專利名稱：飛行器及用于組裝具有受控旋轉(zhuǎn)的飛行器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)計為運動通過流體表面或在流體表面上運動的飛行器。其被認(rèn)為主要地關(guān)于空中飛行器和導(dǎo)彈來使用，但是支持本發(fā)明的理論可等同地用于例如潛艇。
背景技術(shù)：
本發(fā)明出現(xiàn)在螺旋槳用于在彎曲的頂蓋上引導(dǎo)空氣徑向噴流的類型的飛行器設(shè)計中。頂蓋成形為使氣流從徑向方向轉(zhuǎn)向為軸向方向以產(chǎn)生升力。本發(fā)明涉及增加升力的問題。例如從US5203521中知道，在此類型的推進(jìn)裝置中，螺旋槳的轉(zhuǎn)動也趨向于產(chǎn)生頂蓋的不想要的轉(zhuǎn)動。US5203521涉及具有上部導(dǎo)流器的航空器，導(dǎo)流器將空氣從螺旋槳導(dǎo)流到環(huán)狀主體上。導(dǎo)流器通過形成擾流板的間隔件或支柱支撐在環(huán)狀主體上，擾流板設(shè)計為向來自螺旋槳的空氣提供運動的周向分量以抵消由推進(jìn)器引起的旋轉(zhuǎn)。因為US5203521 假定來自螺旋槳的空氣遵循徑向方向，所以擾流板或支柱具有傾斜的上游部分，如果遠(yuǎn)離徑向，則在與流動方向相反的方向上。在US5803199中，不需要的轉(zhuǎn)動使用位于頂蓋的升力生成表面上的調(diào)整葉片抵消。更近地，如W0/2006/1005^中所述，已經(jīng)意識到，從螺旋槳流動的空氣往往會根據(jù)其速度而在頂蓋表面上遵循復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)軌跡，而不是在豎直軸向平面內(nèi)的筆直路徑。 W0/2006/100526描述了一種技術(shù)，通過該技術(shù)，此現(xiàn)象與頂蓋上的垂直尾翼結(jié)合可用于防止上述的反向旋轉(zhuǎn)。發(fā)明概述本發(fā)明由上述旋轉(zhuǎn)運動可能對升力具有不利影響這一命題引起。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種柯恩達(dá)飛行器(Coanda craft)，其包括用于產(chǎn)生流體噴流的推進(jìn)器和用于引起噴流流過升力生成表面的機(jī)構(gòu)，升力生成表面被成形和設(shè)置成引起噴流從徑向方向朝軸向方向轉(zhuǎn)向，飛行器包括機(jī)翼控制表面和用于調(diào)節(jié)后者以防止或控制推進(jìn)裝置(vehicle)的旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，其特征在于，機(jī)翼控制表面的至少一部分定位在升力生成表面的上游，且機(jī)翼控制表面的上游部分遠(yuǎn)離徑向方向朝向從推進(jìn)器流出的流體的流動方向或與從推進(jìn)器流出的流體的流動方向一致或在從推進(jìn)器流出的流體的流動方向之外而傾斜。通過使用本發(fā)明，流體流動在到達(dá)升力生成表面之前從具有周向分量的方向朝徑向方向重新定向。由此發(fā)現(xiàn)可能提高升力并還可能防止反向旋轉(zhuǎn)。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使葉片定位在上游允許使用比當(dāng)葉片定位在升力生成表面上的下游時所需的小的葉片運動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動作用的控制。需要在較大數(shù)目的機(jī)翼控制葉片(以最大化其在將氣流朝著徑向方向轉(zhuǎn)向上的效率)和較小的數(shù)目(以最小化阻力)之間作出平衡?？赡艽嬖谝恍┣樾危谶@些情形中最好使相對小數(shù)目的葉片成形為將流動轉(zhuǎn)向至徑向并超過徑向，以補償其減小的數(shù)目。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，飛行器包括關(guān)于推進(jìn)器周向延伸以限定推進(jìn)器位于其中的管道的護(hù)罩。葉片可執(zhí)行雙重功能，作為將護(hù)罩支撐在限定升力生成表面的頂蓋上的支柱。為了旋轉(zhuǎn)葉片的鉸接部分，飛行器可能設(shè)有致動系統(tǒng)，致動系統(tǒng)可以是帶驅(qū)動的， 其中每個鉸接葉片具有帶接合機(jī)構(gòu)以與帶接合。致動系統(tǒng)可包括設(shè)置為驅(qū)動不同組葉片的多條帶。帶可用于控制圍繞頂蓋有選擇地隔開的葉片，使得在一條帶驅(qū)動失效的情形下，飛行器仍然可以具有充分的穩(wěn)定性以安全著陸。在葉片用于控制俯仰(Pitch)和滾動的地方，多組葉片可限制到頂蓋的不同部分。附圖簡述本發(fā)明現(xiàn)將參照附圖通過示例的方式描述，其中

圖1是垂直起飛航空器的透視圖；圖2是圖1垂直起飛航空器的透視切斷視圖；圖3A和;3B是具有和不具有葉片6的垂直起飛航空器的平面圖；圖4是圖1航空器的側(cè)正視部分剖面圖；圖5是垂直起飛航空器的透視圖，其中鉸接葉片使用帶驅(qū)動操作；圖6是圖5所示飛行器的放大視圖，其中去除了護(hù)罩；圖7是飛行器的平面圖，闡示葉片的放置以實現(xiàn)飛行器的滾動或俯仰；圖8是葉片盒的透視圖；以及圖9是闡示為接收圖8葉片盒而成形護(hù)罩和頂蓋的分解側(cè)視剖面圖。發(fā)明詳述參照附圖，顯示具有頂蓋1和軸向螺旋槳2的垂直起飛航空器，頂蓋1限定雙凸曲率的空氣動力學(xué)表面，在此特定示例中，如圖1所示，螺旋槳2逆時針驅(qū)動。螺旋槳2通過未闡示的、容納在頂蓋1內(nèi)的發(fā)動機(jī)或馬達(dá)驅(qū)動。護(hù)罩3支撐在頂蓋的上方并圍繞螺旋槳2周向延伸，以限定螺旋槳2容納其內(nèi)的管道?？諝庋刂删€X-X指示的軸線從頂蓋的上方吸入螺旋槳2，并如箭頭4所示在頂蓋的彎曲表面上方作為噴流排出。由于柯恩達(dá)效應(yīng)，噴流遵循頂蓋1的彎曲，從螺旋槳的垂直于軸線X-X的平面轉(zhuǎn)向到軸線方向；而且噴流最終在頂蓋的下邊緣5處從頂蓋表面分離。噴流朝著垂直軸線的此轉(zhuǎn)向產(chǎn)生垂直的升力。由于螺旋槳2的旋轉(zhuǎn)運動，從其排出的空氣具有在較大螺旋槳速度時較大的周向速度分量。如圖3A所示，此周向分量或旋轉(zhuǎn)角具有從徑向方向為θ的大小。螺旋槳2在逆時針方向的旋轉(zhuǎn)由于反作用而引起傾向于以順時針方向旋轉(zhuǎn)頂蓋1 的相應(yīng)力矩。如果不進(jìn)行矯正作用，則這將導(dǎo)致頂蓋1不受控制地旋轉(zhuǎn)。關(guān)于螺旋槳2周向間隔開的葉片6插入護(hù)罩3和頂蓋1之間。如圖2最清晰地可見的，每個葉片6包括定子葉片6Α和鉸接葉片6Β。定子葉片6Α用作支柱，護(hù)罩3在其上固定到頂蓋1。鉸接葉片6Β徑向遠(yuǎn)離螺旋槳2地鉸接到定子葉片6Α的自由端。如圖:3Β所示，定子葉片6Α具有彎曲的輪廓，以限定遠(yuǎn)離如線Y-Y所示徑向方向傾斜的上游部分6C和基本徑向的下游部分6D。上游部分6C定向為以在螺旋槳2的退出點且當(dāng)螺旋槳以其最大運行速度運行時，與旋轉(zhuǎn)角q對齊。如由氣流線F所示的效應(yīng)，即來自螺旋槳的空氣被定子6A改變方向，使得其基本徑向地通過頂蓋1的升力生成部分流動。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法通過試驗可確定的旋轉(zhuǎn)角θ還被發(fā)現(xiàn)隨著在頂蓋表面1上方的距離而變化。這通過選定定向角來說明，該定向角位于頂蓋表面處的旋轉(zhuǎn)角和在相應(yīng)于葉片高度，典型地還是護(hù)罩3和頂蓋1之間間距的距離處的旋轉(zhuǎn)角之間。試驗顯示，與徑向方向的最佳定向角將依賴于推進(jìn)器幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和定子葉片的徑向位置。明顯地在零度以上的任意角度將提供優(yōu)點，但在10°和25°之間且優(yōu)選地在15° 和21°之間在多數(shù)情況下有可能是最好的，理解到，目的是使該角度與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)角相匹配。在較低螺旋槳速度時，葉片6的改進(jìn)性能通過提供具有較寬“淚滴”輪廓的定子6A 的前部部分來實現(xiàn)。此周向升力的強(qiáng)度可通過使用現(xiàn)將描述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變?nèi)~片的鉸接部分6B的位
置來調(diào)節(jié)。參照圖4，光學(xué)陀螺儀或壓電陀螺儀7產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號指示飛行器關(guān)于其軸線X-X相對于其在啟動上設(shè)定的一些基準(zhǔn)方向的旋轉(zhuǎn)速度。這在8處與如操縱機(jī)構(gòu)9 所示飛行器想要面對的方向相比較。比較器8的輸出是錯誤信號，該錯誤信號用于控制容納在通過控制桿11附接到鉸接葉片6B的護(hù)罩內(nèi)的機(jī)械致動器10 (只顯示一個)。每個致動器10在順時針方向或逆時針方向上驅(qū)動與其相關(guān)的鉸接葉片6B，結(jié)果是頂蓋被允許以順時針方向旋轉(zhuǎn)或者適當(dāng)?shù)卦诩^8的相反的逆時針方向上驅(qū)動。每個葉片6B以完全相同的方式控制。圖5和6闡示具有帶驅(qū)動的致動機(jī)構(gòu)的飛行器。飛行器具有頂蓋1、螺旋槳2和形成圍繞螺旋槳2的管道的護(hù)罩3。護(hù)罩3通過定子6支撐在頂蓋上。如圖5中可見，護(hù)罩3 的壁是彎曲的以形成容納致動系統(tǒng)的周向通道。護(hù)罩3的下邊緣設(shè)有向上指向的周向唇緣 3A。護(hù)罩3的上邊緣設(shè)有向外延伸的周向唇緣;3B。板(未示出)可固定到唇緣3A、3B以形成封裝致動系統(tǒng)的護(hù)罩的外壁。致動系統(tǒng)包括兩個有齒帶12A、12B。第一有齒帶12A圍繞管道并在與間隔的葉片 6B相關(guān)的輪齒13A上周向運行。第二有齒帶12B也圍繞管道2、在第一帶12A上方并在與間隔的葉片6BB相關(guān)的輪齒13B上周向運行。輪齒13A、i;3B關(guān)于桿11A、IlB連接到鉸接葉片6B、6BB。與輪齒13B相關(guān)的桿IlB與其緊靠的相鄰桿IlA相比相對較長，以允許與最上部帶12a的接合。四個馬達(dá)14，每條帶12A、12B兩個，圍繞管道2定位并大體相同地間隔分開。每個馬達(dá)14通過馬蹄形支撐件15保持在兩個葉片6之間，并通過緊固件14C保持到唇緣3A的下側(cè)。每個馬達(dá)14包括用于驅(qū)動一條帶12A、12B的驅(qū)動齒輪14A和在驅(qū)動齒輪14B的任一側(cè)上隔開的張拉齒輪14B。根據(jù)來自比較器8的信號，每個馬達(dá)14驅(qū)動其相關(guān)的帶，該帶引起每個輪齒13A、i;3B使此通過桿IlAUlB正在傳送的運動轉(zhuǎn)向，以同時旋轉(zhuǎn)每個鉸接葉片 6B、6BB。選擇的馬達(dá)14足夠有力，使得單個馬達(dá)14可獨自驅(qū)動帶12A、12B和一組葉片6B、 6BB。第二馬達(dá)14在一個馬達(dá)失效的情形下提供備份，使得葉片仍然可以運行。使用多條帶意味著飛行器仍然可以充分地控制，以在一個帶驅(qū)動失效的情形下安全著陸。在不太優(yōu)選的實施方式中，飛行器可設(shè)有單個的馬達(dá)或每條帶單個馬達(dá)。如上所述，為了控制偏航，每個鉸接部分6B可同時變化相同的量。然而，還設(shè)想通過在飛行器不同部分內(nèi)的葉片6B的選定操作，也可能控制俯仰和滾動，從而不需要定位在頂蓋基座上的單獨副翼(flap)，而這是用于實現(xiàn)這些運動的現(xiàn)行方法。如圖6所示，當(dāng)希望飛行器執(zhí)行俯仰或滾動運動時，飛行器的1/4部分Ql內(nèi)的葉片6B可朝彼此移動，以在此1/4部分內(nèi)對頂蓋1上方的流體流動產(chǎn)生阻力。同時，在對角相對的1/4部分Q3中的葉片可遠(yuǎn)離彼此運動，以減小對流動的阻力。這被認(rèn)為是在飛行器的一側(cè)上比起另一側(cè)導(dǎo)致優(yōu)先的流體流動，在一側(cè)上產(chǎn)生較大的升力，從而根據(jù)所考慮的軸線引起飛行器俯仰或滾動。因為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)作用，所以運動被預(yù)期在從受控葉片的角度大約90°的方向上發(fā)生。通過反轉(zhuǎn)葉片6B的運動，即將Ql中的葉片6B吸引在一起并使Q3中的葉片展開，可以實現(xiàn)相反的運動。根據(jù)需要，如上所述Q2和Q4中葉片的運動可用于進(jìn)行偏航運動。圖7和8涉及其中葉片可以制造并裝配到飛行器上的形式。圖6示出包括兩個共軸圓形板21、22的盒20，在兩個共軸圓形板21、22之間插入有可采取如上所述方式的葉片 23，但是在圖6中沒有示出鉸接部分。盒20可由任何一種方法形成，例如葉片23和一個或兩個板21、22可使用鑄造或模制工藝形成為單獨的整體件?？蛇x擇地，板21、22和葉片23 可單獨地形成并使用對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知的很多技術(shù)中的任何一種機(jī)械地連接。參照圖8，頂蓋1的上表面和護(hù)罩3的下表面形成有板21和22容納其中的周向凹進(jìn)部分1A、3A。凹進(jìn)部分1A、3A的尺寸形成為使得板21A、22A的內(nèi)表面，即接近葉片的表面分別與頂蓋1和護(hù)罩3齊平地放置。在飛行器組裝期間，板21定位在周向凹進(jìn)部分IA內(nèi)。 為了將盒固定到飛行器并對其提供精確的對準(zhǔn)，形成在板21、22外表面上的暗榫M定位在頂蓋1和護(hù)罩3中的各個凹進(jìn)部分1B、3B內(nèi)。要理解，以上實施方式只是示例性的。例如，可預(yù)期使用徑向螺旋槳或其他形式的推進(jìn)器以產(chǎn)生氣流。定子葉片可能不用于使護(hù)罩3支撐到頂蓋1，而是使用其他的支柱用于此功能?？梢允褂每稍隈R達(dá)和葉片之間用作傳送件的鏈、腹板或其他合適的伸長媒介物， 而不使用帶。權(quán)利要求中術(shù)語“帶”的使用用于包括這些替代物。
權(quán)利要求
1.一種柯恩達(dá)飛行器，包括用于產(chǎn)生流體噴流的推進(jìn)器和用于引起噴流流過升力生成表面的機(jī)構(gòu)，所述升力生成表面被成形和設(shè)置成引起噴流從徑向方向朝軸向方向轉(zhuǎn)向，所述飛行器包括機(jī)翼控制表面和用于調(diào)節(jié)所述機(jī)翼控制表面以防止或控制所述推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，其中所述機(jī)翼控制表面的至少一部分定位在所述升力生成表面的上游，且所述機(jī)翼控制表面的上游部分遠(yuǎn)離徑向方向朝向從所述推進(jìn)器流出的流體的流動方向或與從所述推進(jìn)器流出的流體的流動方向一致或在從所述推進(jìn)器流出的流體的流動方向之外而傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面的幾何形狀能夠改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面包括具有鉸接部分的葉片， 所述鉸接部分鉸接到所述葉片的定子部分的下游邊緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛行器，包括關(guān)于所述推進(jìn)器周向地延伸以限定管道的護(hù)罩，所述推進(jìn)器位于所述管道內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的飛行器，其中所述護(hù)罩支撐在限定彎曲表面的頂蓋上，且所述機(jī)翼控制表面位于所述護(hù)罩和所述頂蓋之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面執(zhí)行支柱的功能，以使所述護(hù)罩支撐到所述頂蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的飛行器，其中所述推進(jìn)器設(shè)置為從彎曲表面的上方吸引流體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器，包括關(guān)于所述推進(jìn)器周向地設(shè)置的多個機(jī)翼控制表
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面的所述上游部分在所述轉(zhuǎn)子的正常運行條件下傾斜為與空氣接近其的方向基本對齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面的所述上游部分從所述徑向方向傾斜成在10°和25°之間的角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的飛行器，其中所述機(jī)翼控制表面的所述上游部分從所述徑向方向傾斜成在15°和21°之間的角度。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛行器，其中所述飛行器包括致動系統(tǒng)和多個葉片，每個葉片具有鉸接到所述葉片的定子部分的下游邊緣的鉸接部分，所述致動系統(tǒng)用于使多個鉸接部分關(guān)于其各自的鉸鏈旋轉(zhuǎn)，所述致動系統(tǒng)包括致動器、與每個鉸接部分關(guān)聯(lián)的帶接合機(jī)構(gòu)以及在所述致動器和所述帶接合機(jī)構(gòu)之間運行的帶。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的飛行器，其中所述葉片被分成至少兩組，且所述致動系統(tǒng)包括在第一組葉片的鉸接部分的帶接合機(jī)構(gòu)之間運行的第一帶和在第二組葉片的鉸接部分的帶接合機(jī)構(gòu)之間運行的第二帶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的飛行器，其中所述第一組葉片和所述第二組葉片中的葉片圍繞所述頂蓋交替地設(shè)置。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的飛行器，其中所述飛行器包括致動系統(tǒng)和多個葉片，每個葉片具有鉸接到所述葉片的定子部分的下游邊緣的鉸接部分，所述致動系統(tǒng)用于使多個鉸接部分關(guān)于其各自的鉸鏈旋轉(zhuǎn)，所述致動系統(tǒng)基本容納在所述護(hù)罩內(nèi)。
16.一種實現(xiàn)柯恩達(dá)飛行器的俯仰或滾動的方法，所述飛行器具有用于產(chǎn)生流體噴流的推進(jìn)器和用于引起流體噴流流過彎曲表面的機(jī)構(gòu)，所述彎曲表面被成形和設(shè)置成引起噴流從徑向方向朝軸向方向轉(zhuǎn)向從而產(chǎn)生升力，所述飛行器包括圍繞所述推進(jìn)器周向地隔開的多個機(jī)翼控制表面和用于調(diào)節(jié)所述機(jī)翼控制表面以防止或控制所述推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，其中還提供有用于控制所述機(jī)翼控制表面的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于控制所述機(jī)翼控制表面，以在所述彎曲表面的一部分上比在相對的部分上優(yōu)先地引導(dǎo)流動，從而引起所述飛行器俯仰或滾動。
17.—種組裝柯恩達(dá)飛行器的方法，所述方法包括提供限定升力生成表面的頂蓋，所述升力生成表面被成形和設(shè)置成引起流體噴流從徑向方向朝軸向方向轉(zhuǎn)向；并提供包括支撐到支撐部件上的兩個或更多個機(jī)翼控制表面的盒；以及使所述盒固定到所述頂蓋。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述盒包括插在兩個同軸支撐部件之間的兩個或更多個機(jī)翼控制表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述頂蓋限定周向的凹進(jìn)部分，且所述支撐部件位于所述凹進(jìn)部分內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中設(shè)置有護(hù)罩，所述護(hù)罩限定用于容納支撐部件的凹進(jìn)部分，且其中所述盒插在所述護(hù)罩和所述頂蓋之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述機(jī)翼控制表面和所述支撐部件形成為單獨的整體件。
全文摘要
在其中螺旋槳(2)用于在彎曲的頂蓋(1)上引導(dǎo)徑向空氣噴流的類型的飛行器中，頂蓋被成形為將空氣流動從徑向方向轉(zhuǎn)向到軸向方向以生成升力。從螺旋槳流動的空氣趨向于根據(jù)其速度而在頂蓋表面上遵循復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)軌跡而不是筆直的路徑，且本發(fā)明由旋轉(zhuǎn)運動可在升力上具有不利影響這一命題引起。本發(fā)明建議使用機(jī)翼控制表面(6)，其在升力生成表面(1)的上游并遠(yuǎn)離徑向方向朝向從推進(jìn)器流出的流體流動方向或與之一致或在其之外而傾斜。通過使用本發(fā)明，流體流動可以在到達(dá)升力生成表面之前從具有周向分量的方向朝徑向方向重新定向。由此發(fā)現(xiàn)可能提高升力并還可能防止反向旋轉(zhuǎn)。
文檔編號B64C39/06GK102548842SQ201080030592
公開日2012年7月4日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者史蒂文·波特, 李·惠徹, 西蒙·麥金托什, 霍爾格·巴賓斯基 申請人:艾希爾有限公司