具有升力螺旋桨的飞机垂直稳定器及其使用方法
阅读：466发布：2020-05-11
专利汇可以提供具有升力螺旋桨的飞机垂直稳定器及其使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种飞机的设计，其中一个或多个垂直稳定器各自具有升 力 螺旋桨。，下面是具有升力螺旋桨的飞机垂直稳定器及其使用方法专利的具体信息内容。
1.一种飞机，包括：
左固定翼；
右固定翼；
机身，连接到所述左固定翼和所述右固定翼；
至少一个尾部，连接到所述机身；
其中所述至少一个尾部中的每个具有垂直稳定器，并且所述垂直稳定器具有顶部远端；以及
螺旋桨，设置在所述垂直稳定器的所述顶部远端上。
2.根据权利要求1所述的飞机，还包括发动机，所述发动机设置在所述垂直稳定器中。
3.根据权利要求2所述的飞机，其中所述发动机设置在所述垂直稳定器的所述顶部远端中。
4.根据权利要求3所述的飞机，其中所述发动机具有旋转轴，并且所述旋转轴与所述飞机的纵轴基本平行。
5.根据权利要求4所述的飞机，其中所述飞机具有至少两个尾部。
6.根据权利要求5所述的飞机，其中所述飞机是无人驾驶飞行器UAV。
7.根据权利要求5所述的飞机，其中所述飞机是载客飞机。
8.根据权利要求2所述的飞机，其中所述垂直稳定器固定到结构上，并且所述发动机设置在所述结构中并且设置在所述垂直稳定器直接下方。
9.根据权利要求7所述的飞机，还包括螺旋桨轴，所述螺旋桨轴设置在所述垂直稳定器内，其中所述螺旋桨轴从所述垂直稳定器的所述顶部远端到底部近端设置，并且所述螺旋桨轴连接到所述发动机。
10.根据权利要求9所述的飞机，其中所述飞机具有至少两个尾部。
11.根据权利要求10所述的飞机，其中所述飞机是无人驾驶飞行器UAV。
12.根据权利要求10所述的飞机，其中所述飞机是载客飞机。
13.一种飞机，包括：
左固定翼；
右固定翼；
机身，连接到所述左固定翼和所述右固定翼；
左尾部，具有左垂直稳定器；
右尾部，具有右垂直稳定器；
左升力螺旋桨，设置在所述左垂直稳定器的顶部远端；以及
右升力螺旋桨，设置在所述右垂直稳定器的顶部远端。
14.根据权利要求13所述的飞机，还包括左线性支撑件，其中所述左线性支撑件连接到所述左固定翼以及连接到所述左尾部，并且包括右线性支撑，其中所述右线性支撑件连接到所述右固定翼以及连接到所述右尾部。
15.根据权利要求14所述的飞机，其中所述左线性支撑件上设置有第一升力螺旋桨和第二升力螺旋桨。
16.根据权利要求15所述的飞机，其中所述左线性支撑件上设置有第三升力螺旋桨和第四升力螺旋桨。
17.根据权利要求16所述的飞机，其中设置在所述左垂直稳定器的顶部远端上的所述左升力螺旋桨由发动机直接驱动。
18.根据权利要求16所述的飞机，其中设置在所述左垂直稳定器的顶部远端上的所述左升力螺旋桨由发动机间接驱动。
具有升力螺旋桨的飞机垂直稳定器及其使用方法
技术领域
[0001] 本公开涉及飞机(aircraft)的配置，尤其涉及一种具有至少一个垂直稳定器的飞机，其中，所述垂直稳定器具有升力螺旋桨。
背景技术
[0002] 通常，无人机是由用户远程控制或自主飞行的无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle，UAV)。已知无人机在军事和民用领域中执行各种功能。具体地，无人机可以携带有效载荷、捕获图像或视频、收集数据以及调查环境。存在被认为是固定翼无人机的无人机，通常其飞行时间较长，飞行速度较快。还存在被认为是垂直起降(vertical takeoff and landing，VTOL)多旋翼无人机的无人机，与固定翼无人机相比，其飞行速度通常较慢。
[0003] 相关技术的VTOL多旋翼无人机由机体和若干个螺旋桨组成，每个螺旋桨由发动机驱动。螺旋桨的数量通常是偶数，例如四个、六个或八个。这些发动机支撑在径向延伸的支撑臂上。VTOL多旋翼无人机具有多个螺旋桨，每个螺旋桨具有通常与地面平行的旋转平面，从而允许VTOL无人机垂直起飞和降落。
[0004] 相关技术的固定翼无人机通常具有机身、一对机翼、一对水平稳定器。传统的固定翼无人机使用跑道起飞和降落。然而，已知固定翼无人机也具有一些螺旋桨，其中每个螺旋桨具有通常与地面平行的旋转平面，从而允许固定翼无人机类似于VTOL多旋翼无人机地垂直起飞和降落。
[0005] 无论是VTOL多旋翼无人机还是具有垂直起飞和降落能力的固定翼无人机，这些无人机中的螺旋桨都是由发动机驱动的。每个发动机被配置为驱动一个螺旋桨。每个发动机都被封装在发动机外壳中。
[0006] 最近，广泛使用配备有四个、六个或八个螺旋桨的设计为民用的VTOL多旋翼无人机。在这些无人机中，驱动每个螺旋桨的发动机直接位于每个螺旋桨(每个螺旋桨都位于一个明显的发动机外壳内)的直接下方。
[0007] 持续存在用于设计VTOL多旋翼无人机和固定翼无人机的空气动力学特性的新方法。
[0008] 所有引用的专利、申请和文献都通过引用整体并入本文。此外，如果通过引用并入本文的参考文献中术语的定义或使用与本文提供的术语的定义不一致或相反，本文提供的该术语的定义适用，参考文献中术语的定义不适用。公开的实施例可以寻求满足一个或多个上述期望。尽管本实施例可以消除一个或多个上述期望，但是应该理解，本实施例的某些方面可能不一定消除它们。发明内容
[0009] 在一般实现方式中，无人驾驶飞行器(UAV)具有至少一个发动机(每个发动机具有发动机轴)和至少一个螺旋桨(每个螺旋桨具有螺旋桨轴)，其中每个螺旋桨由发动机驱动。螺旋桨轴可以被设置为与发动机轴成90度至135度的角。
[0012] 在可与一般实现方式结合的另一方面中，连杆是齿轮系统。
[0013] 在可与一般实现方式结合的又一方面中，无人机是具有机翼的固定翼无人机，其中，发动机设置在机翼内，并且螺旋桨设置在机翼的顶侧。
[0015] 在可与一般实现方式结合的又一方面中，无人机是多旋翼无人机，其具有机体和至少一个支撑臂，所述至少一个支撑臂连接机体和至少一个螺旋桨，并且其中每个发动机均设置在所述支撑臂内。
[0016] 在另一个一般实现方式中，提供了飞行器的动力系统，其中飞行器具有至少一个由该动力系驱动的升力螺旋桨，该动力系包括具有发动机轴的发动机，并且其中该发动机设置在飞行器的机翼或支撑臂内。可以存在连接器将发动机轴物理连接到螺旋桨上，从而将扭矩从发动机轴传递到螺旋桨。
[0017] 在可与一般实现方式结合的另一方面中，该发动机轴可以基本上垂直于该发动机所在的机翼或支撑臂的纵轴。
[0019] 在可与一般实现方式结合的另一方面中，该飞行器可以是固定翼无人机，该发动机可以是内转子发动机。
[0020] 在又一个一般实现方式中，提供了一种减小飞行器中的空气阻力的方法，该方法可以包括将发动机置于飞行器的机翼或支撑臂内，其中该发动机的发动机轴基本上可以平行于该发动机所在的机翼或支撑臂的纵轴。
[0022] 在可与一般实现方式结合的另一方面中，该旋转轴可与发动机轴成约90度的角。
[0023] 在可与一般实现方式结合的另一方面中，发动机可以放置在机翼的第一部分中，其中紧邻该第一部分的机翼的第二部分的厚度可以与该第一部分的厚度基本类似。
[0024] 因此，本公开涉及一种无人机，其动力系统具有新颖的设置，还涉及一种制造具有增强型空气动力学外形的无人机的方法。本公开还涉及一种最小化飞机上的空气阻力的方法，无论飞机大小如何，无论是有人驾驶还是无人驾驶。
[0025] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以策略性地放置，以使发动机的发动机轴与螺旋桨轴不同轴。
[0026] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的另一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以策略性地以一角度放置，使得发动机的发动机轴与螺旋桨轴成90度至135度角。
[0027] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的又一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以策略性地以一角度放置，使得发动机的发动机轴与螺旋桨轴成45度至135度角。
[0028] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的又一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以策略性地以一角度放置，使得发动机的发动机轴与螺旋桨轴成55度至135度角。
[0029] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的一个方面中，驱动提升螺旋桨的发动机可以策略性地以一角度放置，使得在飞行过程中发动机的发动机轴基本上平行于地面的角度。
[0030] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的又一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以通过传动装置连接，使得发动机间接驱动升力螺旋桨。
[0031] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的又一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机可以通过一组齿轮连接，使发动机间接地驱动升力螺旋桨。
[0032] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的另一个方面中，驱动升力螺旋桨的发动机的大小可以调整，使其适合位于螺旋桨与之连接的支承臂或机翼中，而不需要单独的发动机外壳。
[0033] 在稍后将更详细讨论的许多实施例的一个目的中，驱动升力螺旋桨的发动机可以谨慎地放置在与该螺旋桨连接的支承臂或机翼中，而不需要实质改变该支承臂或机翼的外部空气动力学外形。
[0034] 此外，考虑通过取消使用发动机外壳来容纳(house)发动机，无人机的空气动力学外形可以得到改善。替代地，发动机可以是内转子发动机，其尺寸适合位于在支撑臂或机翼中。
[0035] 进一步考虑一种新颖的方法，其中，传动机构可用于将由发动机产生的扭矩传递到螺旋桨，其中该发动机不放置在螺旋桨轴的直接下方。
[0036] 在实施例的许多可能的实现方式中，无人机可以具有支撑臂，该支撑臂上可以有多个螺旋桨。在任何所公开的方法中，支撑臂可以在其中设置多个发动机。例如，在支撑臂的一个末端可以存在用于间接驱动第一螺旋桨的发动机。在支撑臂的相对末端可以存在用于间接驱动另一螺旋桨的另一发动机。可选地，可以存在用于间接驱动第三螺旋桨第三发动机，其位于支撑臂的中段(或在支撑臂的两个末端之间的任何位置)。
[0037] 本实施例的另一方面涉及驱动连接到单个支撑臂的多个螺旋桨的方法，其中驱动每个螺旋桨的每个发动机被谨慎地放置在单个支撑臂中，使得每个发动机的发动机轴基本平行于单个支撑臂的纵轴。在本实施例中，单个支撑臂可以在支撑臂的整个长度上具有基本相同的外部轮廓。
[0038] 还考虑一种飞机的设计，其中该飞机可以具有左固定翼、右固定翼、连接到该左固定翼和右固定翼的机身、连接到机身的至少一个尾部，并且其中至少一个尾部中的每一个都具有垂直稳定器。该垂直稳定器可具有顶部远端。螺旋桨可以设置在该垂直稳定器的顶部远端上。
[0039] 在一个实施例中，飞机可具有设置在垂直稳定器中的发动机。
[0040] 在另一个实施例中，发动机可以设置在垂直稳定器的顶部远端中。
[0041] 在又一个实施例中，发动机具有旋转轴，并且该旋转轴基本上平行于飞行器的纵轴。
[0042] 还有另一个实施例包括这样的情况，发动机可以位于垂直稳定器下方，位于垂直稳定器固定到的结构中。还可以存在设置在垂直稳定器内(从垂直稳定器的顶部远端到底部近端)将发动机连接到螺旋桨的螺旋桨轴。
[0043] 另外，飞机的设计可以是单尾部、双尾部或具有至少两个尾部。
[0044] 无论是单尾部、双尾部还是具有至少两个尾部，尾部中的每一个都可以具有垂直稳定器，并且每个垂直稳定器可以具有设置在其顶部远端上的升力螺旋桨。
[0045] 另一实施例包括这样的情况，飞机可以是无人驾驶飞行器(UAV)或载客飞机。
[0046] 在一个特定实施例中，飞机可以具有连接到左固定翼并连接到左尾部的左线性支撑件，以及连接到右固定翼并连接到右尾部的右线性支撑件。左线性支撑件和右线性支撑件中的每一个上均可设置至少两个附加的升力螺旋桨。
[0047] 虽然本说明书包含许多具体实现细节，但不应将其解释为对任何实施例或可能要求保护的范围的限制，而是作为特定于特定实施例的特定实现方式的特性的描述。在单个实现方式的上下文中的说明书中描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合实现。相反，单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实现方式中实现。此外，尽管特征在上文和下文中可能被描述为在某些组合中起作用，甚至最初是这样要求保护的，来自所要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中移除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。
[0048] 已经描述了许多实现方式。然而，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，这里描述的示例操作、方法或过程可以包括比所描述的步骤更多或更少的步骤。此外，这些示例操作、方法或过程中的步骤可以采用不同于图中描述或示出的顺序执行。因此，其他实现方式在本公开的范围内。
附图说明
[0050] 应该注意的是，附图可以是简化的形式，而不是以精确的比例绘制。就本公开而言，仅为方便和清晰起见，在附图中使用了方向术语，例如顶部、底部，左、右、上、下、上面、上方、下方、下面、后、前、远端的和近端的。这些方向性术语不应被解释为以任何方式限制本实施例的范围。
[0051] 图1是现有技术的固定翼无人机的透视图，其中示出了每个机翼具有支撑臂，并且在每个支撑臂的末端都有一个庞大的发动机外壳；
[0052] 图2是现有技术的VTOL多旋翼无人机的透视图，其中示出了四个支撑臂，并且在每个支撑臂的末端都有一个庞大的发动机外壳；
[0053] 图3是固定翼无人机的一个实施例的底部透视图，其中示出了每个机翼具有支撑臂，并且每个支撑臂的末端具有一个低轮廓线；
[0054] 图4是支撑臂的一个实施例的侧面透视图，其中发动机设置在该支撑臂的末端，并使用齿轮驱动螺旋桨轴，螺旋桨轴又驱动螺旋桨；
[0055] 图5是具有两个支撑臂的固定翼无人机的一个实施例的顶部透视图，其中该固定翼无人机具有两个支撑臂，每个支撑臂具有三个螺旋桨，每个螺旋桨由被谨慎放置的发动机驱动；
[0056] 图6是一个示例支撑臂的侧透视图，该支撑臂具有三个螺旋桨，每个螺旋桨由被谨慎放置的发动机驱动；
[0057] 图7是另一个示例支撑臂的侧透视图，该支撑臂具有三个螺旋桨，每个螺旋桨由被谨慎放置的发动机驱动；中间螺旋桨设置在支撑臂的底侧；
[0058] 图8是另一个示例支撑臂的侧透视图，该支撑臂具有三个螺旋桨，每个螺旋桨由被谨慎放置的发动机驱动；三个螺旋桨中的一个设置在另外两个螺旋桨的相对侧；
[0059] 图9是VTOL多旋翼无人机的实施例的顶部透视图，其中驱动每个螺旋桨的发动机被谨慎地设置在每个支撑臂中；
[0060] 图10是图9的实施例的侧透视图；
[0061] 图11是预期的VTOL多旋翼无人机的图形表示，其中驱动每个螺旋桨的发动机被谨慎地设置在每个支撑臂中，每个支撑臂都处于倾斜的角度，并且螺旋桨平行于地面；
[0062] 图12是另一个预期的VTOL多旋翼无人机的图形表示，其中驱动每个螺旋桨的发动机被谨慎地设置在每个支撑臂中，每个支撑臂都处于倾斜的角度，并且螺旋桨不平行于地面；
[0063] 图13是图11的支撑臂的末端的侧面透视图，其中示出了当螺旋桨平行于地面时，齿轮以倾斜的角度啮合；
[0064] 图14是图12的支撑臂的末端的侧面透视图，其中示出了齿轮以直角啮合，并且螺旋桨具有平行于支承臂纵轴的旋转平面；
[0065] 图15是固定翼无人机的一个实施例的顶部透视图，其中螺旋桨设置在机翼上，驱动螺旋桨的发动机被谨慎地放置在机翼中，基本上不改变机翼的外部轮廓；
[0066] 图16是固定翼无人机的一个实施例的前视图，其中螺旋桨设置在两个翼中的每一个的末端上；在该透明视图中，驱动每个螺旋桨的发动机被示出为设置在机翼中，因为发动机被谨慎地放置，基本上不改变机翼的空气动力学外形；
[0067] 图17是固定翼无人机的一个实施例的前视图，其中两个螺旋桨设置在两个翼中的每一个上；在该透视图中，驱动每个螺旋桨的发动机被示出为设置在机翼中，因为发动机被谨慎地放置，基本上不改变机翼的空气动力学外形；
[0068] 图18是固定翼无人机的一个实施例的前视图，其中螺旋桨设置在两个翼中的每个的中间部分上；在该透明视图中，驱动每个螺旋桨的发动机被示出为设置在机翼中，因为发动机被谨慎地放置，基本上不改变机翼的空气动力学外形；
[0069] 图19是根据所公开实施例的一个方面的图16的机翼的横截面视图，其中示出了用于将扭矩从发动机传递到螺旋桨的两个齿轮的啮合；
[0070] 图20是飞机的设计的透视图，其中两个垂直稳定器中的每一个具有设置在其上的升力螺旋桨；
[0071] 图21示出了飞机的另一种设计，其中单尾部可以具有垂直稳定器，该垂直稳定器上设置有升力螺旋桨；
[0072] 图22示出了位于垂直稳定器内部的发动机的位置；
[0073] 图23示出了由设置在垂直稳定器内的发动机直接驱动的螺旋桨；
[0074] 图24示出了位于垂直稳定器下方的发动机的位置。
具体实施方式
[0075] 现在可以通过实施例的以下详细描述来更好地理解各种实施例的不同方面，这些实施例被呈现为本公开限定的实施例的所示示例。明确地理解，由本公开限定的实施例可以比下面描述的示意实施例范围更大。
[0076] 如本文所用，术语“无人机(drone)”指的是飞行器(aerial vehicle)，该飞行器为无人驾驶的飞行器(即，UAV)或设计用于载人类乘客的飞行器。例如，它可以是一架足够轻可放在孩子的手里的固定翼飞机，可以是一架足够大可容纳几个以上的人类乘客的固定翼飞机，或者可以是重量和尺寸介于上述两个极端示例之间的任何这样的飞机。在另一个示例中，它可以是足够小可放在用户的手掌的多旋翼飞机，可以是足够大可容纳几个以上的人类乘客的多旋翼飞行器，或者可以是尺寸介于上述两个极端示例之间的任何这样的多旋翼飞行器。
[0077] 发明人已经发现，无人机的气动外形(aerodynamic profile)通常会受到驱动其升力螺旋桨的发动机的尺寸和形状的负面影响。通常在多旋翼无人机中发现无人机的升力螺旋桨。一些固定翼无人机也可以具有给予该固定翼无人机垂直起飞和降落能力的升力螺旋桨。
[0078] 首先参考图1，图1一般地描绘了固定翼无人机100的基本模型。在现有技术的固定翼无人机100中，固定翼无人机100具有机身2和从机身2的前部延伸的两个主翼30。在两个主翼30中的每一个上设置有支撑臂20。支撑臂20具有大致细长的圆柱形构造，其一端延伸到主翼30的前缘之外，并且其相对末端延伸到主翼30的后缘之后。在现有技术的无人机100中，支撑臂20的主要目的是保持和支撑位于支撑臂20的末端的发动机外壳。支撑臂20通常是细长的，以便将发动机外壳41保持和主翼30更远的距离。这些现有技术中的固定翼无人机中，发动机外壳41通常具有更大(bulkier)的短圆柱形外轮廓，其中心轴通常垂直于支撑臂20的中心轴。在某种程度上，现有技术的发动机外壳41和支撑臂20的构造类似于锤头到锤柄。一些无人机制造商试图用一个空气动力学外壳(未显示)覆盖住这种构造来掩饰这个尴尬的构造，尽管这样具有更符合空气动力学的风格，却使整个无人机更大。在这种现有技术设计的庞大(bulky)的空气动力学外壳下，仍然有一个庞大的发动机直接驱动位于其正上方的螺旋桨。
[0079] 现有技术的固定翼无人机在其尾端具有垂直稳定器4，并且具有附接到该垂直稳定器4的两个水平稳定器6。每个水平稳定器上均具有一个升力机8，用于调节无人机100的俯仰。在垂直稳定器4的后缘上有一个方向舵，用于控制无人机100的偏航。
[0080] 在图2中，已知现有技术的VTOL多旋翼无人机200具有机体1，存在呈放射状从机体1伸展的支撑臂20。在该特定示例中，存在呈放射状从机体1延伸的四个支撑臂29。在每个支撑臂20的远端存在发动机外壳41，发动机外壳41封装发动机，该发动机直接驱动其正上方的升力螺旋桨10。在机体1的下方设置有相机3，用于对下方的预期目标进行航拍。如上所述，支撑臂20/发动机外壳41组合看起来类似于一个锤子，并且由于其空气动力学外形而产生阻力。已经尝试通过用更大但更符合空气动力学的外壳(未示出)覆盖支撑臂20和发动机外壳41组合来改善空气动力学外形。然而，这些现有技术的VTOL多旋翼无人机中的内部组件的布置和设计保持不变。
[0081] 现在参考图3的细节，固定翼无人机具有机身102和从机身102的两侧延伸的两个主翼130。在两个主翼130中的每一个上均可以设置支撑臂120，该支撑臂120横跨(extending across)主翼130的中间部分，其中该支撑臂120的前端延伸至主翼130的前缘之外，该支撑臂120的后端延伸至主翼130的后缘之后。每个支撑臂120上可以连接有两个螺旋桨110。在本特定实施例中，螺旋桨110设置在支撑臂120的末端上。与现有技术的设计不同，在每个螺旋桨110下方没有设置发动机外壳。
[0082] 换句话说，如图3所示的支撑臂120中的每一个在其末端均不附接到基本上比支撑臂120本身大得多或宽得多的物体。实际上，在本特定实施例中示出的支撑臂120可以最小化空气阻力并改善无人机的空气动力学外形。
[0083] 如图3所示的固定翼无人机还在该无人机的尾端上具有垂直稳定器104。为了改变无人机的偏航，可以在垂直稳定器104上附接方向舵109。在垂直稳定器104的顶端附近存在两个水平稳定器106。附接到两个水平稳定器106的后缘上的是用于改变无人机的俯仰升力机108。
[0084] 如本领域普通技术人员将认识到的那样，如图3所示的无人机样式只是所公开实施例的一个示例。根据特定应用的美学或功能需要，可以容易地修改升力螺旋桨110的位置。例如，如下所述，无人机可以是鸭式飞机，也可以是多旋翼无人机。
[0085] 在稍后将讨论的其他示例中，升力螺旋桨110甚至可以设置在支撑臂120的中段，或者升力螺旋桨110甚至可以设置在主翼130的任何位置上。
[0086] 尽管本特定实施例公开了使用双叶片螺旋桨110，但是应该理解，针对每个螺旋桨110可以使用其他数量的叶片。
[0088] 图4示出了用于驱动如图3所示的升力螺旋桨的布置内部组件的一种方式。在图4中，支撑臂120的末端可以封装用于驱动螺旋桨110的发动机140。发动机140可以具有发动机轴141，该发动机轴141通常设置在发动机140的中轴区域附近。发动机轴141旋转，从而转动驱动齿轮142，驱动齿轮142可以直接附接到螺旋桨齿轮141上。驱动齿轮142可以与螺旋桨齿轮144啮合接触。驱动齿轮142的旋转平面与螺旋桨齿轮144的旋转平面成直角。如稍后将在其他实施例中描述的，根据无人机的具体设计和应用，驱动齿轮141的旋转平面与螺旋桨齿轮144的旋转平面可以成直角以外的角度。
[0089] 如图4中进一步所示，发动机轴141可以基本上平行于支撑臂120的纵轴。在一些实施例中，例如图4中所示的实施例，发动机轴141可以基本上与支撑臂120的纵轴同轴。
[0090] 本实施例的操作是易懂的。发动机140可以由电源(未示出)供电，并且发动机140的发动机轴141旋转，从而使驱动齿轮142旋转。驱动齿轮142在与螺旋桨齿轮144啮合的同时也使螺旋桨齿轮144旋转。螺旋桨齿轮144可以附接到螺旋桨轴114上，螺旋桨轴114可以附接到螺旋桨110的叶片上。每个螺旋桨叶片都有一个尖端(tip)112和一个根部(root)113。螺旋桨110的根部113可以通过轮毂111附接到螺旋桨轴114上。
[0091] 在图4所示的实施例中，螺旋桨轴114的一部分、整个螺旋桨齿轮144、整个驱动齿轮142和整个发动机140被封装在支撑臂尖端122中或附近。
[0092] 如将结合图5所示，螺旋桨轴114的一部分、整个螺旋桨齿轮144、整个驱动齿轮142和整个发动机140可以被封装在支撑臂120的中间部分或任何部分中。
[0093] 现在参考图5，图5是具有两个支撑臂120的鸭式无人机。每个支撑臂120可跨越主翼130和鸭翼132。通过横跨主翼130和鸭翼132，可以加强结构完整性。每个支撑臂120都可以具有两个以上的升力螺旋桨110。这里，除了具有位于支撑臂120的相对端(opposite ends)的两个升力螺旋桨110之外，还在支撑臂120的中间部分的附近设置了第三升力螺旋桨110。
[0094] 前部升力螺旋桨110可以面朝下，中间部分升力螺旋桨110可以面朝上，尾部升力螺旋桨110可以面朝下。这样的设置可以允许两个相邻的升力螺旋桨110设置得更靠近，这样，从俯视图来看，它们的圆形运动范围可能会重叠，但它们的叶片不会相互物理接触。无论升力螺旋桨110是面朝上还是面朝下，它们都可以设计为根据螺旋桨叶片的角度和/或螺旋桨旋转的方向向下推动空气。
[0095] 其他设置也是可能的。图6示出了一个实施例，其中支撑臂120可以具有全部面朝上的三个升力螺旋桨110。图7示出了一个实施例，其中支撑臂120可以具有面朝上的两个端部升力螺旋桨110，而中间部分升力螺旋桨110面朝下。图8示出了另一个实施例，其中支撑臂120可具有面朝上的一个端部升力螺旋桨110，而另两个升力螺旋桨110面朝下。
[0096] 重要的是要理解，在图3和图5的实施例中，特别期望良好的空气动力外形，因为固定翼无人机200通常能够以比多旋翼无人机100以更快的速度飞行。对于任何快速飞行的飞机，空气动力学外形和空气阻力是可能影响飞机的功率/燃油消耗、速度和续航能力的重要问题。如图5的鸭式无人机所示，升力螺旋桨110中没有一个带有封装在大型发动机外壳中的大型发动机。简单地通过使用非常小的发动机直接驱动螺旋桨来小型化现有技术的设计是不可行的，尤其对于小型无人机而言，因为这种小型无人机中的支撑臂120太小，无法将一个足够大以能够驱动螺旋桨110的发动机封装起来。直接驱动被定义为使用发动机驱动螺旋桨，其中发动机的发动机轴和螺旋桨轴是同轴的。
[0097] 在所考虑的实施例中，发动机140可以是能够产生足够量的扭矩的任何类型的发动机。特别考虑的是内转子发动机。
[0098] 一般地，图9描述了所考虑的实施例的基本设计，其中VTOL多旋翼无人机可以实现本公开的动力系统设计。在图9中，VTOL多旋翼无人机可以有四个支撑臂120，每个支撑臂120支撑一个升力螺旋桨110。虽然仅示出了四个支撑臂120和四个升力螺旋桨110，但是本领域的普通技术人员将立即认识到，其他数量的支撑臂120和升力螺旋桨110也可以实现本公开的动力系设计。例如，具有六个支撑臂、每个支撑臂具有两个升力螺旋桨(一个在顶部，一个在底部，这两个升力螺旋桨在支撑臂的远端同轴)的VTOL多旋翼无人机也可以实现本公开的动力系统。
[0099] 图9中的VTOL多旋翼无人机可以具有附接在机体101下方的可选的相机103。每个升力螺旋桨110都具有根部113并且通过轮毂111附接到螺旋桨轴(如前所述)。这些升力螺旋桨110可以设置在每个支撑臂120的支撑臂尖端122处或附近。
[0100] 如图10进一步所示，每个支撑臂120基本上平行于无人机机体101。
[0101] 可能存在这样的设计，其中每个支撑臂120与无人机机体101成角度。在图11和图12中，支撑臂120以固定角度向上倾斜。图11的设计与图12中的设计的不同之处在于，它们的升力螺旋桨的旋转平面是不同的。在图11中，升力螺旋桨的旋转平面与其连接到的支撑臂120的纵轴成约45度角。图12中，升力螺旋桨的旋转平面基本上平行于其连接到的支撑臂
120的纵轴。
120的纵轴。
[0102] 图13和图14分别示出了图11和12的设计中驱动齿轮142与螺旋桨齿轮144的啮合。
[0103] 图13示出了一个示例性动力系统，其中升力螺旋桨的旋转平面可以与其连接到的支撑臂120的纵轴成约45度角。换句话说，驱动齿轮142可以以大约45度角啮合到螺旋桨齿轮144。发动机140的发动机轴141基本上平行于支撑臂120的纵轴。
[0104] 参照图13，示出了示例性动力传动系统，其中升力螺旋桨的旋转平面可以与其连接到的支撑臂120的纵轴成大约90度角。换句话说，驱动齿轮142可以以大约90度角啮合到螺旋桨齿轮144。发动机140的发动机轴141基本平行于支撑臂120的纵轴。然而，支撑臂120相对于VTOL多旋翼无人机的水平轴倾斜一角度。
[0105] 在其他实施例中，驱动齿轮142可以以40度至90度啮合到螺旋桨齿轮144。
[0106] 图14仅是进一步示出图12动力系统的一个示例。这里的设置类似于先前描述的并在图4中示出的设置。区别是，图14中的设置中支撑臂120具有固定的倾斜角度。
[0107] 尽管上述实施例公开了使用啮合在一起的驱动齿轮和螺旋桨齿轮以一定角度(而不是同轴或直接驱动)来传递扭矩，但应该理解，其他类型的连接器或传动齿轮或连杆也可用于执行与所公开的齿轮相同的功能。
[0108] 为了承受极端温度和持久性，所考虑的齿轮可以由合适的材料制成，这些材料包括天然和合成聚合物、各种金属和金属合金、天然材料、纺织纤维、玻璃和陶瓷材料以及它们的所有合理组合。
[0109] 一般地，图15描述了根据所公开的实施例之一的固定翼无人机的基本结构。这里，主翼130连接到机身102，并且可以具有附接到主翼130的尖端131的螺旋桨110。螺旋桨110具有叶片尖端112和叶片根部113。螺旋桨110通过轮毂111连接到主翼130。可以使用与谨慎放置的发动机和齿轮的类似设置来驱动螺旋桨110。
[0110] 螺旋桨110允许固定翼无人机垂直起飞和降落，并且考虑将螺旋桨110放置在主翼130的各个位置上。
[0111] 在如图16所示的一个特定实施例中，固定翼无人机可以具有两个固定翼130，并且两个固定翼130中的每一个的远端都可以附接一个螺旋桨110。
[0112] 在如图17所示的另一特定实施例中，固定翼无人机可以具有两个固定翼130，并且两个固定翼130中的每一个都可以附接两个螺旋桨110。其中一个螺旋桨110位于机翼130的远端，另一个螺旋桨110位于机翼130的中间部分。
[0113] 在如图18所示的又一特定实施例中，固定翼无人机可以具有两个固定翼130，并且两个固定翼130中的每一个都可以在其中间部分处附接一个螺旋桨110。
[0114] 这些特殊设计允许固定翼无人机具有螺旋桨110，而不需要支撑臂。支撑臂会给无人机增加额外的重量，可能对无人机的空气动力学外形产生负面影响。
[0115] 如图19中进一步所示，机翼130的侧面透明视图显示，在机翼130中，以电动机轴基本上平行于机翼130的纵轴的方式设置发动机。发动机轴附接到驱动齿轮142，该驱动齿轮142的旋转平面垂直于螺旋桨110的旋转平面。驱动齿轮142与螺旋桨齿轮144啮合。当驱动齿轮142转动时，螺旋桨齿轮144也转动。两个齿轮的比例可以变化。
[0116] 螺旋桨齿轮144附接到螺旋桨轴114。当螺旋桨齿轮144转动时，它也使螺旋桨轴114沿相同方向转动。螺旋桨轴114通过轮毂111附接到螺旋桨叶片。螺旋桨叶片由根部113和尖端112组成。
[0117] 应该特别注意的是，尽管在附图中仅示出了锥齿轮，但是本文公开的任一实施例考虑所有类型的齿轮。例如，可以使用以下类型或组合的齿轮：正齿轮、斜齿轮、平行斜齿轮、内齿轮、外齿轮、螺旋锥齿轮、等径伞齿轮、交叉斜齿轮、直齿锥齿轮、蜗轮和准双曲面齿轮。
[0118] 还应特别注意的是，尽管齿轮在附图中显示为两个大小和直径都相似的啮合齿轮，但是任何公开的实施例都可以使用不同大小和比例的齿轮来实现不同的扭矩输出或速度输出。
[0119] 本公开的一个方面涉及一种改进无人机的空气动力学外形的方法，无论它是多旋翼无人机还是固定翼无人机。在本公开的一个方面，该方法包括将驱动发动机放置在螺旋桨所附接的机翼或支撑臂中。驱动发动机可以设置在该机翼或支撑臂中，其中，其发动机轴基本上平行于该发动机设置为位于其中的支撑臂或机翼的纵轴。
[0120] 所考虑的方法还可以包括使用连接器间接驱动升力螺旋桨，使得即使发动机的发动机轴具有与螺旋桨轴不同轴的纵轴，发动机仍然可以驱动升力螺旋桨。
[0121] 所考虑的方法可以替代地包括使用连接器间接驱动升力螺旋桨，使得即使发动机的发动机轴具有与螺旋桨轴成一定角度的纵轴，发动机仍然可以驱动升力螺旋桨。该角度可以在是75度至135度之间的任何角度。在另一个实施例中，该角度可以是90度至120度之间的任何角度。在又一个实施例中，该角度可以是85度至90度之间的任何角度。
[0122] 同理，虽然操作和/或方法可以在附图中以特定顺序进行描绘，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或相继次序执行这样的操作，或者执行所有所示的操作和/或方法步骤，以获得理想的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。
[0123] 现在参照图20的飞机300的设计，其中飞机300可具有左固定翼、右固定翼、连接到左固定翼和右固定翼的机身、连接到机身的至少一个尾部，其中，该至少一个尾部中的每一个具有垂直稳定器304。垂直稳定器304可具有顶部远端345。螺旋桨310可设置在垂直稳定器304的顶部远端345上。
[0124] 图20的结构与图5所公开的结构非常相似。在图20中，飞机300可以具有连接到左固定翼的左线性支撑件，并且在其后部设置有左尾部。同理，它也可以具有连接到右固定翼的右线性支撑，并且在其后部设置有右尾部。左线性支撑件和右线性支撑件中的每一个均可以在其上设置至少两个附加的升力螺旋桨。
[0125] 尽管这里具体讨论了双尾部设计，但是可以将在垂直稳定器304上设置升力螺旋桨310的想法在任何飞机类型上实施，无论是单尾部、双尾部还是具有双尾部以上。
[0126] 一种实现将升力螺旋桨310设置在垂直稳定器304的顶部远端345上的方法是将发动机340设置在垂直稳定器内。如图20和图21所示，与垂直稳定器304的相对平坦表面的其余部分相比，垂直稳定器304的顶部远端345可以略微凸起或明显凸起。凸起的形状通常是圆形的，并且通常可以沿着与飞机300的纵轴平行的在纵向上是细长的。这样，飞机300的空气动力学效果受到的影响最小。
[0127] 垂直稳定器304的顶部远端345中是否存在凸起还取决于发动机340与垂直稳定器304的尺寸和厚度相比时的相对尺寸。在第一示例中，飞机300可以是一种复合固定翼无人机(UAV)，其翼展不超过两米。在该示例中，发动机340的厚度可以大于其垂直稳定器304的厚度。所以，将产生一个凸起，以适应发动机340。
[0128] 在第二示例中，飞机300可以是载人复合或固定翼飞机。在该示例中，垂直稳定器304的厚度将比第一示例中的垂直稳定器304的厚度厚得多。因为上述厚的多的情况，可以存在一个发动机340，其尺寸适合于垂直稳定器304的厚度，而不需要产生凸起。
[0129] 现在参照图22的实施例，其中发动机340可以设置在垂直稳定器304的顶部远端345内。与本说明书中讨论的其他实施例类似，可以存在一个驱动齿轮342，其与螺旋桨齿轮
344啮合接触，螺旋桨齿轮344通过螺旋桨轴驱动螺旋桨310。
344啮合接触，螺旋桨齿轮344通过螺旋桨轴驱动螺旋桨310。
[0130] 如上所述，在优选实施例中，发动机340具有旋转轴，旋转轴可以与飞机的纵轴基本上平行。这样，垂直稳定器304中的、必要的、细长的凸起将纵向设置，从而最小程度地影响垂直稳定器的空气动力学特性。
[0131] 在所公开的发动机-螺旋桨设置的另一个方面中，螺旋桨310可以由发动机340直接驱动，如图23所示。这里，发动机340设置在螺旋桨310直接下方并直接连接到螺旋桨310以驱动它。
[0132] 又一个实施例包括一种设计，其中发动机340可以位于垂直稳定器304下方，如图24所示。这里，发动机340可以设置在垂直稳定器304固定到其上的结构350中。该结构350可以是机身的后端、线性支撑件的后端(如图5和图20所示)或垂直稳定器304固定到其上的飞机的任何其他组件。为了驱动设置在垂直稳定器304的顶部远端345上的螺旋桨310，可以将一个相对较长的螺旋桨轴314设置在垂直稳定器中(从垂直稳定器304的顶部远端345到底部近端)，使得发动机340可以到达螺旋桨310。虽然在图24中，发动机340通过驱动齿轮和螺旋桨齿轮的啮合间接驱动螺旋桨310，但是可以实施直接驱动设置，这样不会涉及齿轮，类似于图23所示(区别是如如图24所示使用长螺旋桨轴314)。
[0133] 无论飞机300是单尾部、双尾部还是具有双尾部以上，都可以实现这种特殊的设计，即在垂直稳定器304的顶部远端345上设置一个升力螺旋桨310。每个尾部都可以具有一个垂直稳定器304，并且每个垂直稳定器304都可以具有如上任何实施例所述的升力螺旋桨310。
[0134] 在垂直稳定器304的顶部设置升力螺旋桨310可以有很多用途。其中一个用途是，它们用于补充所有其他升力螺旋桨110，以提高安全性。例如，在如图20所示的复合VTOL固定翼飞机的垂直起降过程中，重要的是，设置在左线性支撑件和右线性支撑件上的所有或大多数升力螺旋桨都能正确地工作。当一个或多个这样的螺旋桨发生故障时，位于垂直稳定器304顶部的升力螺旋桨310可以作为其他升力螺旋桨110阵列的补充，以确保安全降落和起飞。位于垂直稳定器304上的升力螺旋桨310的另一个所考虑的用途是用作升力机。通过控制位于垂直稳定器304上的升力螺旋桨310的速度，可以有效地控制飞机300的俯仰运动。在如图20所示的双尾部设计中，通过分别地、区别地控制左升力螺旋桨310和右升力螺旋桨310在各自的左垂直稳定器304上和右垂直稳定器304上的速度，可以有效地控制飞机300的侧倾运动。
[0135] 在一个实施例中，位于垂直稳定器304上的升力螺旋桨310在飞行期间可以保持纵向锁定(如图20所示)，并且可以在飞行期间任何需要的时候开始工作。例如，在高速飞行期间，沿左线性支撑件和右线性支撑件的长度方向设置的所有升力螺旋桨均可以被锁定，而仅位于垂直稳定器304上的左升力螺旋桨310和右升力螺旋桨310二者用于控制飞机300俯仰和侧倾。
[0136] 在另一个实施例中，位于垂直稳定器304上的升力螺旋桨310可以比设置在附件300上其他位置的升力螺旋桨310相对小一些。
[0137] 在不脱离本实施例的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多改变和修改。因此，必须理解的是，所阐述的实施例仅用于举例说明，并且不应被视为限制由本公开限定的实施例。例如，尽管下面以某种组合阐述权利要求的要素，但必须明确地理解，该实施例包括更少、更多或不同元件的其他组合，这些组合在本文中公开，即使最初未以这样的组合进行保护。
[0138] 因此，公开了用于无人机的轻型发动机的具体实施例和应用。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本文公开的概念的情况下，除了已经描述的那些修改之外，还可以进行更多修改。因此，除了本公开的精神中之外，所公开的实施例不受限制。此外，在解释本公开时，所有术语都应该以与上下文一致的最广泛的可能方式来解释。特别地，术语“包括”和“包含”应该被解释为以非排他性的方式提及元件、组件或步骤，表明所提及的元件、组件或步骤可能存在或被使用或与未明确提及的其他元件、组件或步骤组合。现在已知的或以后想到的本领域普通技术人员所认为的所要求保护的主题的非实质性变化，被明确地认为等同于在本公开的范围内。因此，本领域普通技术人员现在或以后已知的明显替换被定义为在所定义的元件的范围内。因此，本公开应理解为包括上面具体说明和描述的内容、概念上等同的内容、可以明显替代的内容以及本质上包含实施例的基本思想的内容。另外，在本公开涉及至少一个某事物选自A，B，C......和N的情况下，文本应解释为只需要组中的一个元件，而不是A加N，或B加N等。
[0139] 本说明书中用于描述各种实施例的术语不仅应理解为它们通常定义的含义，而且要通过本说明书中的特殊定义来包括超出通常定义含义范围的结构、材料或动作。因此，如果在本说明书的上下文中可以将元件理解为包括多于一个含义，则其在本公开中的使用必须被理解为对于由说明书和词语本身所支持的所有可能的含义都是通用的。
[0140] 因此，本公开的词语或元件的定义不仅包括字面上阐述的元件的组合，而且包括用于以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得基本相同的结果的所有等效结构、材料或动作。因此，在这个意义上，可以考虑，用两个或更多个元件等效替换本公开中的任何一个元件或者可以用单个元件替换本公开中的两个或更多个元件。尽管元件在上文可能被描述为在某些组合中起作用，甚至最初是这样要求保护的，但是应该清楚地理解，来自所要求保护的组合的一个或多个元件在某些情况下可以从该组合中移除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。
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