本發(fā)明涉及一種新布局的可垂直/短距起降(vstol)輕型單人飛機(jī)——飛行摩托，屬于航空飛行器中固定翼飛機(jī)涉及技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有飛行器分為固定翼和旋翼兩種，而目前城市輕小型飛行器多為旋翼類(lèi)。旋翼飛行器具有體積較小、操作簡(jiǎn)單，可垂直起降，不需要滑跑跑道，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，因而目前在單人飛行器領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。但是，其飛行速度小、飛行高度低、機(jī)動(dòng)性較差的缺點(diǎn)制約了飛行器在城市高樓間穿梭的靈活性，安全性也隨之降低；固定翼飛機(jī)因其具有飛行速度快，航時(shí)長(zhǎng)，飛行距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在多人輕型飛機(jī)中應(yīng)用較多。但是因?yàn)槠涑叽巛^大，滑跑起飛降落需用很大空間，在單人飛行器的發(fā)展中受到了很大限制。本發(fā)明的研究方案是可垂直/短距起降的固定翼類(lèi)單人飛行器。它兼?zhèn)涔潭ㄒ砗托淼膬?yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可作為城市之間的遠(yuǎn)距離航行工具，未來(lái)發(fā)展前景將十分廣闊。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案主要包括：

1)城市輕小型飛行器

日前專(zhuān)注生產(chǎn)制造人類(lèi)“鋼鐵俠”飛行裝備的馬丁飛行噴射包公司已在2月在澳大利亞證券交易所主板掛牌交易，“鋼鐵俠飛行包”即將上市，售價(jià)125萬(wàn)人民幣。人類(lèi)對(duì)于單人飛行器的研究熱情從未減退，2011年，德國(guó)人托馬斯·森克爾攜手斯特凡·沃爾夫和亞歷山大·措澤爾研制出一種新型單人遙控飛行器，這種新型飛行器名為e-volo。美國(guó)一家公司近年來(lái)推出一款“飛行摩托”，可供單人駕駛和乘坐，能在空中飛行前進(jìn)。

2)e-volo單人飛行器

2011年，德國(guó)人研制出一種新型單人遙控飛行器，首次載人試飛飛行1分30秒后安全著陸。設(shè)計(jì)者說(shuō)，未來(lái)它不僅可以走入尋常百姓家，用作“空中飛車(chē)”，還可用于管道系統(tǒng)檢測(cè)、空中救護(hù)或航拍等作業(yè)。這種新型飛行器名為e-volo，由托馬斯·森克爾攜手斯特凡·沃爾夫和亞歷山大·措澤爾研制。飛行器看上去就像一個(gè)人坐在彈跳球上，周?chē)贿b控直升機(jī)模型環(huán)繞。實(shí)際上，它由4組16個(gè)水平旋翼組成，每個(gè)旋翼由電腦控制，因此飛行員坐在位于中心的底座上，僅用無(wú)線控制器就可操控駕駛，如同玩電子游戲一樣。座位下方的球主要起減震作用。飛行器配備了全球定位系統(tǒng)(gps)，能自動(dòng)避開(kāi)障礙物，自控到達(dá)已設(shè)定位置。它還可在飛行員非操控狀態(tài)下靜止盤(pán)旋于空中。

3)飛行摩托

美國(guó)一家公司近年來(lái)推出一款“飛行摩托”，可供單人駕駛和乘坐，能在空中飛行前進(jìn)。這種飛行摩托可以在離地近5米高的地面上飛行，時(shí)速約為48公里。該飛行器的驅(qū)動(dòng)裝置是其下面兩個(gè)圓盤(pán)，利用兩個(gè)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的上升氣流，可讓摩托升到空中。根據(jù)制造該款飛行器的公司介紹，這種個(gè)人飛行器上有兩個(gè)手柄，可以調(diào)節(jié)行駛速度和高度。同時(shí)，飛行摩托內(nèi)置感應(yīng)裝置，人在上面駕駛時(shí)，可以利用身體的傾斜產(chǎn)生的重心變化，改變飛行摩托的飛行方向。

4)個(gè)人噴氣式"飛行背包"

新西蘭航空設(shè)計(jì)師格倫·馬丁堅(jiān)信，他成功開(kāi)發(fā)出一種能使普通人實(shí)現(xiàn)遨游太空夢(mèng)想的單人飛行器，使噴氣背包在現(xiàn)實(shí)生活中駛離地面。據(jù)馬丁介紹，盡管?chē)姎獗嘲娘w行距離、飛行高度和持續(xù)時(shí)間上都不算太理想，分別只有50英尺、6英尺和45秒，但這些都不是實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。馬丁說(shuō)：“我只是想去證明這項(xiàng)技術(shù)可以奏效。無(wú)論是6英尺，還是600英尺，一旦你身在天空，這些數(shù)字不會(huì)有什么區(qū)別?！睆娘w行設(shè)計(jì)原理上看，馬丁噴氣背包更像是氣墊船而非噴氣機(jī)。使用汽油的摩托發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)汽車(chē)風(fēng)扇皮帶驅(qū)動(dòng)兩個(gè)扇形螺旋槳，螺旋槳在兩個(gè)外表看似超大號(hào)湯罐的裝置內(nèi)水平旋轉(zhuǎn)。這種涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)比直升機(jī)無(wú)屏蔽發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高。發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料箱和飛行員處于升力扇中間及下方，以降低重力中心，避免噴氣背包在飛行中上下顛倒，撞向地面。

固定翼垂直/短距起降技術(shù)發(fā)展

迄今為止，世界上具備比較成熟的垂直/短距起降技術(shù)的固定翼代表飛機(jī)有英國(guó)的鷂式，美國(guó)的v-22魚(yú)鷹和f-35?！苞_”實(shí)現(xiàn)垂直短距起降的基本原理在于，采用一臺(tái)4個(gè)可旋轉(zhuǎn)噴口的“飛馬”渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供起降時(shí)所需的升力以及過(guò)渡飛行和正常飛行所需的推力；v22-魚(yú)鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是在類(lèi)似于固定翼飛機(jī)的機(jī)翼兩翼尖處各裝一套可在水平位置與垂直位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)的旋翼螺旋槳組件；美國(guó)的f35b型聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)是目前最先進(jìn)的垂直/短距起降戰(zhàn)斗機(jī)，其推進(jìn)系統(tǒng)是由一臺(tái)兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)升力風(fēng)扇和一臺(tái)噴管可轉(zhuǎn)向的主發(fā)動(dòng)機(jī)組成。在垂直升降過(guò)程中，主發(fā)動(dòng)機(jī)噴口向下偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生一部分升力的同時(shí)，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)軸驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇產(chǎn)生升力。

現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題

1、目前，單人飛行器以旋翼類(lèi)居多，旋翼飛行器雖然具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也很明顯，比如飛行速度慢，飛行距離短，飛行高度低，不可作為遠(yuǎn)距離飛行的交通工具，等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種飛行摩托，其特征在于包括：

機(jī)身、機(jī)翼、腹鰭、垂尾、邊條翼、動(dòng)力系統(tǒng)、起落架、駕駛艙、襟翼，

其中：

機(jī)翼采用機(jī)翼內(nèi)段和機(jī)翼外段的組合形式，機(jī)翼內(nèi)段平直，機(jī)翼外段后掠，

機(jī)身的頭部裝有前發(fā)螺旋槳，前發(fā)螺旋槳外圍設(shè)有防護(hù)圈以提高螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的安全性，

駕駛艙位于機(jī)身中部，后部則迅速收縮與機(jī)翼內(nèi)段融為一體，

邊條翼位于機(jī)身的兩側(cè)，有效提高了大迎角和低速飛行時(shí)的升力；

起落架前三點(diǎn)式起落架；所述起落架的前起、主起采用緩沖減震設(shè)計(jì)并包括主起機(jī)輪，

飛行摩托的機(jī)身后緣安裝有防擦尾輪，

主起的位置，使得飛行摩托垂直起飛時(shí)允許前發(fā)螺旋槳使機(jī)頭抬起且飛行摩托的尾部著地，且在此狀態(tài)下，重力作用點(diǎn)沿水平方向在主起機(jī)輪著地點(diǎn)后方。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的飛行摩托的俯視圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的飛行摩托的側(cè)視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的飛行摩托垂直起降離地時(shí)姿態(tài)的示意圖。

圖4a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的飛行摩托的總體和前發(fā)布局。圖4b是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的飛行摩托的總體和前發(fā)布局。

圖5是飛行摩托懸停時(shí)受力分析圖。

具體實(shí)施方式

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是固定翼類(lèi)單人飛行器，其飛行速度更快，航時(shí)長(zhǎng)，飛行距離更遠(yuǎn)。

在輕型固定翼飛機(jī)中，最大的問(wèn)題是不能夠垂直/短距起降、懸停，其起飛和降落都需要很大距離。而且飛機(jī)的尺寸相對(duì)比較大，在空間日益擁擠的當(dāng)下，不適合推廣使用；而現(xiàn)有的固定翼垂直/短距起降技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)重量大，不適合應(yīng)用在城市輕小型飛行器。本發(fā)明采用固定翼與螺旋槳配合，結(jié)合偏轉(zhuǎn)滑流效應(yīng)，使飛行器既具有旋翼類(lèi)飛行器的優(yōu)點(diǎn)，可垂直/短距起降。而且尺寸相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制作成本相對(duì)較低，適合廣泛應(yīng)用。

整體布局

如圖1至圖4b所示，根據(jù)本發(fā)明的飛行摩托整體采用鴨翼布局。鴨翼(4)可以用較小的翼面來(lái)達(dá)到較高的操縱效能。同時(shí)，機(jī)身兩側(cè)帶有大邊條翼(6)。

機(jī)翼

機(jī)翼(9、12)采用機(jī)翼內(nèi)段(9)和機(jī)翼外段(12)的組合形式，機(jī)翼內(nèi)段(9)平直，機(jī)翼外段(12)后掠。平直機(jī)翼內(nèi)段(9)提高了整體偏轉(zhuǎn)滑流增升效應(yīng)，后掠機(jī)翼外段(12)在高推重比下具有優(yōu)異的加速性能。此外，襟翼(10、11)同時(shí)作為升降副翼，用于飛行時(shí)的俯仰和滾轉(zhuǎn)控制。機(jī)翼外段(12)沒(méi)有任何活動(dòng)舵面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

機(jī)身

機(jī)身(5)頭部設(shè)置前發(fā)螺旋槳(1)，前發(fā)螺旋槳(1)外圍的防護(hù)圈(2)提高螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的安全性。駕駛艙(15)位于機(jī)身中部，后部則迅速收縮與機(jī)翼內(nèi)段(9)融為一體。駕駛艙(15)采用半封閉的形式，前擋風(fēng)板(14)設(shè)計(jì)流線型，降低飛行時(shí)阻力。左右兩側(cè)防護(hù)板(16)保護(hù)駕駛員在飛行時(shí)避免受到螺旋槳的傷害。腳蹬(17)為駕駛員在飛行時(shí)提供腿部支撐。整體上看，機(jī)身(5)具有良好的氣動(dòng)特性，且可使飛行員獲得開(kāi)闊的視野。

腹鰭和垂尾

腹鰭(21)布置在襟翼(10、11)下方兩側(cè)。垂尾(22)可采用單垂尾或雙垂尾(28)形式。雙垂尾的位置可設(shè)計(jì)在機(jī)身兩側(cè)或機(jī)翼兩端，作為翼端垂尾。

邊條翼

邊條翼(6)位于機(jī)身的兩側(cè)，有效提高大迎角和低速飛行時(shí)的升力。座位兩側(cè)，邊條翼上的孔位(7)為駕駛員騎行飛行摩托的腿部位置。

動(dòng)力系統(tǒng)

本發(fā)明的動(dòng)力系統(tǒng)可采用電動(dòng)式，或者油電混合式。發(fā)動(dòng)機(jī)既可以采用單發(fā)，又可以采用雙發(fā)。

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用單發(fā)油電混合式，該單發(fā)油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)位置(19)在座艙(15)后的機(jī)身(5)內(nèi)部，并帶動(dòng)機(jī)翼前緣兩個(gè)主槳(18)和一個(gè)前槳(1)。同時(shí)，三個(gè)螺旋槳(兩個(gè)主槳(18)和一個(gè)前槳(1))各配有一個(gè)輔助電機(jī)(3、8)。輔助電機(jī)(3、8)可以和主發(fā)動(dòng)機(jī)(19)一同工作，以滿(mǎn)足在垂直起降、懸停等狀態(tài)的大功率工作需求；亦可作為備用電機(jī)，在主發(fā)動(dòng)機(jī)(19)無(wú)法正常工作的情況下應(yīng)急使用。

起落架和尾輪

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例采用前三點(diǎn)式起落架；所述起落架的前起(13)、主起(20)采用緩沖減震設(shè)計(jì)。本發(fā)明的起落架實(shí)施例重點(diǎn)考慮了主起(20)的位置，飛行摩托垂直起飛時(shí)，控制前發(fā)螺旋槳(1)使機(jī)頭抬起，尾部著地。機(jī)身后緣安裝有防擦尾輪(24)，此狀態(tài)下，重力作用點(diǎn)(23)在主起機(jī)輪(25)著地點(diǎn)后方(沿水平方向)。

懸停原理

如圖5所示，飛行摩托在懸停姿態(tài)時(shí)，利用科恩達(dá)效應(yīng)，主發(fā)螺旋槳(18)后拖出的高速螺旋槳滑流，隨著機(jī)翼結(jié)合襟翼偏轉(zhuǎn)改變了方向，產(chǎn)生斜向上的合力。不同的后緣襟翼類(lèi)型(單縫、雙縫、三縫)產(chǎn)生不同大小和方向的合力。有研究證明：矢量合力的大小可達(dá)螺旋槳拉力的80％以上。

飛行摩托懸停時(shí)襟翼(10、11)下偏，圖5所示的前發(fā)螺旋槳(1)提供的拉力、機(jī)翼在偏轉(zhuǎn)滑流效應(yīng)下的氣動(dòng)力與主發(fā)螺旋槳拉力的合力(29)、重力(23)達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)在空中的懸停。而且，可以通過(guò)改變襟翼的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)改變滑流合力的大小和方向，再結(jié)合前發(fā)的力矩配平與控制，實(shí)現(xiàn)飛行摩托在不同俯仰角下的懸停，角度范圍約30-60度。

垂直起降方式

飛行摩托垂直起飛：通過(guò)控制前發(fā)螺旋槳(1)，使飛行摩托抬頭至大約懸停時(shí)的角度，襟翼下偏，使機(jī)翼處于很大的向下彎曲狀態(tài)；推大油門(mén)，主發(fā)螺旋槳(18)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向前拉力和較大向后氣流，在機(jī)翼偏轉(zhuǎn)滑流作用下，產(chǎn)生較大的氣動(dòng)力。在以上各力的共同作用下，飛行器處于類(lèi)似于三軸旋翼的垂直起飛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)垂直起飛。在適當(dāng)高度再轉(zhuǎn)入平飛；也可通過(guò)調(diào)節(jié)襟翼的偏轉(zhuǎn)角度和螺旋槳拉力的大小實(shí)現(xiàn)超短距起飛。

飛行摩托垂直降落：由常規(guī)平飛或下滑階段減小飛行速度，在保持軌跡基本不變的情況下，結(jié)合升降舵與前發(fā)逐漸拉起俯仰角(迎角)，進(jìn)入大迎角大阻力減速飛行階段，隨著飛行速度的進(jìn)一步降低偏轉(zhuǎn)襟翼轉(zhuǎn)入懸停模式，同垂直起飛和懸停，通過(guò)三發(fā)螺旋槳與滑流控制保持飛機(jī)穩(wěn)定懸停和緩慢下降，直至主輪柔和接地，減小主發(fā)油門(mén)，控制前發(fā)使飛行摩托機(jī)頭穩(wěn)定回落接地，完成垂直著陸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

1、與現(xiàn)有的旋翼類(lèi)飛行摩托相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且前飛效率高，具有更快的飛行速度，更遠(yuǎn)的航程和更高的升限。因?yàn)樵摍C(jī)的前飛動(dòng)力取自發(fā)動(dòng)機(jī)推力的全部分量，而旋翼機(jī)的前飛動(dòng)力取自旋翼拉力的前向分力，并且該機(jī)在前飛時(shí)由機(jī)翼產(chǎn)生全部升力，氣動(dòng)效率高；旋翼機(jī)的飛行控制需要復(fù)雜的周期變距機(jī)構(gòu)，而且其動(dòng)力傳動(dòng)需由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主旋翼，還需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)身靠后的尾槳，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安全性較差；同時(shí)，本發(fā)明前發(fā)離重心較遠(yuǎn)，操縱效率高，而且中小展弦比、較大的滑流舵面、足夠的推重比，這些設(shè)計(jì)使其較之旋翼機(jī)具備更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力。

2、與傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相比，本發(fā)明無(wú)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，安全性好。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)重量大；傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)一般有兩個(gè)同步的旋轉(zhuǎn)槳艙，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、控制策略要求較高，并且在垂直飛行時(shí)，對(duì)于飛行器的控制完全由旋翼提供，操縱效率不高。

3、與常規(guī)固定翼飛機(jī)相比，本發(fā)明能夠擺脫對(duì)于起飛場(chǎng)地的依賴(lài)，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起飛和超短距起飛，并且能夠在空中懸停。常規(guī)固定翼飛機(jī)一般需要較長(zhǎng)的跑道才能實(shí)現(xiàn)滑跑起飛和降落，這對(duì)于在城市中飛行的飛行器很難實(shí)現(xiàn)。

4、本發(fā)明具有成本優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)特殊的加工工藝和材料要求，制作成本低。性?xún)r(jià)比高，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于推廣。

結(jié)構(gòu)、操控等方面的改進(jìn)包括：

—通過(guò)使用滑流偏轉(zhuǎn)動(dòng)力增升技術(shù)實(shí)現(xiàn)了垂直/短距起降，大大降低了對(duì)地面場(chǎng)地的要求。

—該布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，操縱面少，操縱效率高，維護(hù)容易，制作成本低廉。

—?jiǎng)恿ο到y(tǒng)既可以采用電動(dòng)式，又可以設(shè)計(jì)為油電混合式。油電混合設(shè)計(jì)，可在主發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作的情況下，電機(jī)應(yīng)急使用，從而提高飛行安全。

—在空中可以實(shí)現(xiàn)大俯仰角懸停，在特殊情況下完成空中作業(yè)。

除了上述的實(shí)施例之外，本發(fā)明的其他可選實(shí)施例包括：

1、前發(fā)采用涵道形式(26)(圖4b)，替代螺旋槳(1)。(相對(duì)涵道，螺旋槳的效率更高可節(jié)約能源，而涵道相比更加安全美觀。)

2、飛行摩托的布局既可以設(shè)計(jì)為平直段機(jī)翼和后掠段機(jī)翼的組合機(jī)翼形式，也可以設(shè)計(jì)為較小后掠角的后掠翼(27)形式(圖4b)。小后掠角機(jī)翼相對(duì)大后掠機(jī)翼的滑流增升效率更高。