可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法

本发明属于飞行器，特别涉及一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法。

背景技术：

1、垂直起降飞行器无需跑道、起降机动灵活，广泛应用于空中客运、快速货运、农业植保、应急搜救、等任务；其中，常见的垂直起降飞行器包括直升机、多旋翼飞行器、分布式涵道风扇飞行器、倾转旋翼飞行器等。进一步解释性的，由于垂直起降飞行器的飞行时间和航程限制，在海洋、湖泊、河流上空执行任务时，飞行器需要具有能够在水面上驻留、起降甚至游动的功能，如此不仅可以节省能源，还可以为执行水上搜救等水上任务提供便利。

2、目前，现有公布的垂直起降飞行器多数针对陆上起降而设计，配置的动力系统、稳定控制系统等无法满足水上垂直起降的能力要求，少数飞行器虽可以实现水上垂直起降，但并未设计水上游动控制系统，不利于进行水上任务。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及水上自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的使用场景。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，包括：机身、前翼、后翼、涵道风扇、倾转伺服机构和飞行控制器；其中，

4、所述机身的底部采用船底构型，露出水面部采用座舱式结构；所述机身安装有作为升力翼面的所述前翼和所述后翼；

5、所述涵道风扇为电机驱动的动力装置，包括前排涵道风扇和后排涵道风扇；其中，所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并处于所述机身的两侧，各前排涵道风扇均配置有所述倾转伺服机构，用于驱动前排涵道风扇进行倾转；所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并处于所述机身的两侧，各后排涵道风扇均配置有所述倾转伺服机构，用于驱动后排涵道风扇进行倾转；各前排涵道风扇和各后排涵道风扇倾转的角度范围至少包括0°～90°；

6、所述飞行控制器用于控制各倾转伺服机构，驱动对应的前排涵道风扇或后排涵道风扇进行倾转；所述飞行控制器用于控制各涵道风扇的电机的转速。

7、本发明的进一步改进在于，

8、所述船底构型为气动修形后的游艇船底构型。

9、本发明的进一步改进在于，

10、所述前翼和所述后翼均采用机翼结构。

11、本发明的进一步改进在于，

12、所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并处于所述机身的两侧具体为，所述前排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述前翼并对称布置于所述机身的两侧；

13、所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并处于所述机身的两侧具体为，所述后排涵道风扇的数量为多个，分别安装于所述后翼并对称布置于所述机身的两侧。

14、本发明的进一步改进在于，

15、所述机身上安装的所述前翼与所述后翼存在高度差；

16、布置于所述前翼的所述前排涵道风扇与布置于所述后翼的所述后排涵道风扇存在高度差。

17、本发明的进一步改进在于，

18、所述前排涵道风扇与所述后排涵道风扇之间存在的高度差δh满足，

19、l≥6d时，δh≥20％d；

20、l≤6d时，δh≥20％d+5％(6d-l)；

21、式中，d为所有涵道风扇中尺寸最大涵道风扇的直径d；l为前排涵道风扇与后排涵道风扇的间距；

22、所述前排涵道风扇、所述后排涵道风扇的最低高度hmin满足，

23、hmin≥40％(h-hcsx)；

24、式中，h为机身高度；hcsx为满载水上降落吃水线高度。

25、本发明的进一步改进在于，还包括：

26、动力电池，用于为所述涵道风扇飞行器上的用电设备进行供电。

27、本发明的进一步改进在于，还包括：

28、船桨推进装置，所述船桨推进装置固定安装于所述机身的后端。

29、本发明的进一步改进在于，

30、所述涵道风扇的总拉力超过预设满载重量的120％，各涵道风扇的电机具有防水功能。

31、本发明提供的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器的操作方法，包括：

32、所述涵道风扇飞行器进行平飞时，所有涵道风扇倾转至0°的水平状态，以提供前飞拉力；

33、所述涵道风扇飞行器进行垂直起降时，所有涵道风扇倾转至90°的垂直状态，以通过涵道风扇提供充足的拉力实现陆地或水上垂直起降；

34、所述涵道风扇飞行器进行水上游动时，部分涵道风扇倾转至水平状态，以提供游动拉力；部分涵道风扇倾转至45°～90°的倾斜状态，以提供水上姿态稳定控制力；其中，水上游动所需的航向控制由所述飞行控制器下发指令，对处于水平状态的涵道风扇进行差速控制，使得机身左右两侧布置的涵道风扇产生力矩并实现飞行器航向偏转；水上游动所需的姿态稳定控制由所述飞行控制器下发指令，根据机身姿态控制机身左右两侧处于倾斜状态的涵道风扇达到不同转速，以产生不同拉力来保持机身姿态稳定。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、本发明提供的可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，采用涵道风扇电推进作为动力，可提高飞行器对外部人员的安全性；采用机身和船底构型融合设计结构，能够兼顾飞行性能和游动性能；采用飞行控制器控制倾转伺服机构驱动涵道风扇倾转与控制电机转速的耦合控制手段，可实现飞行器水上垂直起降和自由游动功能，能够解决水上游动稳定控制的技术问题。综上，本发明公开了一种基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的使用场景。

37、本发明中，前排涵道风扇和后排涵道风扇布置有高度差，可独立转速控制和倾转控制，前排、后排涵道风扇分别倾转至水平、垂直或倾斜状态，能够产生前向拉力、向上拉力、航向力矩和机身姿态稳定力矩，实现飞行器在水面的自由游动；前排涵道风扇和后排涵道风扇可独立转速控制和倾转控制，产生各自独立的推力矢量，可平静水面可以控制飞行器以一定的抬头姿态角在滑行起降，借助涵道风扇向上拉力和翼身气动力来降低对飞行器的能源消耗。

技术特征：

1.一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，包括：机身(1)、前翼(4)、后翼(5)、涵道风扇、倾转伺服机构(6)和飞行控制器(7)；其中，

2.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求1所述的一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器，其特征在于，

10.一种权利要求1至9中任一项所述的可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器的操作方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于飞行器技术领域，公开了一种可水上垂直起降和游动的涵道风扇飞行器及其操作方法；所述涵道风扇飞行器包括：机身、前翼、后翼、涵道风扇、倾转伺服机构和飞行控制器；其中，涵道风扇包括前排涵道风扇和后排涵道风扇；前、后排涵道风扇的数量均为多个，分别安装于前、后翼并处于机身的两侧，各前、后排涵道风扇均配置有倾转伺服机构，用于驱动前排涵道风扇进行倾转，倾转的角度范围至少包括0°～90°；飞行控制器用于控制各倾转伺服机构驱动涵道风扇倾转以及控制各涵道风扇电机的转速。本发明公开了基于涵道风扇电推进的、可水上垂直起降及水上自由游动的飞行器方案，可应用于飞行器执行水上任务的场景。

技术研发人员：熊俊辉,陈新民,吴正园,冯伯琦,陆佳南,俞浪
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22