[发明专利]非常规偏航控制系统

说明书

本发明公开了一种非常规的针对固定翼飞行器的偏航控制系统，其特征在于：一个或多个固定式机翼，一个或多个能绕垂直轴或近似垂直轴旋转的马达鞍座。本发明对无人驾驶以及能够垂直起降的固定翼飞机特别有用。马达鞍座相对垂直轴线的角度偏转，产生相应的马达、马达轴和推进矢量的角度偏转。当推进矢量偏转时，该力将不再通过飞机重心，从而产生一个非零偏航力矩。本发明结合升降副翼或一个升降副翼+襟翼可以实现仅用三个驱动装置便可实现对飞机的全面的三轴控制。

技术领域

本发明涉及飞机控制系统领域。

背景技术

从莱特兄弟时代，就已开始利用可转动的控制面作为飞机的控制系统。最早的飞机上使用的升降舵和方向舵分别控制飞机的俯仰和偏航/侧翻。这些飞机的侧翻和转向都很慢。翘曲机翼是由莱特兄弟发明的，首次实现了独立的飞机三轴控制，并增加了侧翻速率，减少了转弯半径。后来，格伦·柯蒂斯发明了飞机副翼aileron来控制侧翻，与翘曲机翼相比，是一个有显著的简化和改良的伟大发明。

此后，人们发明了各种飞机控制系统。其中包括升降稳定器stabilator，它是把水平稳定器的稳定功能和升降舵的俯仰控制功能结合的一个控制系统。另外一种发明是升降副翼elevon，它结合了升降舵和副翼的功能，通常用于飞翼机和混合翼身设计中。该升降副翼利用对称偏转差异来实现独立的俯仰和滚转控制。类似的，可旋转的鳍（或可旋转的垂直安定面，或垂直全动尾翼）也被发明了，实现了垂直稳定器和方向舵的功能的结合。另外一种发明是V型尾翼，作为混合垂直/水平安定面，通常具有混合方向舵/升降舵的可动控制面。

一些固定翼垂直起降（VTOL）飞机被形容为X-翼机，其上有四个可移动的控制表面，本质上是两个相邻的V-机尾。这些机型可能有四个铰接在固定稳定器上、可分别转动的独立控制面，类似于原始固定翼机的传统方向舵和升降舵，或者类似于常用在火箭和导弹上的可动的鳍。

推进力导向改变的方法已被用于战斗机等机型，以及使用多个小推进器的航天和“升力风扇”（lift fan）型的固定翼垂直起降飞机。某些机型利用两个通常置于机翼两端的马达，产生不同的推进力，从而实现偏航控制。通过移动整个发动机或马达而达到推进力导向改变，从而控制飞机的转动控制，是非常规的。倾转旋翼式飞机，譬如V-22鱼鹰机型，利用旋转发动机实现推进力导向改变，但是其发动机是绕水平轴旋转的，以达到在悬停状态承载机身重量，和在常规飞行状态下提供向前推进力的目的。带有旋翼（rotor）的机型是部分通过旋翼叶片的周期性变桨来实现飞机的转动控制的，不是通过推进力导向改变的方法，譬如直升机的例子。

本发明的重要作用是开创了一种飞机偏航控制的新概念，这个新概念利用马达鞍座的角度偏转和任何附属马达，实现推进力导向改变，从而产生偏航力矩。这种方法可以用于所有固定翼飞机。这种方法解决了飞行中悬停方位的偏航控制的问题，所以对于具备中心线推进系统、能在空中悬停的飞翼机特别有用。

具有中心线推进系统的能够悬停的飞翼机型的现有偏航控制系统存在许多未解决的问题。问题之一与鳍阻力有关。这里的用语“鳍”包括可动的部分和全动型。飞翼机的“鳍”的力矩臂相对较短，因此在常规飞行和悬停时时需要较大的鳍来提供足够的偏航稳定性和控制。而在空中悬停飞行状态下，则需要比常规飞行状态更大的鳍来保持偏航稳定性。这样就造成了在常规飞行状态不必要的阻力代价。这是问题一。

以下说明集中讨论在悬停状态的飞行。

当一个传统方向舵向左转向时，鳍翼型就会产生一个有效拱弧线（camber）和攻角就会有一个向右的力施加在鳍上。如果鳍位于质量中心后方，就会产生一个使机头左转的力矩，使飞机向左偏航。机头向左的偏航速率导致后方的鳍向右摆动，因此一个向左的相对空气速度分量会撞击到鳍上。如果这个速度分量变得足够大，就会造成具有有效拱弧线的鳍翼型的实际攻角变为负值，进而造成鳍的失速。因此，必须对偏航速率进行严格限制以防止鳍失速，这样做的后果是牺牲偏航机动性。这是问题二。