[发明专利]用于控制飞行方向的系统

说明书

技术领域

本发明涉及固定翼飞行器例如滑翔机和螺旋桨驱动的飞机和扑翼飞行器例如扑翼飞机。尤其涉及用于控制这些飞行器的飞行方向的装置和方法。

背景技术

典型地，副翼和升降舵控制着飞机的飞行方向。副翼通常是尾缘的一部分，尾缘即机翼的尾部部分，其是铰接的因此它能够上下倾斜。当副翼向下倾斜时，它改变了机翼的形状从而有效地增加了迎角和攻角，由此也增加了机翼上的升力。当一个机翼上的副翼向下倾斜时，通常另外一个机翼上的副翼向上倾斜，由此减小这个机翼上的升力。

迎角是指翼的弦线与飞行器本身的纵轴线之间的夹角。另一方面攻角被定义为翼弦线与气流方向之间的夹角。如果我们改变迎角且保持其他一切都不变，可以认为，攻角也改变了相同的量。但是改变飞行器的姿态例如拉升机头，将会改变攻角，而迎角却保持不变。

副翼控制飞机的滚动、转弯倾斜，而升降舵控制飞机的偏航倾斜和上下飞行方向。升降舵典型地被放置在飞机的后端的水平尾翼的尾缘上，并且通过使它上下倾斜能够改变水平尾翼上的升力，从而控制上下的方向。

为了控制飞行方向，副翼被用来使飞机向侧向转弯倾斜，并且通过施加一使升降舵略微抬升的力，飞机能够保持原来在空中的高度而转向。

对于一慢速飞行的飞行器，副翼作用较小，尤其对于单螺旋桨推进器飞机可能需要使用方向舵替代来控制飞行方向。方向舵被垂直放在飞机的尾部上从而控制偏航。

单螺旋桨推进器飞机通常具有放置在前部的螺旋桨，在水平尾翼、升降舵和方向舵上产生快速气流。但是双引擎飞机，非常慢速飞行的滑翔机或者扑翼飞行器例如扑翼飞机，缺乏单螺旋桨推进器飞行器通常所具有的水平尾翼和方向舵上的附加气流。对于这些种类的飞行器，取得良好的飞行方向控制比较困难。

一种解决这个问题的方式是例如在双引擎飞机上使用不同的推进力。典型地每个机翼上放置两个马达中的一个，喷射发动机或者螺旋桨中的每一个能够分别受到控制。通过增加一个马达的速度而减小另一个马达的速度，使得飞行方向能够被控制。这是一种众所周知的控制双引擎飞机的方法，如在美国专利US6612893中所描述的。

在扑翼飞机情况中，向前的推力是由扑翼产生的而不是螺旋桨。如果该扑翼机飞行又很慢，通常处在飞行器的后部的方向舵作用就会有所减少。试图解决这个问题的方法是使得整个尾部移动。这一解决方案在例如美国专利US6550716中所示。其中整个尾部被铰接且由伺服系统来控制。但这种方案普遍被认为是既脆弱又复杂的。

一种较为简单的控制慢速飞行的小飞行器，例如遥控玩具飞机或慢速飞行扑翼飞机的方法是利用一垂直放置的小螺旋桨来代替飞行器的尾部的方向舵。这一方法在美国专利申请US20040169485中有所描述。这个小螺旋桨能够向左或向右鼓风，从而向侧向(或旁边)推动机尾以控制飞行方向。但是，当飞行器例如转向左时，飞行器通常也会朝左倾斜或翻转。在这个位置，尾部被尾部螺旋桨的吹力向上推，这种效果就像施加一下压升降舵作用来迫使飞行器向下转向，而不是在保持飞行高度的情况下平稳转向。这种倾向使得利用这种系统实现可靠的操纵显得更加困难。

特别对于具有大攻角的慢速飞行器和扑翼飞行器，现有的系统都存在着局限。上述的用于控制飞行方向的方法既是创新的又是简单的，但是我们相信可能存在着更为简单且更好的系统。

发明内容

本发明旨在满足对一种非常简单且低成本的、通过改变机翼的迎角来控制慢速飞行或具有大攻角的飞行器的飞行方向的方法的需求。另外这种控制手段可以被用于控制慢速飞行的扑翼飞行器。

一种控制装置，其接收到指示左转向的控制信号，该控制装置将增大左机翼上的迎角，因此也增大左机翼上的攻角，且减小右机翼上的攻角。对于右转向，则进行相反的操作。一种利用本发明进行方向控制的飞行器将受益于具有在大且持续增加的攻角下随着攻角的增加而增大阻力但又能基本上保持升力恒定的翼形(例如平板)。

通常一飞行器依赖于改变机翼上的升力来控制飞行方向。但是本发明中能够主要依靠在机翼上的阻力差异进行操控。为了实现这种受控的操作，在与所有其他飞机上通常所能见到的相反的方向上来改变机翼的迎角。

最后，简要论述根据本发明的各种不同的用于控制固定翼和扑翼的迎角及攻角的装置。

附图说明

为了更容易理解，下面将结合附图对优选实施例进行详细描述，其中：

图1是一具有用于改变机翼的迎角的摇摆控制装置的扑翼飞行器的透视图；

图2a和2b是图1中飞行器的后视图，示出了处于中立位置和右转向位置的控制装置；