具有倾斜翼配置的垂直起降飞机制造技术

本公开涉及自导航、电动的垂直起降(VTOL)飞机，其在相对长的航程内针对载货和载客的应用的操作是安全的、低噪音的和具有成本效益的。VTOL飞机具有串翼配置，其中一个或多个推进器安装在每个机翼上以提供推进器冗余性，允许在任何推进器或其他飞行控制设备发生故障的情况下保持足够的推进和控制。该布置还允许推进器是电动的，但能够以相对低的叶片速度提供足够的推力，这有助于降低噪音。此外，当飞机在向前飞行和悬停飞行之间转换时，每个机翼设计成倾斜，从而使推进器旋转。当在悬停飞行中时，推进器可以从垂直方向偏移，使得推进器的水平推力分量可以用于提供高效的偏航控制。

Vertical takeoff and landing aircraft with inclined wing configuration

The present disclosure relates to self-navigation, electric vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft, whose operation for cargo and passenger applications during relatively long voyages is safe, low noise and cost-effective. VTOL aircraft has a tandem wing configuration, in which one or more thrusters are mounted on each wing to provide thruster redundancy, allowing sufficient propulsion and control to be maintained in the event of failure of any thruster or other flight control equipment. The arrangement also allows the propeller to be electrically operated, but to provide sufficient thrust at relatively low blade speeds, which helps to reduce noise. In addition, when the aircraft is switched between forward flight and hovering flight, each wing is designed to tilt so that the propeller rotates. In hovering flight, the propeller can be offset from the vertical direction, so that the horizontal thrust component of the propeller can be used to provide efficient yaw control.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有倾斜翼配置的垂直起降飞机相关专利申请的交叉引用本申请要求2016年5月18日提交的且题为“VerticalTakeoffandLandingAircraftwithTilted-WingConfigurations”的美国临时申请No.62/338,273的优先权，通过引用将其并入本文中。本申请还要求2016年5月18日提交的且题为“AutonomousAircraftforPassengerorCargoTransportation”的美国临时申请No.62/338,294的优先权，通过引用将其并入本文中。
技术介绍
垂直起降(VTOL)飞机相较需要跑道的其他类型的飞机提供各种优点。但是，VTOL飞机的设计可能很复杂，使得设计用于承载乘客或货物的成本效益好和安全的VTOL飞机具有挑战性。作为示例，直升机是已经常规地被用于运输乘客和货物的常见VTOL飞机。一般说来，直升机使用大旋翼来产生提升力和先前推力,需要旋翼的高速操作。旋翼的设计可能很复杂，并且旋翼的故障可能是灾难性的。此外，大旋翼的高速操作产生大量噪音，噪音可能成为妨害并且潜在地限制直升机被准许进行操作的地理区域。直升机的制造和操作还是昂贵的，需要大量的燃料、维护和熟练飞行员的服务。由于常规直升机的弊端和成本，电力驱动的VTOL飞机(例如电动直升机和无人飞机(UAV))已经被考虑用于某些乘客承载和货物承载应用。使用电力来产生推力和提升力可以帮助在一定程度上降低噪音，但是设计能够容纳许多应用(包括运输乘客或货物)所需的重量而不过度地限制飞机的航程的电动VTOL飞机已经证明具有挑战性。另外，如果VTOL飞机可以被设计为自导航，无需人类飞行员的服务，则可以降低操作花费。但是，安全性是最重要的问题，并且许多消费者由于安全性原因而害怕自导航飞机。迄今，在现有技术中存在对于自导航、电力驱动的VTOL飞机未解决的需要，其安全、低噪音并且在相对长的航程上对于货物承载和乘客承载的操作成本效益高。附图说明参考以下附图可以更好地理解本公开。附图中的元件没有必要相对彼此按规定比例，而是重点在于清楚地示出本公开的原理。图1描绘了根据本公开的一些实施例的自导航VTOL飞机的透视图。图2A描绘了具有用于控制侧滚和俯仰而被致动的飞行控制表面的自导航VTOL飞机(例如图1描绘的自导航VTOL飞机)的前视图。图2B描绘了自导航VTOL飞机(例如图2A描绘的自导航VTOL飞机)的透视图。图3是示意了VTOL飞机(例如图1描绘的VTOL飞机)的各种部件的框图。图4是示意了根据本公开的一些实施例的飞行控制致动系统(例如图3描绘的飞行控制致动系统)的框图。图5描绘了根据本公开的一些实施例的自导航VTOL飞机(例如图1描绘的自导航VTOL飞机)的透视图。图6描绘了自导航VTOL飞机(例如图5描绘的自导航VTOL飞机)的顶视图，其处于悬停配置，其中机翼倾斜成使得来自机翼安装的推进器的推力大致垂直。图7描绘了根据本公开的一些实施例的在向前飞行配置和悬停配置之间转换的自导航VTOL飞机(例如图1描绘的自导航VTOL飞机)的透视图。图8描绘了根据本公开的一些实施例的用于自导航VTOL飞机(例如图1描绘的自导航VTOL飞机)的机翼的侧视图。图9描绘了图8的机翼在机翼旋转之后的侧视图。图10描绘了根据本公开的一些实施例的自导航VTOL飞机(例如图1描绘的自导航VTOL飞机)的透视图。图11描绘了根据本公开的一些实施例的自导航VTOL飞机(例如图10描绘的自导航VTOL飞机)的透视图。图12描绘了根据本公开的一些实施例的自导航VTOL飞机(例如图5描绘的自导航VTOL飞机)的侧视图。图13描绘了根据本公开的一些实施例的处于悬停配置的自导航VTOL飞机的顶视图。具体实施例本公开总体上涉及具有倾斜机翼配置的垂直起降(VTOL)飞机。根据本公开一些实施例的自导航、电动、VTOL飞机具有串翼配置，其中一个或多个推进器被安装在提供推进器冗余性的布置中的每个机翼上，允许在一个或多个推进器或其他飞行控制设备发生故障的情况下保持足够的推进和控制。该布置还允许推进器被电力驱动，同时能够以相对低的桨叶速度提供充足的推力，这具有与减少噪音。此外，每个机翼被设置为倾斜，从而在飞机在向前飞行配置和悬停配置之间转换时使推进器旋转。就这方面而言，对于向前飞行配置，推进器被定位成提供向前推力而同时吹动机翼上方的空气以便改善机翼的提升特性(例如，升阻比)并且还有助于保持机翼动力学大致线性，从而降低失速的可能性。对于悬停配置，使机翼倾斜以便将推进器定位成提供向上推力以控制飞机的垂直运动。当处于悬停配置时，机翼和推进器可以从垂直方向偏移以提供高效的偏航控制。特别地，在悬停配置中，推进器可以稍微从垂直方向偏移，以便生成可以用于引起绕偏航轴线的运动的水平推力分量，这可能是所期望的。机翼还可以具有可运动飞行控制表面，可以调整该可运动飞行控制表面以重取向来自推进器的气流从而在悬停配置中提供附加的偏航控制。这些相同的飞行控制表面可以用于在向前飞行配置中提供俯仰和侧滚控制。在从悬停配置到向前飞行配置的转换期间，可以调整机翼的倾斜以保持机翼大致与飞机的飞行路径对准，以进一步帮助保持机翼的动态力学线性并且防止失速。因此，可以实现具有提高的安全性和性能的自导航、电动、VTOL飞机。使用本文描述的配置，可以设计安全且低噪音的自导航、电动、VTOL飞机。根据本申请的教导所设计的示例性飞机可以具有小的占用空间(例如，约11米的尖端到尖端的翼展)和质量(例如，约600千克)并且能够以90节的速度在多达80千米的航程上支持约100千克的有效载荷。另外，这样的飞机可以被设计为产生相对低的噪音量，例如当飞机处于约100英尺高度时在地面测量的约61分贝的噪音。相同或相似设计可以用于其他大小、重量和性能特性的飞机。图1描绘了根据本公开的一些实施例的VTOL飞机20。飞机20是自主或自导航的，原因在于其能够在电子控制器的指令下空运乘客或货物到选择的目的地而无需人类飞行员的辅助。当在本文中使用时，“自主”和“自导航”同义并且将会被可互换地使用。另外，飞机20被电力驱动，从而有助于降低操作成本。可以设想提供电能的任何常规方式。如果期望，可以对飞机进行配置以给乘客提供飞行控制以使得乘客可以至少临时地导航飞机而不是唯一地依赖于控制器进行的自导航。如图1所示，飞机20具有串翼配置，具有靠近机身33的后部安装的一对后翼25、26和一对前翼27、28，前翼还可以称为前置翼(canard)，其靠近机身33的前部安装。每个机翼25-28具有弯度并且当空气在机翼表面上方流动时生成提升力(在y方向上)。后翼25、26安装得比前翼27、28高以便将它们保持于前翼27、28的尾流之外。在串翼配置中，飞机20的重心位于后翼25、26和前翼27、28之间以使得在向前飞行中由来自后翼25、26的提升力生成的力矩抵消由来自前翼27、28的提升力生成的力矩。这样，飞机20能够在不需要水平稳定器的情况下实现俯仰稳定性，否则水平稳定器将生成在向下方向上的提升力，从而不高效地抵消机翼生成的提升力。在一些实施例中，后翼25、26具有与前翼27、28相同的翼展、展弦比和平均翼弦，但是在其他实施例中，机翼的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自导航的电动垂直起降(VTOL)飞机，包括：机身，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第一后翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第一侧上；第二后翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第二侧上；第一前翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第一侧上；第二前翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第二侧上；第一推进器，耦接到所述第一前翼并定位成在所述第一前翼上方吹气；第二推进器，耦接到所述第二前翼并定位成在所述第二前翼上方吹气；第三推进器，耦接到所述第一后翼并定位成在所述第一后翼上方吹气；第四推进器，耦接到所述第二后翼并定位成在所述第二后翼上方吹气；和控制器，被配置成使每个机翼相对于所述机身从向前飞行位置旋转到悬停位置，其中，当所述第一前翼处于其相应的悬停位置时，所述第一推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第一推进器的第一水平推力分量，其中，当所述第二前翼处于其相应的悬停位置时，所述第二推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第二推进器的第二水平推力分量，其中，当所述第一后翼处于其相应的悬停位置时，所述第三推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第三推进器的第三水平推力分量，其中，当所述第二后翼处于其相应的悬停位置时，所述第四推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第四推进器的第四水平推力分量，其中，所述控制器被配置成通过调整所述第一推进器、第二推进器、第三推进器和第四推进器的推力，使得水平推力分量引起进行悬停飞行的所述飞机的偏航运动，以此来控制所述飞机的偏航。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.18 US 62/338,273;2016.05.18 US 62/338,2941.一种自导航的电动垂直起降(VTOL)飞机，包括：机身，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；第一后翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第一侧上；第二后翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第二侧上；第一前翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第一侧上；第二前翼，能够相对于所述机身旋转并定位于所述机身的所述第二侧上；第一推进器，耦接到所述第一前翼并定位成在所述第一前翼上方吹气；第二推进器，耦接到所述第二前翼并定位成在所述第二前翼上方吹气；第三推进器，耦接到所述第一后翼并定位成在所述第一后翼上方吹气；第四推进器，耦接到所述第二后翼并定位成在所述第二后翼上方吹气；和控制器，被配置成使每个机翼相对于所述机身从向前飞行位置旋转到悬停位置，其中，当所述第一前翼处于其相应的悬停位置时，所述第一推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第一推进器的第一水平推力分量，其中，当所述第二前翼处于其相应的悬停位置时，所述第二推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第二推进器的第二水平推力分量，其中，当所述第一后翼处于其相应的悬停位置时，所述第三推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第三推进器的第三水平推力分量，其中，当所述第二后翼处于其相应的悬停位置时，所述第四推进器的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第四推进器的第四水平推力分量，其中，所述控制器被配置成通过调整所述第一推进器、第二推进器、第三推进器和第四推进器的推力，使得水平推力分量引起进行悬停飞行的所述飞机的偏航运动，以此来控制所述飞机的偏航。2.根据权利要求1所述的飞机，其中，当每个机翼处于其相应的悬停位置时，所述第一水平推力分量和所述第二水平推力分量抵消所述第三水平推力分量和所述第四水平推力分量。3.根据权利要求1所述的飞机，其中，所述第一推进器翼尖安装在所述第一前翼上，并且其中，所述第二推进器翼尖安装在所述第二前翼上。4.根据权利要求1所述的飞机，还包括：第五推进器，耦接到所述第一前翼并定位成在所述第一前翼上方吹气；第六推进器，耦接到所述第二前翼并定位成在所述第二前翼上方吹气；第七推进器，耦接到所述第一后翼并定位成在所述第一后翼上方吹气；和第八推进器，耦接到所述第二后翼并定位成在所述第二后翼上方吹气。5.根据权利要求1所述的飞机，其中，所述第一前翼具有第一可移动飞行控制表面，其中，所述第二前翼具有第二可移动飞行控制表面，其中，所述第一后翼具有第三可移动飞行控制表面，其中，所述第二后翼具有第四可移动飞行控制表面，并且其中，所述控制器被配置成调节每个可移动飞行控制表面以控制进行悬停飞行的飞机的偏航运动。6.根据权利要求5所述的飞机，其中，所述控制器被配置成调整所述可移动飞行控制表面中的至少一个，以在向前飞行期间控制所述飞机的俯仰或侧滚。7.一种垂直起降(VTOL)飞机，包括：机身；多个机翼，以串翼配置耦接到所述机身，所述多个机翼包括能够相对于所述机身旋转的至少一个后翼和能够相对于所述机身旋转的至少一个前翼；第一推进设备，耦接到所述前翼；第二推进设备，耦接到所述后翼；和控制器，被配置为使所述前翼相对于所述机身从用于向前飞行的第一位置旋转到用于悬停飞行的第二位置，其中，当所述前翼处于所述第二位置时，所述第一推进设备的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第一推进设备的第一水平推力分量，所述控制器还被配置为使所述后翼相对于机身从用于向前飞行的第三位置旋转到用于悬停飞行的第四位置，其中，当所述后翼处于所述第四位置时，所述第二推进设备的推力方向从垂直方向偏移，从而提供来自所述第二推进设备的第二水平推力分量，并且其中，所述控制器被配置成基于所述第一水平推力分量和第二水平推力分量来控制进行悬停飞行的所述飞机的偏航。8.根据权利要求7所述的飞机，其中，当所述前翼处于用于悬停飞行的所述第二位置并且所述后翼处于用于悬停飞行的所述第四位置时，所述第一水平推力分量抵消所述第二水平推力分量。9.根据权利要求8所述的飞机，其中，所述机身具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述前翼定位在所述机身的所述第一侧上，并且所述后翼定位在所述机身的所述第二侧上，使得当所述前翼处于用于悬停飞行的所述第二位置时由所述第一推进设备的垂直推力分量产生的侧滚力矩抵消当所述后翼处于用于悬停飞行的所述第四位置时由所述第二推进设备的垂直推力分量产生的侧滚力矩。10.根据权利要求9所述的飞机，其中，所述飞机的重心位于所述前翼和所述后翼之间，使得当所述前翼处于用于悬停飞行的所述第二位置时由所述第一推进设备的垂直推力分量产生的俯仰力矩抵消当所述后翼处于用于悬停飞行的所述第四位置时由所述第二推进设备的垂直推力分量产生的俯仰力矩。11.根据权利要求7所述的飞机，其中，所述第一推进设备包括第一推进器，所述第一推进器定位成在所述前翼上方吹气，并且其中，所述第二推进设备包括第二推进器，所述第二推进器定位成在所述后翼上方吹气。12.根据权利要求11所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·利亚索夫，G·C·鲍尔，Z·洛芙琳，
申请(专利权)人：空中客车A^三有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US