CN102765470B - 软体结构飞机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机，其基本材料是高强度纤维纺织面料如高强高模聚乙烯纺织面料与高分子薄膜材料如聚氨酯热塑弹性体薄膜复合而成，非常柔软而坚韧，又有良好的气密性。把这种材料制成气囊类结构，按照空气气动力学要求制成飞机形状，即包括机身、机翼、尾翼、垂尾、起落架、和机舱等浑然成一整体。然后配上普通动力和螺旋桨等机构制成飞机。这种飞机轻盈，可超低速短距离起飞和降落起降，可以不依赖机场；结实、防碰撞、安全；容易制造，成本低廉，充气成形，放气可以折叠。为飞机的小型化、个性化、家庭化和大量普及创造了条件。

Description

软体结构飞机

【技术领域】

本发明涉及一种飞机，是一种使用柔软的复合材料，并采用气囊类为基础的无硬质骨架的软体结构方式制造的飞机。

【背景技术】

自飞机发明以来，大都是使用钢材、铝材、木材以及其他硬质和有一定刚性的材料来制造飞机的骨架、本体和机翼的。

危及安全方面的问题，主要的就是碰撞。所有的工作几乎都是在避免碰撞上下功夫，因为没有一种原来意义上的飞机是不怕碰撞的。

原来意义上的飞机使用的材料，与现代高强度纤维相比，一般比强度都低，在相同条件下，他们都比较重，造出来的飞机也重，有效载荷反而较小，根据飞行动力学原理，起飞时必须达到很高的速度才能离开地面，对机场的依赖性也是很强的，飞机越大越重，机场的跑道就要求越长，起飞速度越快，降落时也是一样的情景。飞机失事往往在机场附近，要想降低飞机的起降速度是一难度很高的课题。由于材料上的原因和结构上的原因，这个课题困扰了人们很多年，渐渐地这个课题被淡忘了，忽略了，人们都在追求飞得快，超音速，似乎速度越快愈好。很少想到造一种低速，超低速的，尤其是指起降时能像鸟儿一样超低速的飞机，要知道这一问题对飞机的普及应用如小型化个体化家庭化具有至关重要的意义。

所以本发明的优势就在于要造出一种起飞降落速度超低的，非常轻盈的，又耐碰撞的飞机。

本发明采用柔软的无刚度的纺织品与高分子气密性材料相复合的面料，并且用无硬质骨架的气囊(也包括液囊)类结构方式制造飞机。这使得飞机的结构概念发生一个根本性的变化。相应的在材料、制造行业、性能上也了发生一系列重大改变。

两相比较，在同样空机和同样机翼面积情况下，前者机体重量大，起飞滑跑距离长，要求的起飞和降落速度大，对机场的依赖性强，后者重量轻，起降速度小，不依赖机场；前者属于刚性机械结构，怕碰撞，后者属于软体体结构，碰撞时能像篮球一样，有良好的缓冲作用；前者的主要靠机械行业加工制造，设备多，难度大，周期长，成本高，后者主要依靠纺织行业和高分子材料复合技术的加工，生产速度快，成本低廉，况且作为飞机结构件，后者的抗拉断裂破坏强度可以是前者的许多倍，结实的很。由于气囊的作用，适当设计飞机机翼的厚度并充以适当压力的空气，还可以使得飞机的总体刚度轻易地超过普通的飞机。所以不担心飞机在飞行过程中机翼有比普通飞机更大的变形。

因为本发明的飞机充入空气后是可以成形的，放气后是可以折叠的，所以可以放入一较小的容器里，搬回家中。飞行时又不受道路交通的影响，因此也可以说，这是未来代替小汽车的最优选的交通工具之一。

【发明内容】

本发明的目的在于用柔软的具有高抗拉强度的气密性复合材料创造一种无硬质骨架、无张线、多纵向韧带的气囊类结构，也称为软体结构，像软体动物那样。应用这种结构设计制造成飞机。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

采用低比重高强度的纤维纺织面料如高强高模聚乙烯纺织面料和芳纶纺织面料作为飞机的基本结构材料。高强高模聚乙烯的比重为0.97，比强度是钢材的十几倍。芳纶也有比钢材高得多的抗拉强度。

将聚氨酯热塑性弹性体(tpu)材料作为气密性薄膜材料与上述面料复合，复合后成为柔软的复合面料。

飞机的结构分为几个部分。由上面料1和下面料2以及连接上下面料的各个大小形状都不一样的韧带3共同构成飞机的本体。前部起到主翼的作用，后部可以起到尾翼的作用。

为了叙述上的方便和清晰，可以将飞机的某一部分冠以模块的名称。

同样由上面料1和下面料2以及他们所属的韧带3构成水平内尾翼模块4和水平外尾翼模块5。内外水平尾翼的转动受舵机总成14控制。

水平尾翼和其前方的主翼的结构方式是相同的，但两者之间有横向韧带，于是形成一条横向沟槽，在充气状态下前后两部分都可看成是具有一定刚度的板块，而横向沟槽可看成是一条转动轴，这样在舵机的带动下尾翼可以绕轴转动，调节飞机的升降和航向。

飞机的垂直尾翼模块6设在两侧后部，与飞机的主翼连成一体。实际上是飞机上面料1和下面料2的最外部分的延伸，只不过气囊的固有形状强迫它上翘罢了。

飞机设有3条腿相当于普通飞机的起落架，在起落时使用，前头一条腿，称起落用软体前腿模块8，其下装置轮胎总成10；飞机下面后方设两个下垂尾模块13，两后轮胎总成就安装在它们的下端。

在飞机的中前方设有机舱模块7，有自己独立的表面和韧带，构成一个独立的机舱，但它又和机体有机的连接成浑然一体，不可分割。作为无人机使用时机舱可以不设独立的上盖，设计成圆形。作为载人飞机时机舱设计成椭圆形。

飞机的必要处均设有许多悬挂用软硬连接付9，它是一种特有的连接器，一半是设在机体柔软的表面上的双层复合材料，另一半是夹在其中的可随时拔出的硬块或硬质体，飞机气囊在充气状态下各部分鼓起呈弧状面，由于硬块的夹入破坏了原有的自然形状，就产生了相应的固紧力，它能迅速方便地把外部的各种机械的、电子的配件和挂件紧紧地固结在飞机机体上。

这样的设计就可以把飞机的基本体作为软体结构来加工生产。这构成了一个新的行业，采用激光裁剪和高频电流焊接是它的主要加工方式。能够单独的实现高速生产。而将另外的飞机的非气囊类结构的零部件通过悬挂用软硬连接付9方便、迅速、牢固地和飞机本体连接在一起。飞机的动力、信息及控制系统固定架总成11就固定在本体中部后端的悬挂用软硬链接付9上。

飞机可设一个或多个燃油系统用液囊模块12，它设在飞机机体的中前部，围绕着总体的重心来布置，根据需求的燃油多少，液囊的大小随意设定。

飞机的动力装置放在飞机中间后头，这是一个接近飞机本体重心的的位置。飞行时产生推力。在发生碰撞时一般不容易遭到破坏。正因为这一布置才使得飞机尾翼部分分成两叉，飞机的俯视图呈‘人’字型。

飞机机体主要是气囊类结构组成的，气囊充入的空气达到一定压力时，不仅具有很高的整体刚度，而且有一定的硬度。为了增加飞机头部的缓冲作用，可以在飞机的机头前尖部另加保护性气囊，另充入更低压力的空气，在飞行时，一旦飞机从空中直栽下来，飞机不致遭到严重破坏，机上的载荷和动力系统也会受到保护。

【附图说明】

附图1为本发明的软体结构飞机结构图。

图中的标号分别为：

1，上面料

2，下面料

3，韧带

4，水平内尾翼模块

5，水平外尾翼模块

6，垂直尾翼模块

7，机舱模块

8，起落用软体前腿模块

9，悬挂用软硬连接付

10，轮胎总成

11，动力及信息、控制系统固定架总成

12，燃油系统用液囊模块

13，下垂尾模块

14，舵机总成

附图2、3、4分别为机体的主视图，俯视图、侧视。

【具体实施方式】

本发明的一个优选的实施例如下：

按照空气动力学的要求，经多年试验和改进，将飞机设计成如图所示的形状。

飞机的基本形状由3个基本另件决定。即1上面料1，下面料2，和韧带3决定。

现在按照加工工艺的过程顺序来叙述飞机本体的制作过程。

首先是裁剪，用激光裁剪机分别裁剪机舱模块7、下垂尾模块13、燃油系统液囊模块12、垂直尾翼模块6、水平内尾翼模块4、水平外尾翼模块5、起落用软体前腿模块8和悬挂用软硬连接付9的面料。并按照图纸分别将他们制作成整体模块。

其次是裁剪上面料1、下面料2和各个韧带3，并在这些面料上进行划线和记号。

将各个悬挂用软硬连接付9，按照指定的位置焊接在上面料1、下面料2上。将燃油系统液囊模块12焊接在下面料2的里面上。将机仓模块7的一端焊接在上面料1的里面上。

将各个韧带3的上边沿首先焊接在上面料1的里面上。

将机舱模块的另一端焊接在下面料2的里面上。

然后将它们的下边沿按顺序——焊接在下面料2的里面上。

将下垂尾模块13、起落用软提前腿模块10分别焊接在下面料2的外面，当采用单面涂层的面料时，需要预先在下面料2的里面加焊接上一层双面涂层的面料，以备焊接下垂尾模块13和起落用软体前腿模块10从外面的焊接工艺得以实现。

将水平内尾翼模块4和水平外尾翼模块5分别搭接焊接在主翼的后端。

在设定的位置装上充放气的气嘴和用于限制压力的阀门。

将4周焊接起来，实现整体飞机机体的密封。整个飞机机体成为一个完整的气囊群。

根据需要焊接时有的模块和机体的空气是相同的，而有的是互相独立互不通气的。

当采用蜂房状气囊的设计是，各个气囊均可以是互不相通的。只不过用于拉紧上下面的韧带不同而已，这种设计可以防止部分气囊因为漏气而影响体飞机的形状。

至此，一个完整的飞机本体就完成了。

剩下的工作就是安装动力及信息、控制系统固定架总成11，舵机总成14，轮胎总成10等工作了。

通过上述，已经注意到，本发明中用高强高模聚乙烯纺织面料和芳纶面料代替了金属、木材和其他材料等硬质材料。在充入一定压力的空气后成型，这种力学结构和原来意义上的飞机结构有根本的变化。所有的面料上包括韧带上只有一种拉应力的存在，因此可以称是一种纯拉力的结构，这就大大简化了结构的力学状态。在这种结构中，充气的压力(p)，结构的厚度(或有时是直径)(h)，悬臂的长短(L)决定了它的刚度。纤维的抗拉强度决定了结构的断裂强度。只要注意设计和制作过程中避免掉撕裂效应，这架飞机就能有效的减小和避免掉普通飞机因弯曲、振颤所产生的疲劳破坏。

决定飞机轮廓形状的是上下面料和韧带。在一定的厚度条件下韧带越密集，飞机的表面越平整。上下表面在韧带处沿着韧带方向形成一定深度的沟槽，本发明的飞机的韧带条是纵向布置的，对空气有导流作用。

还有一个要提及的，飞机是个多曲面和平面相结合的复合空气动力学的立体形状，形状非常复杂。常识认为曲面是不可展开面，但是本发明却是基本上用了两块平面的面料充当上下面制作飞机，这是相当难能的。这种设计和工艺方法将被保留下来，因为这将对提高生产速度提供了良好条件。

飞机采用活塞汽油机加螺旋桨作为动力，对于无人机也可采用锂电池和电机作动力。机舱设计成椭圆形，顶部可加透明机舱罩。对于无人机的机舱可设计成圆形，无机舱罩，用于放置有效载重如相机等东西。

飞机的起落用机腿，也设计成软体结构，可另充入一定压力的空气，代替了硬质的起落架，简单、轻巧还有良好的缓冲作用，优于带减震器的机构。也可充入一定量的液体，用于调节配重。由于该飞机用于民用目的作低速飞行，机腿是固定的，不能收放。

飞机的操纵采用电子的机电一体化操作。配件一律购买。本发明的飞机主要是涉及飞机本体，对配件不做过多的叙述。

本发明的飞机给出两款实例：载人机机长12米，翼展12米，形状如图，翼面积55.72平方米，载2人，用64马力汽油机。

机长3.86米，翼展2.06m，翼面积6.19平方米，空重9公斤，电机推动，无载重起飞速度24公里每小时，有效载重可15公斤，配以4千瓦电机，可作无人机使用。

Claims (6)

1.一种软体结构飞机，其特征在于使用高强高模聚乙烯和芳纶纤维纺织面料和聚氨酯气密性薄膜复合在一起的柔软面料，制成无骨架、无张线、多纵向韧带的气囊类整体飞机结构。

2.根据权利要求1所述的软体结构飞机，其特征在于机翼、机身融为一体。

3.根据权利要求1所述的软体结构飞机，其特征在于机舱为气囊类结构，并与机身融为一体，不可分割拆卸。

4.根据权利要求1所述的软体结构飞机，其特征在于作为起落用的机腿为气囊类结构，并与机体焊接在一起。

5.根据权利要求1所述的软体结构飞机，其特征在于所述飞机的悬挂用软硬连接付是一对软硬各半的组合机构，软的是高频电流焊接在飞机机体表面上的与飞机机体同样材料的片状面料，硬的是夹插在其中可随时拔出的硬质金属块。

6.根据权利要求1所述的软体结构飞机，其特征在于飞机的动力、操控、机电系统和轮胎总成都是通过飞机本体的悬挂用软硬连接付连接固结的，具有可拆卸的特点。