专利名称：双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器及其实现方法
技术领域：
本发明涉及航空器材领域中的一种飞行装置及其实现方法，具体地讲，涉及的是双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器及其实现方法。
背景技术：
目前现有交通工具种类繁多，用途多样化，大到起飞重量达到600吨的安-225巨型飞机，小到随处可见的自行车。此前的一个世纪，各种无不给人们带来了巨大的方便，然而现在随着汽车数量的增多，在各个大中城市中堵车即成为了一种惯例，同时燃油尾气也成了一个隐形杀手，其中有害物质危害地球环境和人类健康也逐渐引起大家的共鸣。
如今大部分的交通工具对我们的出行都或多或少带有负面影响。汽车一我们会担心出远门、上高速会不会堵车；油耗也是我们面临的另一个问题。按照现在石油的需求量，相关专家预计世界上的石油只够维持汽车再在地球上奔跑50年时间，随着石油储备量的减少，其价格也会越高，最终石油将成为人类的奢侈品。因此依靠石油作为能源的发动机最终会被淘汰。而相对于电动汽车，我们就必须忍受堵车、速度慢带来的影响。同时，对于现有大多数飞行器来说，要么是需要跑道的大中型飞机，要么是直升机，或者两者相结合的飞行器。后者结构和原理为在飞行器腹部安装有涡轮风扇，风扇旋转带动气流相下移动，从而为飞行器提供足够的推力，实现垂直升降；然而在水平前进时，飞行器腹部的涡轮风扇由百叶窗关闭，这时飞行器利用安装在其尾部的推力螺旋桨或旋翼为其提供水平推力；这样的飞行器在垂直升降和水平前进时采用两套飞行机构，增多了飞行器发动机个数，使飞行器需要更大的动力供给，由此飞行器需要提供更大的油箱，而发动机和油箱这两部分大大增加了飞行器的重量，使其能源利用效率较低。如今的直升机，其动力都来至于其顶部巨大的旋翼，旋翼旋转带动气流向下移动，从而产生大于自身重力的推力。在前进状态，直升机通过改变旋翼的倾角使直升机有向前的推力，但是这不能使旋翼垂直于或接近垂直于前进方向，根据力学原理，旋翼产生的推力一部分用于抵消直升机的自身重力，仅有一部分用于向前推进，并且其机身不能提供升力，大大降低了直升机平移时的发动机效率，从节能角度来看，它是不可取的；同时直升机上巨大外露的旋翼也给其本身和外部环境构成了一定的威胁，尤其是在较为狭小的空间穿行时，不能很好地保证飞机安全；其次直升机操作复杂，需要专业的驾驶员驾驶，而且直升机的结构复杂，其使用过程中产生的费用以及维护维修费用均很高，不利于个人家庭航空飞行器的发展。如今私人飞机起飞降落都离不开机场的配合，巨大的维护维修费用也是不可忽略的因素。面对以上问题，尤其是在利用飞行器实现运输载人时如何实现快速起降并且节约能源、降低成本成为本技术领域人员急需解决的难题
发明内容
本发明的目的在于解决现有飞行器要么需要跑道、要么能源利用效率低以及自身存在安全隐患的问题，提供一种不需要跑道、能快速垂直起降、远距离高空快速飞行的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，包括飞行舱，涵道螺旋桨动力系统，操控平台；所述飞行舱两侧均设有与之固为一体的立面侧翼；所述涵道螺旋桨动力系统在飞行舱前后两端各设置一个并均与两侧的立面侧翼连接；一侧立面侧翼上设有自平衡机构，另一侧立面侧翼上设有涵道转动机构，二者均与涵道螺旋桨动力系统连接；操控平台位于飞行舱内用于控制各机构运转，飞行舱内还设有提供动力的电池组。具体地讲，所述涵道螺旋桨动力系统包括由涵道骨架和蒙皮构成的涵道，位于涵道中心轴线上并与涵道骨架固定连接的电机，位于涵道前部并与电机连接的螺旋桨和其上方的整流罩，以及位于涵道后部并与涵道骨架连接的尾翼转向机构；两侧的立面侧翼分别通过自平衡机构、涵道转动机构与涵道骨架连接。·进一步地，所述自平衡机构包括与涵道骨架连接的第一涵道导槽，与立面侧翼固定连接的第一安装架，连接第一涵道导槽和第一安装架的第一导轨，连接第一涵道导槽和第一导轨的平衡螺母，套接于第一导轨内并与平衡螺母连接的螺杆，与螺杆连接的平衡电机，以及与平衡电机连接的陀螺仪。更进一步地，所述涵道转动机构包括与涵道骨架连接的第二涵道导槽，与立面侧翼固定连接的第二安装架，连接第二涵道导槽与第二安装架的第二导轨，位于第二安装架上与第二导轨键连接的蜗轮，与蜗轮匹配的蜗杆，以及与蜗杆连接并受操控平台控制的步进电机，其中，第一涵道导槽和第二涵道导槽位于涵道的同一水平直径上。其中，所述尾翼转向机构包括位于与第一涵道导槽和第二涵道导槽所在的涵道水平直径相垂直的涵道直径上的尾翼，将尾翼两端连接于涵道骨架上的第三安装架，位于尾翼的转轴上的第一固定件，位于涵道骨架上的第二固定件，连接上述两个固定件的回位弹簧，分别位于第三安装架两侧的涵道骨架上的两个钢丝绳导向件，以及各穿过一个钢丝绳导向件并均连接第一固定件和操控平台的两根钢丝绳。再进一步地，所述操控平台包括驾驶员座椅，位于驾驶员座椅两侧的两个手柄座，安装于手柄座内分别控制前后两个步进电机的两个平移手柄，位于一个平移手柄上控制电机的启动手柄，位于驾驶员座椅前下方并分别控制前后尾翼转向机构的两个左转脚踏和两个右转脚踏，以及位于驾驶员座椅前方的仪表显示系统。为了更好地实现本发明，所述飞行舱呈机翼状流线型，且飞行舱和立面侧翼由主体骨架和蒙皮构成，其一侧设有单开门。作为优选设计，所述电池组的数量为偶数，均匀布置于以该飞行器的左右中心线为对称线的主体骨架两内侧边缘的对称位置，以平衡飞行舱的局部重量。为了应急突发情况，所述飞行舱上部还设有安全降落伞。为了便于着落，保证飞行器安全，所述飞行器底部还设有可收入蒙皮内的支撑装置。基于上述双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器的结构，本发明还提供了该飞行器的实现方法，包括以下步骤(1)调整平移手柄使涵道呈初始状态，通过启动手柄开启电机，带动螺旋桨旋转，当涵道螺旋桨动力系统产生的向下推力大于飞行器重力时，飞行器上升离开地面；
(2)上升过程中，陀螺仪检测飞行器重心是否稳定，若是，则自平衡机构不动作，反之，则陀螺仪控制平衡电机启动，调整涵道左右移动，直至飞行器重心稳定；
(3)前推平移手柄，使步进电机正方向转动，步进电机控制蜗杆和蜗轮正方向转动，带动第二导轨以及第二涵道导槽转动，使涵道螺旋桨动力系统正方向转动，其产生的推力由竖直方向逐渐向后倾斜，为飞行器提供向后的推力，同时，螺旋桨旋转产生的加速气流流经飞行舱上表面，使飞行器上下表面的气流产生流速差，从而使飞行器获得向上的升力，抵消飞行器自重，而螺旋桨推力使飞行器前飞；
(4)控制启动手柄保持电机电路电流不变，使飞行器定速巡航； (5 )当飞行器需要转向时，踩下左转脚踏或者右转脚踏使尾翼相应地偏转，飞行器完成相应地转向，转向完毕后松开脚踏，尾翼回复中心位置，飞行器继续前飞；
(6)当飞行器即将到达目的地时，后移平移手柄，使步进电机反方向转动，步进电机控制蜗杆和蜗轮反方向转动，带动第二导轨以及第二涵道导槽转动，使涵道螺旋桨动力系统反方向转动，涵道逐渐返回竖直状态，其产生的向后推力逐渐减小，飞行器减速，而推力的方向逐渐调整为向下，到达目的地时，飞行器停止前进，向下的推力抵消飞行器自重，使飞行器在目的地上方悬停；
(7)控制启动手柄，使电机逐渐减速，螺旋桨相应地逐渐减速，向下的推力逐渐减小，当推力小于重力时，飞行器逐渐下降至目的地地面。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
(I)本发明的结构不同于现有的直升机或其他飞行器，其涵道螺旋桨动力系统可以沿导轨旋转倾斜，为飞行器提供上升和前进的推力，当涵道的进出口呈竖直方向时，螺旋桨旋转产生向下的推力，抵消飞行器的自身重力，使飞行器实现垂直起降，当涵道的进出口旋转至飞行方向时，螺旋桨旋转产生向后的推力，结合飞行舱自身的流线型，使飞行器实现向前飞行，为个人、家庭航空飞行器的发展开辟出一条新的途径，具有突出的实质性特点和显著的进步。(2)本发明的飞行舱采用机翼式流线型设计，且位于前后两个涵道螺旋桨动力系统之间，在飞行时，涵道螺旋桨动力系统产生强烈的水平方向气流流经飞行舱上表面，根据伯努利原理，飞行舱的流线型设计使气流在其上下表面形成足够的流速差，下表面的空气产生强大的升力，以此抵消飞行器飞行时的重力，而涵道螺旋桨动力系统提供的推力可以在飞行时最大程度上保持水平方向，不必分出一部分推力克服自身重力，完全为前进提供动力，极大地提高了动力转化的效率，从而极大地提高了其电机效率，节约了能源。(3)本发明通过设置立面侧翼，使流经飞行舱上表面的气流尽可能多地从飞行舱后方流出，由此起到了加速气流的作用，也使流经飞行舱上表面的气流更为集中，由此提高了飞行舱下表面空气产生的升力，并保证了该升力的稳定性。(4)由于本发明的飞行舱前后均设置有涵道螺旋桨动力系统，为了防止螺旋桨旋转产生的扭力过大，其中两套动力系统中使用的两个螺旋桨采用旋向相反的设计，由此可以相互抵消由于螺旋桨旋转产生的扭力，使飞行器自身处于平衡状态，保证平稳飞行。(5)本发明设置的自平衡机构和涵道转动机构在涵道螺旋桨动力系统两侧分别与两侧的立面侧翼连接，并且二者相互配合实现涵道螺旋桨动力系统的左右自平衡移动和前后方向旋转，不仅使飞行器在转向时能够自动平衡重心，保证了整体平衡，而且通过涵道转动机构实现飞行器起降和前进的任意切换。(6)本发明的尾翼用于飞行器转向，通过操控平台内的左右脚踏控制前后尾翼的左右摆动改变涵道气流方向产生一定的扭力，从而实现了飞行方向的偏转或平移。(7)本发明将连接前后涵道螺旋桨动力系统的两套自平衡机构和涵道转动机构按照中心对称方式设计，以平衡自身重量均衡，即一侧立面侧翼的前部设置自平衡机构、后部设置涵道转动机构，另一侧立面侧翼的前部设置涵道转动机构、后部设置自平衡机构，同时，整个飞行器采用电池供电，并且通过设置在飞行器两侧边缘位置的电池仓安装电池组， 既为飞行提供了充足的能量，又能够有效地使飞行器自身局部重量均衡，保证其运行的平稳。(8)本发明通过在飞行舱顶部安装安全降落伞等紧急备用装置，在遇到突发情况时，能够启动紧急按钮，一方面弹出安全降落伞使飞行器缓慢降落，另一方面救援系统向救援中心发送求救信号，以尽快获得救援，减少生命财产的损失。(9)本发明通过在底部安装支撑装置，使其在降落时避免飞行舱直接与地面接触，保证飞行器安全，同时该支撑装置在飞行时能够收入蒙皮内，使飞行器表面保持平滑的流线型，保证飞行器正常稳定地运行。
图I为本发明的外形结构示意图。图2为本发明飞行前进状态的外部结构示意图。图3为本发明的骨架结构示意图。图4为本发明中涵道螺旋桨动力系统的外部机构示意图。图5为本发明中涵道螺旋桨动力系统的内部结构示意图。图6为本发明中自平衡机构的结构示意图。图7为本发明中涵道转动机构的结构示意图。图8为本发明中尾翼转向机构的连接部分局部示意图。图9为本发明中操控平台的结构示意图。上述附图中，附图标记对应的部件名称如下
I-飞行舱，2-涵道螺旋桨动力系统，3-自平衡机构，4-涵道转动机构，5-尾翼转向机构，6-操控平台；
II-立面侧翼，12-电池组，13-主体骨架，14-单开门；
21-涵道骨架，22-螺旋桨，23-整流罩，24-电机；
31-第一涵道导槽，32-第一安装架，33-第一导轨，34-平衡螺母，35-螺杆，36-平衡电
机；
41-第二涵道导槽，42-第二安装架，43-第二导轨,44-蜗轮,45-蜗杆,46-步进电机；51-尾翼，52-第三安装架，53-第一固定件，54-第二固定件，55-回位弹簧，56-钢丝绳导向件，57-钢丝绳；
61-驾驶员座椅，62-手柄座，63-启动手柄，64-平移手柄，65-左转脚踏，66-右转脚踏，67-仪表显示系统。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例如图I 图3所示，该双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，包括飞行舱1，立面侧翼11，操控平台6，涵道螺旋桨动力系统2，自平衡机构3，涵道转动机构4，电池组12。其中，立面侧翼位于飞行舱两侧并与之固为一体，采用共同的主体骨架13和蒙皮制成，并且根据其结构采用单开门14设计，在其内部设置用于控制各机构运转的操控平台6和为飞行器提供动力的电池组12 ;涵道螺旋桨动力系统的数量为两个，分别位于在飞行舱前后两端，每个涵道螺旋桨动力系统通过自平衡机构与一侧立面侧翼连接，并通过涵道转动机构与另一侧立面侧翼连接，与同一涵道螺旋桨动力系统连接的自平衡机构和涵道转动机构在 涵道螺旋桨两侧相互配合，二者的连线沿涵道的水平直径穿过其中轴线，使其能够平稳地左右移动和前后翻转，为了使整体重量均衡，前后两端的两套自平衡机构和涵道转动机构按照中心对称方式设计，即一侧立面侧翼的前部设置自平衡机构、后部设置涵道转动机构，另一侧立面侧翼的前部设置涵道转动机构、后部设置自平衡机构。具体地讲，飞行舱采用机翼式流线型设计，S卩，其前端大、后端小、下表面平整、上表面弯曲平滑，如此设计可以使飞行器在飞行时气流在飞行舱上下表面形成流速差，上表面的气流流速大于下表面，根据伯努利原理，下表面的空气由此产生升力，抵消飞行器自身的重力。同时，前端的涵道螺旋桨动力系统在飞行时通过螺旋桨加速了气流流速，该加速气流流经飞行舱上表面，增加了下表面空气产生的升力，保证飞行时升力能够完全抵消飞行器的自身重力。另一方面，飞行舱两侧的立面侧翼设计为竖直的立面造型，其高度略高于飞行舱的最高高度，该设计能够使流经飞行舱上表面的气流尽可能多地沿飞行舱后部流出，而不是从两侧流出，再次加速了流经飞行舱上表面的气流，进一步提高了下表面空气产生的升力，而且使气流更为集中，保持了产生的升力的稳定性。如图4和图5所示,所述涵道螺旋桨动力系统3包括由涵道骨架21和蒙皮构成的涵道，位于涵道中心轴线上并与涵道骨架固定连接的电机24，位于涵道前部并与电机连接的螺旋桨22和其上方的整流罩23，以及位于涵道后部并与涵道骨架连接的尾翼转向机构5 ;涵道骨架与主体骨架通过自平衡机构和涵道转动机构连接。其中，电机24—般选用无刷直流电机，并且根据需要还可以在电机和螺旋桨之间连接增速机构，如齿轮系等，以使电机和螺旋桨的转速有一定的差别，螺旋桨通常采用双叶式，即螺旋桨的两个叶片在涵道直径方向中心对称，既可以保证足够的动力，又不会增加飞行器整体的重量。在飞行器垂直起飞时，螺旋桨旋转带动气流向下移动为飞行器提供推力，同时圆形的涵道也相当于环形机翼，当其内部空气流速大于其外表面空气流速时，外部空气产生对涵道的推力，两个推力共同作用使飞行器上升，从而降低了电机的运行功率，减少了动力能源消耗。其中，涵道的具体形状设计为现有技术，本发明中不再赘述。如图6所示，所述自平衡机构3包括与涵道骨架21连接的第一涵道导槽31，与主体骨架连接的第一安装架32，连接第一涵道导槽和第一安装架的第一导轨33，连接第一涵道导槽和第一导轨的平衡螺母34，套接于第一导轨内并与平衡螺母连接的螺杆35，与螺杆连接并安装于主体骨架上的平衡电机36，以及与平衡电机连接的陀螺仪。如图7所示，所述涵道转动机构4包括与涵道骨架连接的第二涵道导槽41，与主体骨架连接的第二安装架42，连接第二涵道导槽与第二安装架的第二导轨43，位于第二安装架上与第二导轨键连接的蜗轮44，与蜗轮匹配的蜗杆45，以及与蜗杆连接并安装于与主体骨架上且受操控平台控制的步进电机46。其中，第一涵道导槽和第二涵道导槽位于涵道的同一水平直径上，第一导轨和第二导轨可以采用分开设计，即分别位于其对应的涵道导槽内，也可以采用一体式设计，即为一根不规则的导轨，其一端按照第一导轨的形状设计，另一端按照第二导轨的形状设计。根据需要，通常第一导轨的中部为圆管状，便于安装螺杆，第二导轨与蜗轮连接处为带多个键槽的轴，其余部分为截面呈正方形的长方体，便于带动相应部件旋转。上述陀螺仪通常设置与操作平台内，并且将陀螺仪设计为控制板形式，相当于舵机，并设置传感器。当飞行器在运行中发生倾斜时，其重心也发生相应地倾斜，陀螺仪控制 板倾斜，而陀螺仪传感器检测到重心倾斜后接通平衡电机相应的正、反电路，平衡电机正、反方向旋转，使涵道螺旋桨相应地左右移动；当飞行器处于左右平衡状态时，控制板水平，则断开平衡电机的电路。该过程由陀螺仪根据飞行器状态自动调整，通常不需要驾驶员干预。如图8所示，进一步地，所述尾翼转向机构5包括位于涵道一直径上的尾翼51，将尾翼两端连接于涵道骨架上的第三安装架52，位于尾翼转轴上的第一固定件53，位于涵道骨架上的第二固定件54，连接上述两个固定件的回位弹簧55，分别位于第三安装架两侧的涵道骨架上的两个钢丝绳导向件56，以及各穿过一个钢丝绳导向件并均连接第一固定件和操控平台的两根钢丝绳57，通过操作平台收放钢丝绳的操作即可实现尾翼的偏转和回位。其中，尾翼所在的涵道直径与两个涵道导槽所在的涵道直径相互垂直。并且如图9所示，所述操控平台包括驾驶员座椅61，位于驾驶员座椅两侧的两个手柄座62，安装于手柄座内分别控制前后两个步进电机的两个平移手柄64，位于一个平移手柄上控制电机的启动手柄63，位于驾驶员座椅前下方并分别控制前后尾翼转向机构的两个左转脚踏65和两个右转脚踏66,以及位于驾驶员座椅前方的仪表显不系统67。驾驶员操作时，通过启动手柄开启或者关闭电机，并且启动手柄还可以调节电机的运转功率，以适应不同的飞行环境，达到节约能源的作用；通过平移手柄分别控制前后两个涵道螺旋桨动力系统的正反方向转动，实现飞行器的垂直起降和飞行，按照人们的操作习惯，通常启动手柄和右侧的平移手柄整合为同一手柄，即，该手柄下部位于手柄座中前后移动实现平移手柄的功能，上部则为旋转式握柄，通过旋转该握柄实现启动手柄的功能；通过四个脚踏分别控制前后尾翼转向，实现飞行器的飞行转向；仪表显示系统上安装有高度表、速度表、剩余电量表、方向导航等飞行常用设备，便于驾驶员监控飞行器的实时状态，陀螺仪控制板也安装于仪表显示系统内；并且根据飞行器的实际载重能力还可以设置一个或者多个乘客座椅。根据实际需要的不同，或者驾驶员操作习惯的不同，在操控手柄(包括手柄座62、平移手柄64、启动手柄63)的具体安装设计上还可以采用如下三种方案一、平移手柄只设置一个，配备相应的手柄座，其位于驾驶员座椅的左侧或者右侧或者其他方便驾驶员操作的位置，以同时控制前后两个步进电机实现两个涵道同步转动，启动手柄设置于平移手柄上部，二者整合为同一手柄，如此设计可以节约一定的安装空间和设备重量，并且驾驶员能够单手操控；二、平移手柄按上述方案一中的方式设置，但是启动手柄与平移手柄分开，单独设置，并设置与之相匹配的手柄座，该方案中启动手柄既可以设计为旋转式握柄，也可以设计为推拉杆式手柄，甚至设计为提杆式手柄亦可，如此设计是为将涵道的转动功能和电机、螺旋桨的启动功能分开操控实现，避免驾驶员遇到紧急事件出现误操作的情况；三、平移手柄设置两个，分别位于驾驶员座椅两侧，并配备相应的手柄座，而启动手柄则按上述方案二中的方式单独设置，以实现各功能操作的独立。整个飞行器采用电池组供电，避免了石油能源的限制，为了保证飞行器持久的动力来源，根据现有的电池技术，使用偶数个电池组的设计，均衡设置在主体骨架的内部两侧；并且为了使飞行器的局部重量均衡，作为优选，在主体骨架内的四角分别设置一个电池仓用以安装电池，通常每个电池仓内安装相同的一个或多个电池组。所述电池组可以采用现有的大储量低质量电池，如磷酸亚铁锂离子电池等，还可以采用核电池，以保证充足的飞行器动力，和飞行器平稳地运行。另外，在飞行舱上还设有紧急备用装置，如在飞行舱上部设置的安全降落伞，设置在飞行舱内的紧急救援系统等，当飞行遇到突发情况时，可以启动紧急按钮，弹出的安全降 落伞保证飞行器能够缓慢降落，同时紧急救援系统向救援中心发出紧急求救信号，以尽快获得救援，减小生命财广的损失。为了便于降落，在飞行器底部还设有可收入蒙皮内的支撑装置，该支撑装置为弹性支架或者弹性滚轮，在飞行器底部均匀合理的分布，保证稳定支撑，并且其具有一定的弹性，能够在降落时产生一定的缓冲作用，避免飞行器硬着陆，同时也能够避免飞行舱直接与地面接触，保证飞行器的安全。在飞行时，该支撑装置则收缩至蒙皮内部，使飞行器表面保持平滑的流线型，保证飞行器正常稳定地飞行。在飞行器的机械结构中，主体骨架、涵道骨架、涵道导槽、导轨、安装架以及其他需要刚性连接的部位可以选用低密度、高强度的材料，如镁铝合金、碳纤维复合材料或者有机合成材料等。而蒙皮可以采用现有的碳纤维、铝、镁铝合金、复合材料等飞机蒙皮材料，从而从整体上减轻飞行器的重量，降低电机的运行功率。另一方面，为了使驾驶员在操作中便于了解前方的情况，可以在飞行舱前方及两侧设置由高强度透明材料制成的视窗，前端的涵道上也设置相应地透明视窗，或者，在飞行器的前端设置摄像头，将前方的环境情况采集传输至飞行舱内部设置的显示屏上。为了增加驾驶员视野，还可以在飞行器的左、右、上、下、后五侧中的一侧或者多侧设置多个摄像头采集飞行器周边的环境情况，这些环境情况同样传输至其内部设置的显示屏上，供驾驶员观看，以全面了解飞行器周边的各种情况，以便应对各种突发事件。同时，为便于夜间行驶，可以在飞行器侧翼前后两个端面及飞行舱下表面设置前后照明灯及下降照明灯，可以再侧翼的侧面设置警示作用的轮廓灯。该飞行器的操作及实现方法如下
首先检查飞行器各部件状态是否正常，仪表显示系统是否正常，电池组电力是否充足，确认无误后，驾驶员在驾驶员座椅上就位，系好安全带，将平移手柄移动至初始位置，即涵道中轴线呈竖直状态，旋转启动手柄开启电机，螺旋桨旋转，调节启动手柄使螺旋桨转速增大，从而产生的向下推力逐渐增大，当推力大于飞行器重力时，飞行器上升离开地面。
飞行器上升时可能由于重心位置不稳定，导致飞行器基础平面倾斜，其倾斜时带动陀螺仪控制板倾斜，传感器发出信号，接通平衡电机相应的正、反电路，平衡电机正、反方向旋转，螺杆相应地旋转，并使平衡螺母沿第一导轨左右移动，实现涵道相应地左右移动，当达到平衡位置时，控制板水平，平衡电机电路断开，飞行器处于平衡位置。当飞行器离开地面一定高度后，同时前推两侧的平移手柄，接通步进电机电路，控制步进电机旋转，由此带动蜗杆和蜗轮正方向旋转，再带动第二导轨旋转，实现涵道逐渐向前倾斜，此时螺旋桨产生的加速气流逐渐流经飞行舱上表面，产生负压，下表面的空气由此产生升力，抵消飞行器自重，同时螺旋桨产生的加速气流向后流动，为飞行器提供前飞推力，实现飞行器前飞。其中，所述正方向是使螺旋桨产生的向下推力转至向后推力的小于180°的旋转方向。此时，保持电机电路状态即可实现定速巡航。定速巡航可以采用两种方式实现第一种，启动手柄为弹性旋转式，即其初始位置为电机电路关闭状态，对其施力旋转则闭合电机电路启动电机，并且旋转力度增大可以增加电机运行功率，取消施力则启动手柄回复关闭状态，同时在启动手柄上设置保持按钮，按下该按钮即可按当前电机电路状态进行保持， 即使取消施力电机电路也不会关闭，由此实现定速巡航；第二种，启动手柄为卡齿定位式，即启动手柄每次旋转后均能够自行定位，不会自动回复关闭状态，通过逐级旋转启动手柄可以实现增加电机运行功率的功能，其自行定位时即可实现定速巡航。如果需要升高或降低飞行高度，可以通过后移或推进平移手柄控制步进电机沿反方向或正方向旋转，以改变涵道的角度，使螺旋桨产生的水平推力改变为斜下或者斜上，从而产生向上或向下作用力，由此改变飞行高度。当飞行需要转向时，根据实际需要转向的角度，踩下一个或两个左转脚踏，控制尾翼左偏转，实现飞行器左转，或者，踩下一个或两个右转脚踏，控制尾翼右偏转，实现飞行器右转。松开脚踏后，尾翼转向机构的回位弹簧使尾翼复位(中心位置)，飞行器即可继续向前飞行。当飞行器即将到达目的地时，后移平移手柄使之回复初始位置，涵道逐渐返回竖直状态，向后的推力减小，飞行器减速，而推力方向转至向下用以抵消飞行器自重，从而实现飞行器在目的地上方悬停。然后控制启动手柄，使电机减速，螺旋桨减速，当推力小于重力时，飞行器缓慢下降。在飞行器下降过程中，可以通过调节尾翼的方向来控制飞行器在水平方向上的平移或转向，飞行器到达目的地上空，缓慢旋转启动手柄，使飞行器缓慢下降，直到安全降落到地面。该飞行器的操作方法简单易学，普通公众也可以轻松驾驭，完全不必像直升机操作需要专业的驾驶员，由此促进了个人家庭航空技术的发展。按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
权利要求
1.双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，包括飞行舱(1)，涵道螺旋桨动力系统(2)，操控平台(6)，其特征在于，所述飞行舱(I)两侧均设有与之固为一体的立面侧翼(11);所述涵道螺旋桨动力系统(2)在飞行舱(I)前后两端各设置一个并均与两侧的立面侧翼(11)连接；一侧的立面侧翼(11)上设有自平衡机构(3)，另一侧的立面侧翼(11)上设有涵道转动机构(4)，二者均与涵道螺旋桨动力系统(2)连接；操控平台(6)位于飞行舱(I)内用于控制各机构运转，飞行舱(I)内还设有提供动力的电池组(12 )。
2.根据权利要求I所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述涵道螺旋桨动力系统(2)包括由涵道骨架(21)和蒙皮构成的涵道，位于涵道中心轴线上并与涵道骨架(21)固定连接的电机(24 )，位于涵道前部并与电机(24 )连接的螺旋桨(22 )和连接于螺旋桨(22)上方的整流罩(23)，以及位于涵道后部并与涵道骨架(21)连接的尾翼转向机构(5);两侧的立面侧翼(11)分别通过自平衡机构(3)、涵道转动机构(4)与涵道骨架(21)连接。
3.根据权利要求2所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述自平衡机构(3)包括与涵道骨架(21)固定连接的第一涵道导槽(31)，与立面侧翼(11)连接的第一安装架(32 )，连接第一涵道导槽(31)和第一安装架(32 )的第一导轨(33 )，将第一涵道导槽(31)和第一导轨(33)连接的平衡螺母(34)，套接于第一导轨(33)内并与平衡螺母(34)连接的螺杆(35)，与螺杆(35)连接的平衡电机(36)，以及与平衡电机(36)连接的陀螺仪。
4.根据权利要求3所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述涵道转动机构(4)包括与涵道骨架(21)固定连接的第二涵道导槽(41)，与立面侧翼(11)连接的第二安装架(42)，连接第二涵道导槽(41)与第二安装架(42)的第二导轨(43)，位于第二安装架(42)上与第二导轨(43)键连接的蜗轮(44)，与蜗轮(44)匹配的蜗杆(45)，以及与蜗杆(45 )连接并受操控平台(6 )控制的步进电机(46 )，其中，第一涵道导槽(31)和第二涵道导槽(41)位于涵道的同一水平直径上。
5.根据权利要求4所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述尾翼转向机构(5)包括位于与第一涵道导槽和第二涵道导槽所在的涵道水平直径相垂直的涵道直径上的尾翼(51)，将尾翼(51)两端连接于涵道骨架(21)上的第三安装架(52)，位于尾翼(51)的转轴上的第一固定件(53)，位于涵道骨架(21)上的第二固定件(54)，连接第一固定件(53)和第二固定件(54)的回位弹簧(55)，两个分别位于第三安装架(52)两侧的涵道骨架(21)上的钢丝绳导向件(56)，以及各穿过一个钢丝绳导向件(56)并均连接第一固定件(53 )和操控平台(6 )的两根钢丝绳(57 )。
6.根据权利要求5所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述操控平台(6 )包括驾驶员座椅(61)，两个位于驾驶员座椅(61)两侧的手柄座(62 )，安装于手柄座(62)内分别控制前后两个步进电机(46)的两个平移手柄(64)，位于一个平移手柄(64)上控制电机的启动手柄(63),位于驾驶员座椅(61)前下方并分别控制前后尾翼转向机构(5)的两个左转脚踏(65)和两个右转脚踏(66)，以及位于驾驶员座椅(61)前方的仪表显示系统(67)。
7.根据权利要求I 6任一项所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述飞行舱(I)呈机翼状流线型，且飞行舱(I)和立面侧翼(11)由主体骨架(13)和蒙皮构成，其一侧设有单开门(14)。
8.根据权利要求7所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述电池组(12)的数量为偶数，均匀布置于以该飞行器的左右中心线为对称线的主体骨架(13)两内侧边缘的对称位置。
9.根据权利要求8所述的双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，其特征在于，所述飞行舱(I)上部设有安全降落伞和/或底部设有可收入蒙皮内的支撑装置。
10.双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)调整平移手柄使涵道呈初始状态，通过启动手柄开启电机，带动螺旋桨旋转，当涵道螺旋桨动力系统产生的向下推力大于飞行器重力时，飞行器上升离开地面； (2)上升过程中，陀螺仪检测飞行器重心是否稳定，若是，则自平衡机构不动作，反之，则陀螺仪控制平衡电机启动，调整涵道左右移动，直至飞行器重心稳定； (3)前推平移手柄，使步进电机正方向转动，步进电机控制蜗杆和蜗轮正方向转动，带动第二导轨以及第二涵道导槽转动，使涵道螺旋桨动力系统正方向转动，其产生的推力由竖直方向逐渐向后倾斜，为飞行器提供向后的推力，同时，螺旋桨旋转产生的加速气流流经飞行舱上表面，使飞行器上下表面的气流产生流速差，从而使飞行器获得向上的升力，抵消飞行器自重，而螺旋桨推力使飞行器前飞； (4)控制启动手柄保持电机电路电流不变，使飞行器定速巡航； (5 )当飞行器需要转向时，踩下左转脚踏或者右转脚踏使尾翼相应地偏转，飞行器完成相应地转向，转向完毕后松开脚踏，尾翼回复中心位置，飞行器继续前飞； (6)当飞行器即将到达目的地时，后移平移手柄，使步进电机反方向转动，步进电机控制蜗杆和蜗轮反方向转动，带动第二导轨以及第二涵道导槽转动，使涵道螺旋桨动力系统反方向转动，涵道逐渐返回竖直状态，其产生的向后推力逐渐减小，飞行器减速，而推力的方向逐渐调整为向下，到达目的地时，飞行器停止前进，向下的推力抵消飞行器自重，使飞行器在目的地上方悬停； (7)控制启动手柄，使电机逐渐减速，螺旋桨相应地逐渐减速，向下的推力逐渐减小，当推力小于重力时，飞行器逐渐下降至目的地地面。
全文摘要
本发明公开了一种双涵道螺旋桨垂直起降电动载人飞行器，属于航空器材领域。该飞行器，包括飞行舱，涵道螺旋桨动力系统，操控平台；所述飞行舱两侧均设有与之固为一体的立面侧翼；所述涵道螺旋桨动力系统在飞行舱前后两端分别与立面侧翼连接；一侧立面侧翼上设有自平衡机构，另一侧立面侧翼上设有涵道转动机构，二者均与涵道螺旋桨动力系统连接；操控平台位于飞行舱内，飞行舱内设有电池组。本发明还提供了该飞行器的实现方法，其利用螺旋桨旋转产生推力，并通过自平衡机构和涵道转动机构相互配合实现涵道的左右自动平衡和前后转动，结合飞行舱的机翼式流线型设计，实现飞行器的垂直起降和前进，充分利用了电机的效率，节约了能源，且更加安全。
文档编号B64C27/12GK102874408SQ20121043202
公开日2013年1月16日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者冯小淋 申请人:冯小淋