[发明专利]一种飞行器

说明书

本发明提供了一种飞行器。该飞行器包括：氦气舱、载荷舱、两个方向舵机、降落支撑、至少两个旋翼助推器和浮力调节装置；所述浮力调节装置包括：压缩空气罐、压缩氦气罐、气体压缩/透平系统和控制器。应用本发明可以在该飞行器飞行的任何阶段(起飞、巡航以及降落)有效地、大范围地调节该飞行器的浮力大小。

技术领域

本申请涉及飞行器制造技术领域，尤其涉及一种包含轻质气体气囊作为主要浮力提供形式，可变角度旋转的多旋翼作为辅助浮力和主要平动动力的飞行器。

背景技术

根据升力产生的来源，现有技术中所使用的飞行器一般可大致分为三类：固定翼飞行器、旋翼飞行器和浮空器。其中，固定翼飞行器的升力来源于空气动力；旋翼飞行器的升力来源于矢量推力；浮空器的升力来源于轻质气体产生的浮力。近几年来，随着相关技术的成熟，多旋翼飞行器得到越来越多的关注。

多旋翼飞行器的优点在于可以垂直起降、易于实现电动化、飞控系统成熟、飞行品质稳定等。由于旋翼飞行器在整个飞行过程中，旋翼需提供足够的竖直升力和前进动力，因此能源消耗大。为了增大飞行器的航程，需要在飞行器上设置更多的电池组，使得旋翼的输出功率和能耗进一步加大，而且又带来更大的重量。因此，由于续航里程有限，多旋翼飞行器的应用场景有较大的局限性。

现有技术中还提出了一种结合多旋翼和固定翼的技术方案，该技术方案具有垂直起降、飞行速度快、航程远等优点，但是开发难度非常大，仅有少数公司开发成功。

现有技术中已经提出了一种轻质气体气囊和多旋翼结合的飞行器技术方案。该技术方案综合了浮空器和多旋翼飞行器的优点，能够实现垂直升降，载重大，能耗小，结构简单，成本低廉，易于实现电动化。但是，这种飞行器还存在需要攻克的难点，例如，在装载/卸载负荷时，如何有效调节升力的问题。

假设飞行器的自重为M1，载荷为M2，旋翼所能提供的最大升力为F1_max，浮空器所能提供的最大浮力为F2_max，则当该飞行器平飞时应满足的条件为：

有负载情况下：F1+F2＝M1+M2； (1)

无负载情况下：F1'+F2'＝M1； (2)

其中，F1和F1'是旋翼在两种情况下所提供的升力，F1和F1'的取值范围是[0，F1_max]，即最小为0，最大为F1_max；F2和F2'是浮空器在两种情况下所提供的升力，F2和F2'的取值范围是[0，F2_max]，即最小为0，最大为F2_max。

为了最大程度地利用浮空器的浮力来承担载荷以节约能耗，假设F2和F2'均为定值F2_max，在上述两式成立的情况下，当F1'＝0时，浮空器的浮力最大值F2_max将与飞行器的自重M1相等，即浮空器的浮力全用于抵消飞行器的自重。此时，旋翼所提供的升力用于提供相当于载荷的重量的升力，即：

有负载情况下：F1＝M2，F2＝F2_max＝M1 (3)

根据旋翼飞行器的载荷与能耗关系图表可知，旋翼飞行器的载荷与小时能耗呈指数关系。例如，当旋翼飞行器的载荷分别是基础载荷的5倍、10倍、50倍和100倍时，小时能耗分别是原来的11.2倍、31.8倍、246.3倍和586.1倍。因此可知，减少旋翼飞行器的载荷是降低小时能耗的关键，即增大航程的关键。

根据上述的公式(1)和(2)可知，F1和F1'的取值范围是[0，F1_max]，最小的取值为0，此时可以最大化地减少耗能，因此有：

有负载情况下：F2＝M1+M2； (4)

无负载情况下：F2'＝M1； (5)