一种旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器的制作方法

本发明属垂直起降飞行器，具体涉及一种旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器。

背景技术：

1、垂直起降固定翼飞行器具有对起降场地要求低、机动性好、巡航速度高、航时长等优势，是目前航空领域研究热点。它能够以直升机方式垂直起降，并能以固定翼方式巡航前飞。与传统直升机相比较，垂直起降固定翼飞行器具有前飞速度快、航程远、航时长等显著优势，而与常规固定翼飞行器相比较，垂直起降固定翼飞行器能够定点起降和悬停，对机场跑道没有依赖，任务能力显著增强。

2、随着城市化的发展，城市交通拥堵日益严重，为了缓解交通拥堵问题，垂直起降飞行器成为当今世界研究的热门领域。

3、现有技术中，常见垂直起降飞行器及其具体缺点如下：

4、一、直升机：其缺点在于：高噪音和震动，巡航速度和飞行效率相对较低的，维护成本高，尤其是旋翼系统。

5、二、倾转旋翼飞机：其缺点在于机械复杂性高，例如，旋翼和引擎倾转机构需要精确的控制和维护；转换模式时的飞行控制挑战，即从垂直起飞转换到水平飞行的阶段；成本高昂，因为设计和生产这类飞行器需要高度的专业化技术和材料。

6、三、倾转喷气/风扇vtol：类似于倾转旋翼，倾转喷气/风扇vtol转换模式时的飞行控制挑战；发动机在垂直起降和水平飞行之间工作模式的切换，可能导致效率降低；在低速飞行和悬停时，喷气/风扇产生的热量可能对地面造成损害。

7、四、多旋翼无人机(例如四旋翼无人机)：能量效率低，因为需要不断运转多个旋翼来保持悬停；航程和载重量受限，尤其是电动版本，由于电池能量密度的限制。噪音问题；多个旋翼产生的噪音在密集的居住区可能成为问题。

8、五、evtol(电动垂直起降飞行器)飞行器：电池技术的限制，包括电池重量、能量密度、充电时间和寿命；目前的电力基础设施可能无法满足大规模充电需求；技术和法规尚未成熟，仍在开发和测试阶段。

9、六、混合动力vtol：系统复杂性增加，需要同时管理传统发动机和电动系统；需要额外的空间和重量来容纳两种动力源，可能会影响航程和载重；在某些情况下，燃料效率和排放可能不如全电动vtol。

10、相对直升机而言，固定翼飞机具有飞行效率高、飞行速度快、飞行距离远、系统结构简单、重量轻、成本与使用费低等优点，但固定翼飞行器也有自身不可避免的缺陷，那就是在起飞和降落时需要滑跑或者利用特殊的发射回收装置。从飞行效率的角度来说，采用类似飞机的机翼构件布局更为合理，依托机翼可以更高效地产生足够的升力。

11、倾转旋翼飞机虽然结合了直升机和固定翼飞机优势，但没有完全拥有两者的优势。首先它的悬停稳定性不如单轴或共轴直升机，美国“鱼鹰”飞机多次失事就说明了该缺陷。其次就是它并没有兼具固定翼飞行器的优势，主要原因还是它不够快。因为倾转旋翼飞机的旋翼在设计的时候要兼顾垂直起降、悬停以及前飞能力，因而它在气动设计上比较折中，这就导致它在前飞的时候，旋翼并不能像常规螺旋桨固定翼飞机一样在最优气动条件下运转，因而它的前飞速度和效率还是赶不上常规固定翼飞机。

12、美国opener公司生产的名为blackfly(黑蝇)的evtol，其机翼与八个螺旋桨全部向前朝上倾斜45度，虽然巧妙地去除了复杂的旋翼倾转机构，但其向前飞行的阻力挺大而无法高速飞行，也无法直接使用单台燃油发动机来增加航程，只能用油转电方式。

13、多旋翼垂起尾推固定翼飞行器构型，是在固定机翼下安装多套升力旋翼动力系统的方案。利用多旋翼来起降与控制飞行姿态，但载重不如单轴或共轴直升机，而且在空中巡航时会带来较大的飞行阻力，几个升力旋翼难以隐藏在机体内部。多个升力旋翼就算隐藏了，需要较为复杂的机械机构而不偿失。其动力大多数采用能量密度低的锂电池与无刷电机，如果想采用能量密度高的燃油发动机来增加航程、航速，必须两台或两台以上才行。它的缺点还有航程和速度有限、抗风性能较弱等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器(旋翼隐藏式垂直起降飞行器)，兼具常规直升机和常规固定翼飞机的结构优点。它利用机身顶部的隐藏式主旋翼来实现垂直起降、空中悬停，在空中飞行时再利用尾部或机翼上的涵道风扇或螺旋桨提供强劲地向前推力或拉力。且顶部的主旋翼机构中的“主旋翼”可以隐藏于旋翼收放顶舱机构，飞行时不仅能很好的保护“主旋翼”，还能有效地减少向前飞行阻力故而能高速巡航。如果它利用顶部的主旋翼机构中的“主旋翼”在低空垂直起降时燃油发动机也出现故障了，失去动力的“主旋翼”还可以靠剩余的旋转惯性力而继续自旋着并能减缓下降速度，确保乘客的安全。所述旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器的机体结构紧凑而拥有流线型机身，是一款高航速长航程且安全可靠性超高的垂直起降固定翼飞行器。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器，所述飞行器包括：机身主体、旋翼收放顶舱机构、主旋翼机构、推力式动力机构、副翼驱动装置以及推力式动力机构-主旋翼机构的动力系统；旋翼收放顶舱机构设置在机身主体的上方，用于回收或展开主旋翼机构；主旋翼机构设置在机身主体的上方且能够收纳在旋翼收放顶舱机构中，用于实现飞行器的垂直起降、空中悬停；推力式动力机构安装在机身主体上，用于为飞行器在空中飞行时，提供强劲地向前飞行动力；副翼驱动装置安装在机身主体的尾部和侧翼上，用于辅助飞行器完成俯冲、转弯、爬升飞行动作；推力式动力机构-主旋翼机构的动力系统分别连接推力式动力机构和主旋翼机构，用于给推力式动力机构以及主旋翼机构提供动力。

3、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

4、(1)、所述旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器的动力系统包含两个部分，即旋翼折叠展开机构的动力系统部分和推力式动力机构动力系统部分，由两台动力充沛的燃油发动机来驱动。就算某一台燃油发动机出现故障停止工作，还有另一台燃油发动机胜任工作。当负责垂直起降的旋翼折叠展开机构的动力系统因故障而无法工作，还有负责产生向前飞行的推力式动力机构动力系统，再加上能产生升力的固定机翼来进行滑翔降落，反之亦然。两大动力系统即能相互配合又能独立工作，不存在倾转旋翼飞机在倾转旋翼时发生事故问题。两者的结合不存在技术上难点，都是目前相当成熟的动力系统，且是互为备份的两大飞行安全保障。

5、(2)、所述旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器的动力系统包含两个部分，一个是旋翼折叠展开机构的动力系统部分用于实现垂直起降、空中悬停能力；另一是推力式动力机构动力系统部分用于提供强劲地向前飞行动力。这样既能拥有普通直升机的大载重、垂直起降、空中悬停等优点，又能获得固定翼飞机的速度快，航程远，飞行效率高等优势，能接近完美地拥有两者的优点。在垂直起降时，旋翼折叠展开机构的动力系统部分带动“主旋翼”运动，能像常规直升机一样在最优气动条件下运转，以达到最大起飞重量。在空中飞行时，推力式动力机构动力系统部分带动推力式动力机构运动，又能像常规固定翼飞机那样在最优气动条件下运转，以达到最高飞行速度。

6、(3)所述旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器中，主旋翼机构比推力式动力机构动力结构复杂发生故障概率相对较高。其在空中飞行时能得到“固定机翼”的升力加持，整体尺寸很小的推力或拉力系统就可以满足飞行需求，因而故障率相对较低但工作时间很长。整体尺寸偏大的“主旋翼”升力系统在垂直起降时需要承担整个飞行器的重量，故而故障率相对较高但工作时间很短。这样一低一高、一长一短的工作状态，能巧妙地大大降低了两大动力系统的故障率并进一步保障了飞行安全。“涵道风扇”或“螺旋桨”动力系统还可以采用多个“涵道风扇”或“螺旋桨”作为备份，来提高安全性能。虽然“主旋翼”动力系统无法多采用一套“主旋翼”作为备份，但“主旋翼”机械结构简单而且工作时间很短，出现故障的概率非常小，这个问题可在地面多做维护保养和飞行前必要检查即可解决。好在该“主旋翼”动力系统工作时，飞行器起飞降落或悬停的飞行高度不会太高，一般在十多米的高度，失去动力的“主旋翼”还可以靠剩余的旋转惯性力而继续自旋着并能减缓下降速度，从而保障了乘客的安全。

7、(4)所述旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器中的主旋翼机构能够收纳于机体内部，能让飞行器拥有了简洁地流线型机身故而具有更远的航程和更快的速度。

8、(5)现有技术中，无论哪种垂直起降构型方案，只要是完全依靠发动机推力来提供上升力，就要求飞行器动力推力与重量之比(推重比)至少大于1；而在固定翼飞行模式下，需用推重比一般在0.1～0.3左右，这导致两种飞行模式的需用推力(发动机需用功率)相差近5倍。本发明所述的旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器在空中巡航时，利用“大马拉小车”式大功率燃油发动机去驱动大推力“涵道风扇”(或者直接换成两台航空涡喷发动机)的推动下，能够进一步的提高飞行器的飞行速度。当然，在条件允许的情况下，该飞行器也可以进行短距起飞以增加航程。

9、(6)、本发明的主旋翼机构中的“主旋翼”选择的桨叶采用高剪力短宽比桨叶，相对较短的桨叶长度有助于减少桨叶的质量和惯性，提高旋转效率和响应性。同时，较宽的桨叶可以提供更大的扑力面积，增加升力产生的能力，在保证能产生足够升力的前提下，其长度不会超过左右两侧的固定机翼和机体尾端，最多只超出了机体头部一点点。在该飞行器垂直起降时，高速旋转的“主旋翼”对周边的人员安全威胁降到了最小。

10、(7)、本发明的推力式动力机构，推力式动力机构中的“涵道风扇”或“螺旋桨”的尺寸相对主旋翼机构中的“主旋翼”来说较小，进而飞行器的噪音也相对较小，可以在城市上空飞行而不会扰民。只是在出发地或目的地使用尺寸较大“主旋翼”时，此时的噪音相对很大，好在“主旋翼”工作时间较短，因此“主旋翼”旋转带来的噪音产生的时间也很短。而其它垂直起降飞行器方案就没有这个好处，它们在整个飞行过程中都会产生较大的噪音。

11、(8)、在高速巡航时，该旋翼隐藏式垂直起降固定翼飞行器顶部的旋翼收放顶舱机构53，能很好地保护主旋翼机构，以及把推力式动力机构中的“涵道风扇”或“螺旋桨”安装在尾部，是为了免受鸟类撞击等风险。此外左右两侧机翼上多安装两个推力“螺旋桨”，也是为了有多余动力以提高安全性能，有效地降低了飞行时出现故障的风险。