架；伸缩式变翼展机翼通过伸缩变化兼顾起降稳定性与巡航经济性需求，此外在翼稍增加端板可降低巡航飞行诱导阻力和防止翼尖刮蹭。

5、进一步的，骑乘座舱上表面从前至后的方向集成了控制杆、显示仪表、操作面板、坐垫和靠背；

6、控制杆包括左手控制杆和右手控制杆，左手控制杆控制涡喷矢量升力发动机转速，右手控制杆控制涡喷推力发动机转速，控制杆上集成有锁定转速按钮；

7、显示仪表反馈高度、速度、姿态、导航指令信息；

8、操作面板集成电源开关、涡喷矢量升力发动机启停开关、涡喷推力发动机启停开关、伸缩机翼展收开关；

9、坐垫集成腰部两点式安全带，坐垫后方设置有靠背；

10、骑乘座舱两侧机翼上表面设有脚部固定器。

11、进一步的，骑乘座舱整体采用类摩托型流线低阻造型。

12、进一步的，骑乘座舱内部集成有设备舱、电路系统、燃油贮箱、供油系统。

13、进一步的，伸缩式变翼展机翼内段采用梯形翼，伸缩翼采用刚性嵌套式多级平直翼，伸缩翼包括刚性嵌套式多级平直翼中段和刚性嵌套式多级平直翼外段；

14、梯形翼、刚性嵌套式多级平直翼中段和刚性嵌套式多级平直翼外段依次连接，通过多级液压杆控制刚性嵌套式多级平直翼中段和刚性嵌套式多级平直翼外段逐级运动；

15、翼稍端板与刚性嵌套式多级平直翼外段稍部相连接，并随之伸缩变化，当伸缩式变翼展机翼收起时，翼稍端板与内段梯形翼贴合，用于巡航飞行降低诱导阻力和防止翼尖刮蹭。

16、进一步的，所述伸缩式变翼展机翼的剖面均采用高升力翼型，机翼预置安装角。

17、进一步的，伸缩式变翼展机翼中部下方开设推力涡喷推力发动机进气道，局部外形突起以容纳涡喷推力发动机，涡喷推力发动机喷管延伸至伸缩式变翼展机翼后部。

18、进一步的，涡喷矢量升力发动机舱与骑乘座舱主体结构框架连接，内部集成涡喷发动机、矢量喷管及喷管作动机构。

19、进一步的，起落架采用滑橇式，包括支架和滑橇，支架与骑乘座舱主体结构框架连接，支架自上之下、自前至后间距增大，支架集成降载阻尼器，滑橇刚性结构底部铺设柔性耐磨层。

20、进一步的，骑乘座舱为类摩托开放式座舱，驾驶员以上身前倾坐姿状态骑乘，在垂直起降、空中悬停、高速巡航状态下，驾驶员依靠身体前后左右倾斜带来的重心调整改变飞行器姿态完成前飞、倒飞及左右侧飞动作。

21、进一步的，

22、在起降状态下，伸缩式变翼展机翼收至小翼展状态，适应狭小空间起降条件；

23、在飞行器起降过程和悬停状态下，飞克服飞行器及驾驶员整体重量的升力由涡喷矢量升力发动机舱提供，由发动机矢量喷管控制飞行器姿态稳定；

24、在飞行器爬升至安全高度后，驾驶员操作展开伸缩式变翼展机翼并增大涡喷推力发动机转速，转入平飞模式；

25、在高速巡航过程中，展开的伸缩式变翼展机翼提供升力，降低涡喷矢量升力发动机舱需用功率和油耗，提高飞行器航程；

26、在高速巡航飞行过程中，一方面，驾驶员通过身体侧倾带动飞行器侧倾，使飞行器升力及推力产生向心力完成倾侧转弯；另一方面，驾驶员通过调整发动机矢量喷管差动提供自旋力矩完成自旋转弯；

27、平飞结束后，控制涡喷推力发动机关机，伸缩式变翼展机翼收至最小翼展，转入起降模式，由涡喷矢量升力发动机舱矢量控制增稳降落至目标区域。

28、本发明与现有技术相比的有益效果是：

29、(1)本发明采用涡喷升力发动机组和涡喷推力发动机的组合动力形式，可高效灵活地实现飞行器推力大小及方向的改变，飞行器和驾驶员姿态解耦，飞行器姿态与速度方向解耦，对飞行器控制系统要求较低，驾驶员更容易实现体感控制。

30、(2)本发明采用伸缩式变翼展机翼，可兼顾起降稳定性与巡航经济性，是突破现有垂直起降载人飞行器航程瓶颈的关键技术。

31、(3)本发明动力与结构布局紧凑，机翼收缩状态占地面积仅为1m×0.7m，狭小空间适应性较好；骑乘座舱迎风面积小，外形风阻系数较低，人机气流扰动对机翼气动效率影响较小。

32、(4)本发明使驾驶员可采用类似驾驶摩托车的体感控制操纵飞行器姿态，符合传统人机交互逻辑；矢量升力发动机可辅助进行姿态控制，发挥增稳和超限纠偏的作用，进一步降低驾驶员操作要求，适应性训练成本低。