CN102826215A - 一种可短距起降的轻小型飞翼载人机 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种具有短距起降（STOL）能力的飞翼布局的轻小型飞机。本发明通过机身、机翼、驾驶舱的一体化设计，充分发挥了飞翼“低阻”巡航优势的同时，对该飞翼引入重心前矢量力，配合前后缘襟翼设计，实现了飞翼飞机短距起降的能力。相比同级别轻小型飞机，综合性能优越。

Description

一种可短距起降的轻小型飞翼载人机

技术领域

本发明涉及一种可短距起降的2—3座轻小型飞翼飞机，属于航空飞行器中固定翼飞机设计技术领域。

背景技术

作为一种非常规的气动布局，飞翼飞机采用翼身融合和无尾布局，具有很多独有的优越性，如：高升力低阻力；气动一体化设计等。

由于无平尾，它的操纵舵面位于机翼后缘，尾力臂短，一方面，导致纵向操纵舵面效率低；另一方面，飞翼翼型不能选择升力系数大的正弯度翼型，不能使用增升装置，因为这样的翼型低头力矩不能配平；这些导致了飞翼的起飞降落性能差，操纵效率低，大大限制了飞翼飞机的普及和应用。

轻小型飞机是通用航空飞机的一个部分，具有起降方便、使用灵活等特点，己成为航空领域不可缺少的重要组成部分。目前多采用常规布局，技术成熟，安全性高，性能满足常规要求。

发明内容

根据本发明，通过了一种具有短距起降（STOL）能力的飞翼布局的轻小型飞机的研制。该轻小型飞机，采用飞翼布局，能够充分利用飞翼布局高升低阻的优势，具有不逊于常规布局飞机的巡航性能，同时，采用引入矢量力的方式，能够大幅度提升起飞降落能力，实现多数普通场地，例如操场，楼顶等场所的起飞和着陆，对于轻小型飞机而言具有重要意义。以国产小鹰500为例，在二者的设计巡航速度同为300km/h的情况下,小鹰500（5座）的起飞滑跑距离为410米，而根据本发明的一个实施例（3座）的飞翼滑跑距离仅为30米。

在参数选择上，采用大功率重量比，小翼载荷的参数设计，可以进一步提高短距起降的能力。但其带来的缺点是巡航速度损失较大，对于常规布局飞机该参数无法飞行在较大的巡航速度上。飞翼布局具有的低阻优势，可以弥补巡航速度损失。

综上述，与常规布局轻小型飞机相比，该发明能充分发挥飞翼的优势，保持不错的巡航性能，同时，通过引入矢量力，结合襟翼增升相关设计，还能显著提高起降性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于包括一体化的机身、机翼和驾驶舱，其中，驾驶舱与机身光滑过渡，且机翼与机身相互融合。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的2-3座飞翼载人机的整体示图。

图2是根据本发明的一个实施例的外翼段所采用的前缘缝翼和后缘缝翼的示图。

具体实施方式

为了充分发挥根据本发明的一个实施例的飞翼的“高升低阻”的优势，提高巡航性能，该飞翼采用了驾驶舱（3）与机身（2）、机翼（1）的一体化设计，实现了驾驶舱（3）与机身（2）的光滑过渡以及机翼（1）机身（2）的融合。在根据本发明的一个具体实施例中，驾驶舱（3）中设有3个座位，前排一座为驾驶员位置，后排两座为乘客位置，乘客座位后面的后半段驾驶舱（3）为放置行李空间。后排两座乘客位置位于重心（10）附近，可解决乘客体重、数量的变动所带来的配平困难。

为了提供短距起降能力，根据本发明的一个实施例采用了在机身（2）的前部、重心（10）之前处加装一对可倾转螺旋桨（6）的设计布局，其体轴前向力作为主动力，升力方向力可以产生直接的升力和抬头力矩，既能平衡部分重量以降低最小飞行速度，又能平衡较大迎角下使用增升装置起飞着陆时飞翼产生的低头力矩。同时，机翼设计采用前缘襟翼（14）和后缘襟翼（9）相结合的增升装置，在矢量力提供配平力矩的情况下，实现短距起降能力。

为了具有短距起降能力，充分挖掘飞翼的短距起降性能，根据本发明的短距起降轻小型飞翼包括以下特征中的一或多个：

－可倾转螺旋桨（6）

为了具有短距起降能力，根据本发明的一个实施例的短距起降轻小型飞翼采用在机身（2）前部，飞翼的重心（10）之前两侧布置一对可倾转螺旋桨（6）的设计布局，其体轴向力作为发动机主动力，升力方向力作为重心前矢量力，可以产生直接的升力和抬头力矩，力的效果在于可分担一部分重力，降低最小飞行速度，力矩效果在于能够平衡较大迎角下使用增升装置起飞、着陆时飞翼产生的低头力矩，配合襟翼等增升装置的使用。

根据一个具体实施例，可倾转螺旋桨（6）与重心（10）的距离选择在36%平均气动弦处，在满足起飞着陆任务段，力矩配平的条件下，具有可观的推力和力矩，利用率较高。相比主动力和矢量力单独分别提供，可倾转方式，能够在同功率下，达到两个方向功率的最大利用。

－双发动机（5）同步驱动

采用两幅位于机身（2）中部的发动机（5），同步并联驱动一对螺旋桨（6），从而保证单发失效情况下两侧螺旋桨仍能同步工作，提高了安全性。

－滑流舵面

在根据本发明的一个实施例的短距起降轻小型飞翼中，由于所采用的可倾转螺旋桨（6）的体轴方向的力位于机翼前面，这样流经动力系统的气流能比远前方来流更高速地流过机翼面（13），流经后缘的部分襟翼（9）和副翼（8），在不改变纵向力臂的情况下，有效改变副翼（8）和襟翼（9）偏转产生的升力，进而改善飞翼操纵舵面效率低下的状况，有效提高起飞降落性能。

－分段机翼设计

根据本发明的一个实施例的短距起降轻小型飞翼的机翼采用分两段设计。理论计算表明，对飞翼引入矢量力的方式，在重心（10）、焦点（11）确定之后，升力方向矢量力距离重心（10）过远，会造成静不稳定。机翼分段设计为内翼段（12）与外翼段（13）两段，这样的效果有三个：1）内段机翼（12）具有足够面积，能与机身（2）、驾驶舱（3）很好融合，体现飞翼性能优势；2）在力矩可配平的状况下，可尽量使倾转螺旋桨（6）靠近重心（10），保持纵向稳定性；3）外段机翼（13）具有较大的后掠角，除了性能考虑外，还能够减少旋翼桨盘（6）与外段机翼（13）的重叠，减弱旋翼（6）倾转时对机翼（13）的遮蔽作用。

－前缘襟翼（14）与后缘襟翼（9）

通常情况下，飞翼布局不使用襟翼等増升装置，因为，其增加升力所附加的力矩无法配平。引入矢量力，可以配平增升装置产生的低头力矩，本发明引入了前缘襟翼（14）与后缘襟翼（9）。前缘襟翼（14）与后缘襟翼（9）的増升效果明显。后缘襟翼（9）下偏，能够增加翼型的弯度。同时减小在翼型上表面产生流动分离的临界迎角。机翼前缘襟翼（14）下偏时，在升力曲线线性段的迎角范围内，其升力实际上是不增加的，但可促使分离开始的迎角延迟到更大的范围，从而增加了临界迎角和最大升力系数的值，由此可以有效降低着陆速度并使得在较大的着陆下滑角时保持飞机良好的姿态。增升装置具体方式，参照增升效果，以力矩可配平为条件，选择前缘缝翼（15）和后缘缝翼（16）。

根据本发明的一个实施例的短距起降轻小型飞翼包括：飞翼布局，前三点式起落架，距离重心（10）前36%平均气动弦的位置安装有一对可倾转螺旋桨（6），分布驾驶舱（3）两侧，通过倾转提供主动力和升力方向矢量力。机翼（1）配置前缘襟翼（14）和后缘襟翼（9）。

根据本发明的一个具体实施例的短距起降载人飞翼设计参数包括：

总重量：该重量主要包括，空机重量，燃油重量与有效载重重量，考虑240kg的成员与行李重，参考燃油与空机重量系数，得最大起飞重量为780kg。

功率重量比：为螺旋桨输出功率与最大起飞重量的比值，直接影响飞机性能。其值越大，加速性能好，机动性强，爬升迅速，最大速度高，但同时会耗油多，增加起飞重量。在本发明例中，设计最大飞行速度300km/h，同时满足60米起飞距离越过15米的越障高度，必须选择较大的功率重量比，选择180W/kg.

翼载荷：翼载影响飞机的失速速度，爬升率，起飞距离以及盘旋性能。在本发明例中，在满足巡航最大速度300KM/h飞行和30米地面滑跑，60米爬升15米障碍起飞要求下，选择翼载为60.5。

展弦比λ：展弦比选取，主要考虑其对升阻特性和机动性的影响。飞翼布局飞机，低速飞行，不强调机动性能，适合选取较大展弦比，能够减小涡诱导阻力，获得较大升阻比，提高巡航性能。同时太大的升阻比会带来结构上的困难，在一个具体实施例中，选择展弦比为6.85。

后掠角χ：从平飞性能考虑，低速飞机适合选取平直机翼。从飞翼无尾布局的稳定性考虑，适合选取大后掠角，以增大升降副翼的稳定作用。在本具体实施例中，选择前缘后掠角为20.5。

根梢比η：后掠机翼根梢比一般在2～6范围内，其影响升力的展向分布规律。平直机翼当η＝2.2时，可产生诱导阻力最小的椭圆形升力分布。在一个具体实施例中，近似平直翼，故取η=2.2。

本发明的优点和有益效果包括：

－继承了飞翼固有的良好的巡航特性。

－襟翼、副翼、立尾等多翼面操纵解决了横航向不稳定且难以操纵的困难，操纵性和稳定性较好。

－通过重心前可倾转螺旋桨，前缘襟翼和后缘襟翼等增升装置和滑流舵面设计，显著地提高了飞翼的起飞降落性能。

－实际设计的飞机可装载2-3人，可在较小的场地，如楼顶起飞，其巡航性能又可媲美常规飞机，因此，可以看出，该发明飞翼具有极其优越的性能。

Claims (10)

1.一种可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于包括：

一体化的机身（2）、机翼（1）和驾驶舱（3），其中，驾驶舱（3）与机身（2）光滑过渡，且机翼（1）与机身（2）相互融合。

2.根据权利要求1的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于进一步包括：

为了提供短距起降能力，根据本发明的一个实施例采用了

在机身（2）的前部、重心（10）之前处加装的至少一对可倾转螺旋桨（6），

其中，所述可倾转螺旋桨（6）的体轴向力作为主动力，升力方向力产生直接的升力和抬头力矩，从而既能降低最小飞行速度，又能平衡较大迎角下高升力系数起飞/着陆时飞翼产生的低头力矩。

在机身（2）前部、飞翼的重心（10）之前设置的至少一对可倾转螺旋桨（6），

其中，所述可倾转螺旋桨（6）的体轴向力作为发动机主动力，升力方向力作为重心前矢量力，用于产生直接的升力和抬头力矩，

所述升力用于分担一部分重力，从而降低最小飞行速度，

所述抬头力矩用于平衡较大迎角下高升力系数起飞/着陆时飞翼产生的低头力矩，配合襟翼增升装置的使用。

3.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于：

机翼（1）采用前缘襟翼（14）和后缘襟翼（9）相结合的增升装置，从而在矢量力提供配平力矩的情况下，进一步提高短距起降性能。

所述抬头力矩还用于配合襟翼增升装置的使用。

4.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于：

机翼（1）分为内翼段（12）与外翼段（13），其中外段机翼（13）具有一定的后掠角，从而使得：

内段机翼（12）用于前移全机的焦点(11)和重心(10)的位置，以便于动力系统及座舱的布置。

5.根据权利要求4的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于：

－内段机翼（12）具有足够面积，能与机身（2）、驾驶舱（3）很好融合，体现飞翼性能优势；

－在力矩可配平的状况下，使可倾转螺旋桨（6）尽量靠近重心（10），从而保持纵向稳定性；

－由于外段机翼（13）具有一定的后掠角，减少了旋翼桨盘（6）与外段机翼（13）的重叠，从而减小了可倾转螺旋桨（6）的旋翼倾转时对机翼（13）的遮蔽作用。

6.根据权利要求3的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于：

可倾转螺旋桨（6）与重心（10）的距离为36%平均气动弦处。

7.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于进一步包括：

分别位于机身（2）中部的两幅发动机（5），用于并联驱动两个所述同步可倾转螺旋桨（6）。

8.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于：

所述可倾转螺旋桨（6）位于机翼前面，使得流经动力系统的气流能比远前方来流更高速地流过机翼面（13）并流经后缘的部分襟翼（9）和副翼（8），从而有效改变副翼（8）和襟翼（9）偏转产生的升力，并改善飞翼操纵舵面效率低下的状况，有效提高低速和起飞降落性能。

9.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于机翼（1）包括：

前缘襟翼（14）与后缘襟翼（9），从而

通过后缘襟翼（9）下偏，而增加翼型的弯度，并减小在翼型上表面产生流动分离的临界迎角

机翼前缘襟翼（14）下偏时，在升力曲线线性段的迎角范围内，其升力实际上是不增加的，但可促使分离开始的迎角延迟到更大的范围，从而增加了临界迎角和最大升力系数的值。

10.根据权利要求2的可短距起降的轻小型飞翼载人机，其特征在于

驾驶舱（3）中设有3个座位，前排一座为驾驶员位置，后排两座为乘客位置，乘客座位后面的后半段驾驶舱（3）为放置行李空间。后排两座乘客位置位于重心（10）附近，可解决乘客体重、数量的变动所带来的配平困难，

且所述可短距起降的轻小型飞翼载人机进一步包括：

前三点式起落架。

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