CN102225704A - 高速多功能直升航空“飞碟”的设计方法 - Google Patents

Abstract

高速多功能直升航空“飞碟”在航空领域有独特的特点，因直升机旋翼直径太大，发动机功率太大，功能少，速度慢，消耗能源多；倾转旋翼飞机运载能力小；固定翼喷气式飞机速度快、运载能力大、消耗能源少，但是无法具备直升机的功能。面“飞碟”集各种飞机的能力于一体，去掉大直径旋翼，改用多个小直径旋翼，去掉大功率发动机，改用多个小功率发动机。小旋翼起垂直升降和空中悬停作用，上仓形状起固定翼作用。用喷气式发动机平飞，形成了“飞碟”特有的功能，比所有的直升机速度快、运载能力大、功能多、节能减排在50％以上。此项技术在“国家重点支持的高新技术领域”八项中占两项，即：三、航空航天技术；六、新能源及节能技术。制作“飞碟”主要的是设计与组装工程。

Description

高速多功能直升航空“飞碟”的设计方法

(一)技术领域：在航空飞行器领域中，高速多功能直升航空“飞碟”(以下行文中简称“飞碟”)是人类前所没有的新型直升航空飞行器。

(二)背景技术：各类飞机的设计制造技术，应该参考的是美制V-22倾转旋翼飞机技术。

(三)发明内容：“飞碟”是集各种飞机的功能原理于一体设计而成，外观设计形状酷似UFO，即中国人称“飞碟”。在平飞时侧面外观可见，起落架仓门和出入仓门已关闭，喷气式发动机正在全速推进平飞，三个小圆圈是探视仪、摄像头、指示灯的位置(图1)；图2表示它处于地面上静止状态，起落架最大限度放开，正面可见两台喷气式发动机，在左右两边固定涵道内各设一台，8台旋翼发动机的前4台，设在中间的4个固定涵道内；上仓底面最大直径边缘镶嵌三角形橡胶安全带，在固定涵道外的上方，有七个圆形吸气孔；图3仰视可见8个可倾转旋翼和固定涵道孔口的位置(中间4个旋翼可以是固定式)，起落架还没有收回，后面出入仓门已关闭，两块平衡翼处在前4个旋翼的两边，两个小双圆圈是探视仪位置，8个小圆圈是探照灯位置，密集细实线表示喷气式发动机喷出的热气流；图4俯视可见，两边喷气式发动机的吸气口和排气方向，另外8个半圆形是旋翼的吸气与排气口，7个圆形吸气孔，把阻力空气沿照虚线规定范围内的夹层中间，导向后方的半圆形口内排出，由阻力变成升力，虚线造形是方向翼在夹层中间的位置。在图1～图4中外观规定了“飞碟”的形状，即：各种固定涵道的吸气口与排气口、喷气式发动机，倾转旋翼与发动机、平衡翼、方向翼、起落架、8个通风换气窗口、一扇出入仓门、探视仪、探照灯、摄像头、指示灯……的具体位置按排。从图1～图4中可以看出“飞碟”的外观造型是：上仓由最大直径底面圆形平面与上面球面体组成，这种形状是“飞碟”在平飞时产生升力的主要机构造型。它不但起到在平飞时产生升力的作用，而且还为按装各种固定涵道、旋翼与发动机、喷气式发动机和各种功能机构与器材留出了足够的空间。上仓体内虽然设置了这么多的功能机构，因为它是球面体形状，体内设置的各种固定涵道都是圆形和半圆拱形。所以它具有强大的拱力与拉力和刚性，在不用特殊加固的情况下，它仍然非常稳定。以橡胶安全带所包函的层面为分界面，把迎面空气阻力分成上下两股通过，形成了很好的气动力升力功能，中仓和底仓都是梯形体形状：中仓设计了8个通风换气窗口。后面一扇出入仓门串联中仓和底仓；底仓容纳4个起落架和收放仓，当起落架收回时，外观形状和谐一致，尤其是起落架仓的立壁，不但起到分隔内外仓室的作用，而且还对仓底面、仓顶面、中心仓壁、外形仓壁起到了拉力与支撑作用，使整个底仓形成了一个完整的刚性仓体。为设计能够在水面上和沼泽地面上垂直起降的“飞碟”打下了基础。

“飞碟”内部各种功能机构与器材的位置按排：图5(A-A)表示喷气式发动机在固定涵道中的位置；图6(B-B)和图7表示：中仓是由梯形体和嵌入上仓底部里的圆柱体组成，8套旋翼、发动机桥、发动机的组合，按装在中仓圆柱体外围，上仓球面体底面内部的固定涵道里。旋翼在作业时所产生的风力，因为周围有固定涵道壁围着，必须按照固定涵道规定的方向吸入和排出，所以大大的提高了旋翼产生升力的效率，使发动机输出功率得到更加充分的利用；出入仓门放下后可以当桥板使用，靠卷扬机收放，底仓内踏步板下，用液压机控制开与关踏步板；图7中表示：1-发动机桥(为了更清楚的表示发动机桥，桥上发动机没画)和旋翼在固定涵道内的位置；2-桥的正面和旋翼在桥下的位置；3-桥的底面形状；A指示蜗轮轴台位置，电动蜗杆利用蜗轮传动，带动桥前与后倾转，为了减轻桥体的重量，和增加桥体的刚性和稳定性，把它设计成吊杆式拱桥，桥面设计成圆形和三角形结构。两端轴台和与之相连的球面形瓦式体为一体结构，用钢质材料铸造成活。其余用空心薄皮钢质型材焊接成活。其中靠近桥体中心圆圈形的4根最长的吊杆用螺丝、螺栓加强式固定，能拆能装，这是为了给按装和维修发动机提供方便。旋翼用的发动机可采用活塞式和涡轴式航空发动机；4-方向翼；5-大屏幕液晶显示屏，一路旋游风光尽收眼底；6-各种机构功能仪表显示；7-总控制台；8-夹层空间；9-小三角形表示橡胶安全带；图9表示：4个起落架仓十字式相交于中心圆仓，分隔出四个扇形仓，出入仓门占据一仓，其余三仓是油箱仓，中心圆仓是液压机和油泵仓；出入仓门踏步板下是发电机组、工具箱……仓；图8(C-C)表示：起落架在仓内外放开和收回时的形状，为了扩散“飞碟”降落后对地面的压力，底脚设计成圆盘形，为了使圆盘的底面与地面有更大的接触面，采用了球形万向联接法，起落架具有弹簧减振功能，仓门跟随着起落架收放同步开关。

图10表示：设计中低速直升航空“飞碟”，在原两边喷气式发动机固定涵道内适当位置设置旋翼的固定涵道，这样“飞碟”就共有10个旋翼。中间4个旋翼可采用小迎角、宽叶面设计法(可以不设倾转机构)，这是为了使旋翼能够产生更大的升力；两边共6个可倾转的旋翼采用大迎角，窄叶面设计法，这是为了使旋翼在平飞时产生更快的速度。  “飞碟”升起时1 0个旋翼同时旋转产生升力；在平飞时两边6个旋翼全部倾转至平飞位置全力推进平飞。其它方面采用“飞碟”的设计方法设计。

“飞碟”对旋翼功能和动力配备要求是：根据“飞碟”总起飞重量选择旋翼个数(4+2n个)，即总数必须是偶数。为了消除旋翼的扭力，左右两边必须个数相等，旋转方向相反。根据旋翼功能配备发动机功率，旋翼主要起到升起作用，升起速度不需要太快，达到10米/秒左右即可，这样做可以大大的降低对发动机功率的要求。根据“飞碟”总起飞重量和飞行速度要求配备喷气式发动机的推力即可。“飞碟”飞行速度达到1000千米/小时左右没有问题。再快没有实际意义和使用价质。“飞碟”的功能原理是：准备升起，启动所有旋翼发动机全力升起，当升起高度脱离了地面灰尘(旋翼扇起的灰尘)时，立刻启动喷气式发动机开始平推爬升。当上升到平飞所需要的高度和速度时，关掉部分或者是全部旋翼发动机，这时“飞碟”自然就变成了固定翼飞机的飞行方式。也就是说“飞碟”在起飞时，只有几秒钟时间利用直升机功能原理，剩下的整个飞行过程，都是利用固定翼飞机的功能原理。在同样起飞重量和运载能力的情况下，固定翼飞机要比直升机节能减排好几倍，这就是“飞碟”比直升机至少节能减排在50％以上的根据。因为“飞碟”上仓的壳体形状是按照固定翼的功能原理设计的，所以它具备了两个方面的特点：靠旋翼产生升力垂直升降和空中悬停，在平飞时靠上仓壳体形状产生升力支持平飞。目前全世界最选进的美制V-22倾转旋翼飞机的功能，也无法达到“飞碟”的功能标准，这主要原因是旋翼问题，在设计旋翼时，迎角大(一般不能超过十几度)，叶面窄、速度快，但是升力或者是推力小；迎角小、叶面宽、速度慢，但是升力或者是推力大。这是一对很矛盾的问题。美制V-22倾转旋翼飞机只有两个旋翼，需要担负两项任务，产生升力和平推，因此只能是顾此失彼。“飞碟”就不同了，只需要旋翼产生足够的升力就可以了，速度无所谓，升起时多用去几秒钟或者是几分钟时间，这对于它的全程飞行速度几乎是毫无影响，因此它可以利用小功率的发动机产生强大的升力。

“飞碟”的特殊功能：它的外观形状最适应设计，在水面上和沼泽地面上能够垂直升降的“飞碟”，它的底仓起落架收回时就和中仓形成了盆状梯形体浮体。再把上仓周边固定涵道的外形和上仓内壁之间的空间充满泡沫材料。“飞碟”在水面上漂浮就成了不倒翁，任凭风吹浪打也不容易翻过去。但是有一点要注意：上仓底平面距离水面的高度要适当，太高漂浮不稳，太低无法起飞。这个距离最好控制在50-100cm之间。办法是根据“飞碟”总起飞重量计算底仓和中仓的吃水深度，高度如果不合适，改变中仓外形尺寸高度即可。“飞碟”用在军事上：它的顶部为按装各种防空武器提供了有利的平台，火力发射四面八方无障碍。如果和军舰配合做战，军舰只需给提供燃油、炮弹和其它方面的物资补给、维修场地就可以了。正常情况下它可以漂浮在军舰的周围自行休息，它的特殊功能是任何飞机也无法做到的，令敌机望风而逃。

“飞碟”的安全可靠性：现有的各种直升机螺旋桨直径太大，飞行时桨叶漫天飞舞。尤其是在山谷中穿行，形成了很大的空间死亡区。山体、树木都对它形成了威胁。直升机一般情况下按装1～2台大功率发动机，驱动大直径螺旋桨进行作业。发动机一旦发生故障，就有很大的危险性。“飞碟”完全可以解决这些问题，去掉柔性大直径旋翼，改用多个刚性小直径旋翼。去掉大功率发动机，改用多个小功率发动机，并且把它们全部置于体内，在周围的边缘设置橡胶安全带加以重点保护。即使在山谷中穿行和着落军舰，只要不是正面硬性撞创，万一刮一下、蹭一下、碰一下基本上是不会有太大的危险。但是事无绝对，其中也存在着很大的危险性，千万马虎不得。

综上所述，“飞碟”共有如下几方面的优点：飞行速度快、载重量大、功能特别多、飞行安全可靠、节能减排、外观造型优美奇特。完全形成了它特有的独立风格，在直升航空领域里完全可以处于绝对领先的水平。在未来浩瀚的蓝天上只能是固定翼喷气式飞机和直升航空“飞碟”各怀绝技，翱翔蓝天，争奇斗艳。

(四)附图说明：共七页1 0个附图，其中第五页图7和图8(C-C)、第六页图9是放大样图。其它图都是按照统一比例绘制，整套图纸主要是“飞碟”外观形状和各种功能机构位置按排与功能原理示意图。另外对发动机桥和起落架机构做了详细的表示。只要确定了旋翼旋转直径的尺寸和发动机形状所占空间范围的尺寸，就可以以此为基准来推算其它各个部位的尺寸。特殊情况可适当协调一下即可，但是整体比例不能改变，否则效果可能会跟着发生改变。主要依据图3、图2、图4和图1。其它图作为参考。本套图纸适合各种功能“飞碟”的设计需要。

(五)具体实施方式：自美国的莱特兄弟设计与制造出人类历史上第一架飞机(“飞鸟”1号)后，一个多世纪以来经过无数科学家的努力研究，又设计制造出近百种各种功能的飞机。现在世界上许多国家已经形成了非常强大的飞机工业生产体系。各种功能机构和器材的定型产品应有尽有，为设计与制造“飞碟”打下了坚实的基础。制造“飞碟”用的喷气式发动机、旋翼用的各种发动机、探视仪、摄像器材、通讯器材、液压机、油泵、发电机组、大屏幕液晶显示屏、各种仪器仪表、灯具……这些高科技定型产品，无需再另行设计与制造，只需选择和采购就可以了。下面介绍一下特殊功能机构的设计与制造实施方式：

旋翼、发动机桥、起落架、各种固定涵道、航空胶合板、航空木合金板这些功能机构和材料，只需要带上图纸到相关的企业厂家订做就可以了，现在只剩下了一个壳体，但是也是它的主体，是最大的工程施工阶段，需要重点介绍一下。

各种功能机构和器材的形状尺寸与功能特点都已经确定之后就可以设计它的主体了。主体可以分成三个主要部分设计：底仓梯形仓、上仓球面体仓、中仓梯形体是过渡仓，起到承上启下连接和支撑作用。主体结构为铝合金型材龙骨架，各个连接点用拉铆钉固定。在关键受力点部位预置钢质构件：钢板、角钢、槽钢、工字钢、钢管……这些构件形状与尺寸应根据受力点的受力情况决定。主要的受力点有：起落架机构与底仓联接，发动机桥两端轴承瓦座与上仓联接，出入仓门与底仓转动联接……这些联接点的固定点部位都需要用钢质构件加强。具体施工顺序：主体龙骨架首先从底仓做起，底仓龙骨架施工到能够架起来的时候，把它垫到适当的高度，按装起落架后不能影响到最大限度放开和收回，加垫部位要把4个起落架仓位置让开，要把底仓垫平垫稳后再往下施工。一切施工程序必须按照图纸设计要求进行；底仓龙骨架成活后，在它的上平口周边指定位置立中仓的斜立柱，完后开始施工上仓底面最大直径包含的结构平面龙骨架。上仓球面体拱形龙骨架按照图纸在地面上成活后，再按照顺序一个一个的拿到上面去，按着指定位置进行固定连接。这样主体整个龙骨架就算基本定形了。下一步按着指定位置进行固定连接，这样主体整个龙骨架就算基本定形了，下一步在指定受力点部位进行钢质构件按置。按照要求需要预置和加强的部位都完活之后，上里面航空胶合板，按装各种固定涵道和功能机构还有仪器仪表……同时互相穿插施工，施工顺序是：由内向外，由里往外进行施工。当一切内部施工任务完全彻底的完成以后，才可以进行外表上外用航空木合金板施工，边上板，边在里板与外板之间和龙骨架的空间添充泡沫材料，起到粘接、支撑、固定作用，加强整个主体的刚性。在上里板和外板时，板面与龙骨架的接触面必须用酚醛一缩醛胶或者是其它结构型粘合剂进行粘合，上板用的各种拉铆钉帽头不能露出板面的平面，最好是低于板平面0.5-1毫米之间，为表面处理打下基础。以上各项施工任务都完成以后，整个“飞碟”制造工程也就结束了。至于里外装潢设计与处理和试飞过程就不继续介绍了。

综上所述，制造“飞碟”采购订做与自行制造工程几乎差不多，如此看来制造“飞碟”只需要一块施工场地和简单的工具与设备，再有一个简易车间和库房就可以了。当然了这是指试制阶段，当产品定型以后，再根据需要规划场地、厂房和工程设备等。人在探索未知新的领域时，只有看到了光辉灿烂的前程，才会去快马加鞭地前进！

Claims (6)

1. 高速多功能直升航空“飞碟”的设计方法

   1.整体外观形状和布置设计方案：在上仓底面与中仓的外面设计8个圆形固定涵道排气孔，可见8个旋翼在里边，最大直径的边缘镶嵌三角形橡胶安全带；靠近中仓外围前后各1个小双圆圈是探视仪位置，周围8个小圆圈是探照灯位置；在两台喷气式发动机吸气口里底面各设一块平衡翼(图3、图5)；在上仓球面体前边部位，有6个半圆形吸气口，其中两边的是喷气式发动机吸气口，中间4个是旋翼吸气口，上面另有7个圆形夹层吸气孔；后边部位中间4个半圆形口，是旋翼吸气与排气口；两边可见喷气式发动机的喷气口，周边12个小圆圈是探视仪、摄像头、指示灯的外观造形位置(图4)；中仓和低都是梯形体。中仓有8个长方形通风换气窗口；底仓可见4个起落架、仓门、起落架仓位置和形状，后面有一扇吊桥式出入仓门，串联中仓和底仓(图1-图3)。图1表示：起落架底脚圆盘和仓门收回时，外观只显其形不露其仓。
2. 2.整体各种功能机构和器材的具体位置设计方案；8套发动机、发动机桥、旋翼的组合设计在中仓外围与上仓底部的固定涵道里；两部喷气式发动机设在两边的固定涵道里(图3、图4、图5)；油箱、油泵、液压机、发电机组、工具箱设置在底仓内部各仓室内，与外界密封隔绝。起落架、起落架仓和门设置在底仓的外部造型内，与外界相通。起落架收回时外观：仓门的外面、底脚圆盘的底面造形要和底仓的外观造型和谐一致；出入仓门设置在中仓和底仓的后面，关上门之后要达到门边和框边严丝合缝，滴水不漏。门的外观造型应和中仓还有底仓的外观造型和谐一致；门放下之后应起到桥板的作用。大屏幕液晶显示屏、各种仪表、总控制台设置在中仓内部的前面(图6、 图7)；方向翼设置在夹层中间的前部(图7中4、图4)；平衡翼设置在喷气式发动机吸气口里面的底面内(图3、图5)。
3. 3.起落架的设计方案：为了扩散“飞碟”降落后对地面的压力，底脚设计成圆盘形，为了使圆盘的底面和地面之间有更大的接触面来分散压力，采用了球形万向联接法，仓门跟随起落架收放同步开关(图8)。
4. 4.发动机桥的设计方案：为了减轻桥体的重量和增加桥体的刚性和稳定性，把它设计成吊杆式拱桥，桥面设计成圆形和三角形结构(图7中1、2、3)；有一端设计有蜗轮轴台(2、3A)。两端轴台和与之相连的球面形瓦式体为一体结构，用钢铁材料铸造成形，其余用空心薄皮钢质型材焊接成活。其中靠近桥体中心圆圈形的4根最长的吊杆，用螺丝、螺栓加强固定，能拆能装，这是为了给按装和维修发动机提供方便。
5. 5.中低速直升航空“飞碟”的设计方案：在原两边喷气式发动机固定涵道内适当位置设置旋翼固定涵道。这样“飞碟”就共有10个旋翼，中间4个旋翼还是采用小迎角、宽叶面设计法(可以不设计倾转机构)，这是为了使旋翼能够产生更大的升力；两边共6个可倾转的旋翼采用大迎角、窄叶面设计法是为了使旋翼在平飞时产生更快的速度。“飞碟”升起时10个旋翼同时旋转产生升力。平飞时两边6个旋翼全部倾转，至平飞位置全力推进平飞(图10)。其它方面采用“飞碟”的设计方法。
6. 6.在水面上和沼泽地面上能垂直起落“飞碟”的设计方案：“飞碟”的底仓起落架收回时，就和中仓形成了盆状梯形体浮体，根据“飞碟”的总起飞重量设计底仓至中仓的吃水深度，达到上仓底面距离水面高度50-100cm即可；高度如果不合适，改变中仓外形尺寸高度即可。其它方面按照“飞碟”的设计方法设计。 

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