一种倾转涵道翼飞行器技术解析

在现代航空领域，飞行器的起降与飞行效率始终是核心研究方向。固定翼飞机凭借机翼产生的气动升力，能够实现高速、长航程飞行，但依赖长跑道进行起降，极大限制了其在复杂地形或城市环境中的应用。直升机虽无需跑道即可垂直起降，但其旋翼系统及关联控制机构(如总距和周期变距控制)极为复杂，导致维护成本高、能耗大，且飞行速度和航程相对有限。

随着城市空中交通、紧急救援等领域的需求增长，垂直起降(VTOL)飞行器成为研发热点。然而，现有VTOL机型普遍存在结构笨重、控制系统复杂等问题，难以满足小型化、轻量化的个人或短途运输需求。在此背景下，高效、稳定且能实现垂直与水平飞行模式无缝转换的倾转翼飞行器技术应运而生，旨在融合固定翼与直升机的优势，突破传统飞行器的应用局限。

当前航空领域中，各类飞行器技术均存在显著短板，难以兼顾垂直起降、高速飞行与系统简洁性的需求。

固定翼飞机的核心缺陷在于起降条件严苛。其升力完全依赖机翼与气流的相对运动，必须通过长跑道加速至临界空速才能实现起飞，降落时同样需要长距离滑跑减速。这一特性使其无法在城市中心、山区、海洋平台等缺乏大型机场的场景中灵活部署，极大限制了其在应急救援、短途通勤等领域的应用。

直升机虽解决了垂直起降问题，但其结构与控制复杂性带来了诸多弊端。直升机的旋翼系统需同时实现升力产生、姿态控制(通过周期变距)和航向调整(通过尾桨)，导致机械结构精密且脆弱，维护成本高昂。此外，旋翼的气动效率随速度提升急剧下降，使得直升机的最大飞行速度通常不超过300公里/小时，且航程较短，能耗显著高于固定翼飞机。

现有VTOL飞行器则面临“重量与效率”的两难困境。部分机型采用多旋翼布局实现垂直起降，虽结构相对简单，但在水平飞行阶段，旋翼产生的额外阻力导致效率低下，续航能力受限；另一部分机型通过倾转旋翼或发动机实现模式转换，但复杂的倾转机构增加了机身重量，且两种飞行模式的过渡阶段存在升力突变、稳定性差等问题。例如，传统倾转翼设计中，旋翼倾转过程中升力来源从旋翼直接提供向机翼气动升力转换时，易出现升力不足或气流分离导致的失速风险，对控制系统的响应速度和精度要求极高，现有技术难以完美应对。

此外，现有飞行器的动力系统也存在局限。内燃机在小型化应用中效率低下，而传统电动马达虽能满足小型化需求，但在动力输出稳定性、响应速度与能耗平衡方面仍需优化，难以支撑VTOL飞行器在复杂工况下的持续高效运行。

本文提出的倾转翼飞行器100(如图1A、1B所示)采用串联翼布局，通过创新的结构设计与控制系统，实现了垂直起降与高速水平飞行的高效融合。其核心结构包括机身102、前翼106、后翼108及旋翼系统110，各部件协同工作以解决传统飞行器的技术痛点。

图1A 以透视图展示倾转翼飞机一种实施例的示意图

图1B 展示图1A中的倾转翼飞机

处于前飞位置(机翼状态)的示意图

机身102作为承载核心，前翼106可倾转地安装于机身前端附近，后翼108则以可旋转方式安装于前翼后方的机身位置。这种布局的优势在于：前翼与后翼均能产生显著升力，且两者分布于机身重心前后，通过调整两侧升力差可实现高效的姿态控制(如俯仰力矩调节)。与传统单翼或尾翼布局相比，串联翼设计缩短了机身总长，提升了结构紧凑性，同时降低了单个机翼的载荷压力，增强了对电机故障的容错能力——即使部分电机失效，剩余电机的动力分配仍可通过双翼协同维持飞行稳定性。

旋翼系统110的布局是关键创新点之一。前翼106和后翼108的前缘或近前缘位置均安装有多个旋翼(每侧机翼至少2个)，且每个旋翼均配备外壳112。外壳112不仅起到安全防护作用，防止人员接触旋转叶片或杂物撞击，更重要的是其气动造型能引导旋翼产生的气流流经机翼表面及气动控制面(如副翼)。在垂直飞行模式(图1A)中，气流被导向机翼下方，增强直接升力；在水平飞行模式(图1B)中，气流沿机翼表面流动，提升机翼的气动效率，这种设计有效解决了传统多旋翼在水平飞行时阻力过大的问题。

飞行器采用电动马达驱动旋翼110，相比传统内燃机具有显著优势：小型电动马达效率高、重量轻，且运动部件少，可靠性强，非常适合分布式推进系统——通过多个小型马达驱动高转速旋翼，替代少数大功率马达驱动大型旋翼的方案，既能降低单个部件故障的影响，又能通过精确控制各旋翼的输出实现复杂的飞行姿态调整。

部分实施例中，旋翼110采用可变桨距设计，其叶片角度可动态调整。这一特性带来多重益处：在垂直起降阶段，通过增大桨距可快速提升升力；在水平飞行阶段，减小桨距可降低阻力，提升推进效率；在模式转换阶段，桨距调整能快速响应升力需求变化，例如当检测到升力不足时(图4步骤408)，可通过增大桨距补偿，避免失速。此外，可变桨距允许旋翼在不反转转速的情况下产生负推力，这对紧急制动或快速调整航向(如偏航控制)至关重要，大幅提升了控制系统的响应速度。

飞行控制系统200(如图2所示)是实现稳定飞行与模式转换的核心，其通过多模块协同工作，将飞行员输入转化为精确的执行器指令。该系统包括感受器202、控制器206、控制混合器210及传感器216，形成闭环控制逻辑。

图2 是说明飞行控制系统一种实施例的框图 

感受器202接收飞行员的操作输入(如油门、操纵杆信号)，转化为滚转、俯仰、偏航及推力等指令204；控制器206将这些指令解析为所需的力和力矩208；控制混合器210则结合传感器数据218(如空速、温度、电机状态)，计算出各执行器(旋翼、气动控制面)的参数212，并驱动执行器214动作。

传感器数据在控制中起到关键作用：空速传感器监测飞行速度，为机翼升力计算提供依据；电机温度传感器防止过热导致的性能衰减；气压与温度传感器用于修正空气密度对升力的影响。例如，在模式转换过程中(图4)，控制系统需基于实时空速持续计算旋翼与机翼的总升力(步骤406)，并与所需升力对比，动态调整旋翼扭矩和桨距(步骤410)，确保过渡平稳。

飞行器的核心优势在于垂直飞行与水平飞行模式的无缝过渡，其转换逻辑如图3的状态图所示，具体流程如图4的流程图所述。

图3 是说明倾转翼飞机在不同实施例中状态转换的状态图

图4 是说明通过垂直飞行与前飞之间的转换

来控制倾转翼飞机飞行的过程一种实施例的流程图

1. 垂直起飞阶段：飞行器从地面模式302启动，通过起飞序列304进入垂直起飞模式306(如图1A)。此时，前翼106与后翼108处于垂直位置，旋翼110产生向上的升力，通过调整两侧旋翼转速差实现姿态稳定。

2. 过渡阶段：当接收到转换至水平飞行的指令(步骤402)，系统开始监控空速(步骤404)，并逐步将机翼向水平位置倾转。此过程中，升力来源从旋翼主导逐渐过渡到机翼主导：随着空速增加，机翼产生的气动升力增大，控制系统相应降低旋翼输出，但需持续计算总升力(步骤406)。若检测到升力不足(步骤408)，立即增加旋翼扭矩或调整桨距(步骤410)；若出现失速风险(步骤412)，则通过调整桨距优化气流状态(步骤414)，直至机翼完全水平且空速满足需求(步骤416)，进入水平飞行模式310(如图1B)。

3. 降落阶段：从水平飞行模式310通过过渡314进入垂直降落模式316，机翼转回垂直位置，旋翼提供升力控制下降速度，最终通过着陆序列318返回地面模式302。

这一转换过程的关键在于“渐进式升力交接”，通过实时计算与动态调整，避免了传统转换中常见的升力突变问题，提升了安全性与稳定性。

为适应不同应用场景，文还提出多种衍生设计，进一步拓展了技术的实用性。

图5A中的飞行器500将后翼108两端的尾翼替换为中央尾翼502，简化了结构同时保留了航向控制能力；图5B中的飞行器540省略了旋翼外壳，通过精确控制旋翼转速差实现偏航控制，减轻了机身重量，适用于对载荷敏感的场景；图6中的飞行器600则增强了后翼尾翼结构602，使其同时延伸至机翼上下方，提升了高速飞行时的航向稳定性。

图5A、图5B和图6 展示了对图1A和图1B中

飞机100的不同变体(设计变化等情况 )

图7展示的飞行器700引入了旋翼专用气动控制面712，每个控制面位于旋翼外壳708后方，可独立调节角度。在垂直飞行时，控制面通过偏转旋翼气流实现姿态控制(如偏航)；在水平飞行时，协同机翼表面气流提升操控精度，这种设计进一步提升了极端工况下的控制冗余。

图7 是说明倾转翼飞机一种实施例的框图

1. 高效融合垂直与水平飞行能力：通过倾转翼设计与升力渐进交接机制，既无需跑道即可起降，又能以固定翼效率实现高速飞行。

2. 结构简洁与高可靠性：采用电动分布式推进系统，减少了复杂机械部件；串联翼布局提升了故障容错能力，单个电机失效时仍可维持飞行。。

3. 精准控制与安全性：可变桨距旋翼与闭环控制系统结合，确保模式转换平稳，有效规避失速风险。

4. 适应性强：多种衍生设计可满足不同场景需求，从城市通勤到应急救援均能灵活适配。

综上，该倾转翼飞行器通过结构创新、动力优化与智能控制的结合，全面突破了传统飞行器的技术局限，为VTOL领域提供了高效、稳定且实用的解决方案。

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