CN103264767B - 利用膜级层流实现直升的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用膜级层流实现直升的装置，包括气源、输气干管以及窄缝A单元、窄缝B单元、窄缝C单元和窄缝D单元。第一窄缝与第二窄缝之间为层流直升A区；第三窄缝和第四窄缝之间为层流直升B区；第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝在同一平面内且宽度相同，宽度为2-5mm，窄缝A单元和窄缝B单元分别位于待直升装置的顶部，并沿待直升装置的头尾方向喷气。窄缝C单元和窄缝D单元分别位于待直升装置的两侧，窄缝C单元上有第五窄缝，窄缝D单元上有第六窄缝，第五窄缝和第六窄缝向垂直于待直升装置的外侧喷气。该装置通过窄缝喷射气体形成膜级层流，对需要直升的物体提供直升力。

Description

利用膜级层流实现直升的装置

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，特别是涉及一种利用膜级层流实现直升的装置。

背景技术

随着科学技术的进步，各类飞行器得到飞速发展。

目前，各类飞行器获取升力主要由三种方式：

一、定翼在大气中直线运动获得升力，例如波音747、空客A320等，这类飞行器的起升依赖跑道，只能在大型空港间来往，雨雪雾天不能起降，航班延误，军机瘫痪。

二、旋翼于大气中旋转获得升力，例如直升机等。旋翼气动性能低劣，耗油量高，故而其航程短。

三、依靠向下喷气获得升力，例如鹞类机，每千瓦动能只能获得4N升力，垂直起飞过程效率低，仅有滑跑起飞的22%。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种利用膜级层流实现直升的装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，包括气源、输气干管以及窄缝A单元、窄缝B单元、窄缝C单元和窄缝D单元，所述输气干管一端封死，另一端与所述气源连接；所述窄缝A单元由两个气流方向相反的第一窄缝和第二窄缝以及控制所述窄缝A单元气流方向的气流方向控制活门A组成，所述第一窄缝与第二窄缝之间为层流直升A区；所述窄缝B单元由两个气流方向相反的第三窄缝和第四窄缝以及控制所述窄缝B单元气流方向的气流方向控制活门B组成，所述第三窄缝和第四窄缝之间为层流直升B区；所述窄缝A单元和窄缝B单元第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝在同一平面内且宽度相同，宽度为2-5mm，所述窄缝A单元和窄缝B单元分别位于待直升装置的顶部，并沿待直升装置的头尾方向喷气，所述第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝沿水平面垂直于所述待直升装置的纵向轴线；所述窄缝C单元和窄缝D单元分别位于所述待直升装置的两侧，所述窄缝C单元上设置有第五窄缝，所述窄缝D单元上设置有第六窄缝，所述第五窄缝和第六窄缝分别向垂直于所述待直升装置的外侧喷气，所述第五窄缝和第六窄缝在同一平面内且宽度相同，宽度分别为2-5mm，所述第五窄缝和第六窄缝的长度方向与所述待直升装置的纵向轴线平行；所述第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝、第四窄缝、第五窄缝和第六窄缝分别与所述输气干管连通。

所述窄缝A单元包括连接纵管A、连接横管A、第一纵管、第二纵管、第一横管和第二横管，所述连接纵管A与所述输气干管连接，所述连接横管A与所述连接纵管A连接，所述连接横管A的两端分别与所述第一纵管和第二纵管连接，所述第一纵管上端连接有所述第一横管，所述第一横管上设置有所述第一窄缝，所述第二纵管上端连接有所述第二横管，所述第二横管上设置有所述第二窄缝；所述气流方向控制活门A安装于所述连接横管A内，并通过第一传动机构与气流方向控制活门A步进电机连接。

所述连接纵管A内安装有强度控制活门A，所述强度控制活门A通过第二传动机构与强度控制活门A步进电机连接，通过所述强度控制活门A步进电机控制所述强度控制活门A的开度，从而控制窄缝A单元的喷气动力。

所述窄缝B单元包括连接纵管B、连接横管B、第三纵管、第四纵管、第三横管和第四横管，所述连接纵管B与所述输气干管连接，所述连接横管B与所述连接纵管B连接，所述连接横管B的两端分别与所述第三纵管和第四纵管连接，所述第三纵管上端连接有所述第三横管，所述第三横管上设置有所述第三窄缝，所述第四纵管上端连接有所述第四横管，所述第四横管上设置有所述第四窄缝，所述气流方向控制活门B安装于所述连接横管B内，并通过第三传动机构与气流方向控制活门B驱动电机连接。

所述连接纵管B内安装有强度控制活门B，所述强度控制活门B通过第四传动机构与强度控制活门B驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门B驱动步进电机控制所述强度控制活门B的开度，从而控制窄缝B单元的喷气动力。

所述窄缝C单元包括连接纵管C和连接横管C，所述连接横管C上设置有所述第五窄缝。

所述连接纵管C内安装有强度控制活门C，所述强度控制活门C通过第五传动机构与强度控制活门C驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门C驱动步进电机控制所述强度控制活门C的开度，从而控制窄缝C单元的喷气动力。

所述窄缝D单元包括连接纵管D和连接横管D，所述连接横管D上设置有所述第六窄缝。

所述连接纵管D内安装有强度控制活门D，所述强度控制活门D通过第六传动机构与强度控制活门D驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门D驱动步进电机控制所述强度控制活门D的开度，从而控制窄缝D单元的喷气动力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的装置通过窄缝喷射气体形成膜级层流，从而能够对飞机等需要直升的物体提供直升力，使物体直升，从而降低场、环境等条件对物体直升的影响，而且，节省燃料。

附图说明

图1所示为本发明利用膜级层流实现直升的装置的俯视图；

图2所示为窄缝A单元沿A-A向的剖面图；

图3所示为窄缝B单元沿A-A向的剖面图；

图4所示为窄缝C单元沿B-B向的剖面图；

图5所示为窄缝D单元沿B-B向的剖面图；

图6所示为飞机上的膜级层流直升示意图；

图7所示为升强与气流速度关系图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明利用膜级层流实现直升的装置的示意图如图1-图5所示，包括气源、输气干管以及窄缝A单元1、窄缝B单元2、窄缝C单元3和窄缝D单元4，所述输气干管一端封死，另一端与所述气源连接，气源可以是涡喷发动机，或涡扇发动机，或其他类型的发动机与轴流风机或离心风机的组合。所述窄缝A单元1由两个气流方向相反的第一窄缝6和第二窄缝7以及控制所述窄缝A单元气流方向的气流方向控制活门A18组成，所述第一窄缝6与第二窄缝7之间为层流直升A区。所述窄缝B单元2由两个气流方向相反的第三窄缝8和第四窄缝9以及控制所述窄缝B单元气流方向的气流方向控制活门B26组成，所述第三窄缝8和第四窄缝9之间为层流直升B区。所述窄缝A单元1和窄缝B单元2中的第一窄缝6、第二窄缝7在同一平面内且宽度相同；第三窄缝8和第四窄缝9在同一平面内且宽度相同，宽度为2-5mm，所述窄缝A单元1和窄缝B单元2分别位于待直升装置5的顶部，并沿待待直升装置的头尾方向喷气，所述第一窄缝6、第二窄缝7、第三窄缝8和第四窄缝9沿水平面垂直于所述待直升装置5的纵向轴线。所述窄缝C单元3和窄缝D单元4分别位于所述待直升装置5的两侧，所述窄缝C单元3上设置有第五窄缝10，所述窄缝D单元4上设置有第六窄缝11，所述第五窄缝10和第六窄缝11分别向垂直于所述待直升装置5的外侧喷气，所述第五窄缝10和第六窄缝11在同一平面内且宽度相同，宽度分别为2-5mm，所述第五窄缝10和第六窄缝11的长度方向与所述待直升装置5的纵向轴线平行。所述第一窄缝6、第二窄缝7、第三窄缝8、第四窄缝9、第五窄缝10和第六窄缝11分别与所述输气干管连通。

本实施例中，所述窄缝A单元1的具体结构包括连接纵管A12、连接横管A13、第一纵管14、第二纵管17、第一横管15和第二横管16，所述连接纵管A与所述输气干管连接，所述连接横管A与所述连接纵管A连接，所述连接横管A的两端分别与所述第一纵管14和第二纵管17连接，所述第一纵管14上端连接有所述第一横管15，所述第一横管15上设置有所述第一窄缝6，所述第二纵管17上端连接有所述第二横管16，所述第二横管16上设置有所述第二窄缝7。所述气流方向控制活门A18安装于所述连接横管A13内，并通过第一传动机构与气流方向控制活门A驱动电机连接，气流方向控制活门A驱动电机通过第一传动机构带动气流方向控制活门A的门轴，从而使气流方向控制活门A向一侧偏移、堵塞，打开另一侧的通道。

为了控制气流强度，所述连接纵管A12内安装有强度控制活门A19，所述强度控制活门A19通过第二传动机构与强度控制活门A驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门A驱动步进电机控制所述强度控制活门A的开度，从而控制窄缝A单元的喷气动力。

本实施例中，所述窄缝B单元的具体结构包括连接纵管B20、连接横管B21、第三纵管22、第四纵管25、第三横管23和第四横管24，所述连接纵管B与所述输气干管连接，所述连接横管B21与所述连接纵管B20连接，所述连接横管B20的两端分别与所述第三纵管22和第四纵管25连接，所述第三纵管22上端连接有所述第三横管23，所述第三横管23上设置有所述第三窄缝8，所述第四纵管25上端连接有所述第四横管24，所述第四横管24上设置有所述第四窄缝9，所述气流方向控制活门B26安装于所述连接横管B21内，并通过第三传动机构与气流方向控制活门B驱动电机连接，气流方向控制活门B驱动电机通过第三传动机构带动气流方向控制活门B的门轴，从而使气流方向控制活门B向一侧偏移堵塞，打开另一侧的通道。

为了控制气流强度，所述连接纵管B20内安装有强度控制活门B27，所述强度控制活门B27通过第四传动机构与强度控制活门B驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门B驱动步进电机控制所述强度控制活门B的开度，从而控制窄缝B单元的喷气动力。

本实施例中，所述窄缝C单元3包括连接纵管C28和连接横管C30，所述连接横管C30上设置有所述第五窄缝10。

为了控制气流强度，所述连接纵管C28内安装有强度控制活门C29，所述强度控制活门C29通过第五传动机构与强度控制活门C29驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门C29驱动步进电机控制所述强度控制活门C29的开度，从而控制窄缝C单元的喷气动力。

本实施例中，所述窄缝D单元4包括连接纵管D33和连接横管D31，所述连接横管D31上设置有所述第六窄缝11。

为了控制气流强度，所述连接纵管D33内安装有强度控制活门D32，所述强度控制活门D32通过第六传动机构与强度控制活门D32驱动变频电机连接，通过所述强度控制活门D32驱动步进电机控制所述强度控制活门D32的开度，从而控制窄缝D单元的喷气动力。

以下以飞机为例对本发明的装置的使用进行说明。

图6所示为飞机上的膜级层流直升示意图，所述窄缝A单元1中的第一窄缝6与第二窄缝7之间为层流直升A区，所述窄缝B单元2中的第一窄缝8与第二窄缝9之间为层流直升B区，A区B区担负整机升力，调整飞机俯仰。窄缝C单元3和窄缝D单元4向外侧喷射，调整飞机沿纵轴左右转姿。

当起飞、悬停时，第一窄缝、第四窄缝、第五窄缝和第六窄缝喷流；当巡航、前进时，第一窄缝、第三窄缝、第五窄缝和第六窄缝喷流；当倒飞时，第二窄缝、第四窄缝、第五窄缝和第六窄缝喷流。

第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝的宽度分别为5mm，长度为3m，第一窄缝与第二窄缝之间的距离为6m，A区的喷流面积=B区的喷流面积。第五窄缝和第六窄缝的宽度为5mm，长度为2m，窄缝C单元和窄缝D单元侧向喷流作用升力的长度为1.5m，窄缝C单元的喷流面积=窄缝D单元的喷流面积。

总的喷流面积S_h=2(3×0.005)+2(2×0.005)=0.05m²。

总升力面积S_L=2(3×6)+2(2×1.5)=42m²。

经多次实验表明，层流薄膜厚度h=0.002m时，仍符合托里拆利定理，

即： $\mathrm{\ΔP}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{U}^2---\left(1\right)$

公式中，P表示大气压强，ρ表示大气密度，U表示气流速度，△P表示平板上下的压差，称为升强。（平板下大气平静，上方造成层流；下方为一个大气压，上方气压下降）。

大气中水平放置一平板，板下面为静止大气，板上面为为膜层流。顺向流过平面之长度为L，当满足U×1^s≥10L时，均能观察到满意的层流。

升强：单位面积上的升力f₁称为升强，由于所讨论的升力是在大气层内，而大气层是在重力场中，因此，升强的上限为所处空域之大气压强P。

水平放置的平板，单位面积上的升力f₁与大气密度ρ、大气压强P以及气流速度U之间的关系式可表示为：

（升强用f₁表示，升力用F_L表示，f₁=△P）

将不同高度上的ρ、P及气流速度U代入公式（2）中，则得出了函数定义域，海平面上的升强f₁与气流速度U的函数曲线如图7所示，U_C表示海平面上升强饱和的临界速度。

$f_1=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{U}^2\·\·\·U(0,U_C)\\ P\·\·\·\·\·\·U(U_C,\∞)\end{array}\right.$

$U_C={\left(\frac{P}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

根据上述公式可算得海平面上的临界速度U_C

$U_C={\left(\frac{P_0}{\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\frac{1}{2}}={\left(\frac{101300N\·m^{-2}}{\frac{1}{2}\×1.29\mathrm{kg}\·m^{-3}}\right)}^{\frac{1}{2}}=396.3m{\·s}^{-1}$

由图7可知，在海平面上当喷气速度大于临界速度时，升强饱和，升强f₁与海平面上的大气压强相等。则升力等于大气压强p₀与升力面积S_L之乘积。以WS—10为例，其喷气速度U=700m·s^-1，由于喷流速度U(700m·s^-1)大于临界速度U_C(海平面396.3m·s^-1)，因此，喷气速度U=700m·s^-1时的升强f₁与海平面上大气压强p₀相等，海平面上的总升力为:

F_L=P₀×S_L=101300N·m^-2×42m²=4254600N=433877.218kgf=433.88ton。

总喷流动能为:

$E_k=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_0{U}^3{S}_h=\frac{1}{2}\×{1.29\mathrm{kgm}}^{-3}\×{(700m\·s^{-1})}^3\×{0.05m}^2=11061750J\·s^{-1}=11061\mathrm{KW}.$

此例中升力/气动为

即每1kw气流功率可获升力384N，为国产Z-9的100倍。

F-8Ⅱ起飞总重为14300千克，B-6轰炸机起飞总重为72000千克，波音747起飞总重为394625千克，本发明所得F_L均大于飞机的起飞总重，因此，通过本发明的直升装置可以实现飞机的直升。

Claims (9)

1.一种利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，包括气源、输气干管以及窄缝A单元、窄缝B单元、窄缝C单元和窄缝D单元，所述输气干管一端封死，另一端与所述气源连接；所述窄缝A单元由两个气流方向相反的第一窄缝和第二窄缝以及控制所述窄缝A单元气流方向的气流方向控制活门A组成，所述第一窄缝与第二窄缝之间为层流直升A区；所述窄缝B单元由两个气流方向相反的第三窄缝和第四窄缝以及控制所述窄缝B单元气流方向的气流方向控制活门B组成，所述第三窄缝和第四窄缝之间为层流直升B区；所述窄缝A单元和窄缝B单元第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝在同一平面内且宽度相同，宽度为2-5mm，所述窄缝A单元和窄缝B单元分别位于待直升装置的顶部，并沿待直升装置的头尾方向喷气，所述第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝和第四窄缝沿水平面垂直于所述待直升装置的纵向轴线；所述窄缝C单元和窄缝D单元分别位于所述待直升装置的两侧，所述窄缝C单元上设置有第五窄缝，所述窄缝D单元上设置有第六窄缝，所述第五窄缝和第六窄缝分别向垂直于所述待直升装置的外侧喷气，所述第五窄缝和第六窄缝在同一平面内且宽度相同，宽度分别为2-5mm，所述第五窄缝和第六窄缝的长度方向与所述待直升装置的纵向轴线平行；所述第一窄缝、第二窄缝、第三窄缝、第四窄缝、第五窄缝和第六窄缝分别与所述输气干管连通。

2.根据权利要求1所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述窄缝A单元包括连接纵管A、连接横管A、第一纵管、第二纵管、第一横管和第二横管，所述连接纵管A与所述输气干管连接，所述连接横管A与所述连接纵管A连接，所述连接横管A的两端分别与所述第一纵管和第二纵管连接，所述第一纵管上端连接有所述第一横管，所述第一横管上设置有所述第一窄缝，所述第二纵管上端连接有所述第二横管，所述第二横管上设置有所述第二窄缝；所述气流方向控制活门A安装于所述连接横管A内，并通过第一传动机构与气流方向控制活门A步进电机连接。

3.根据权利要求2所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述连接纵管A内安装有强度控制活门A，所述强度控制活门A通过第二传动机构与强度控制活门A步进电机连接，通过所述强度控制活门A步进电机控制所述强度控制活门A的开度，从而控制窄缝A单元的喷气动力。

4.根据权利要求1所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述窄缝B单元包括连接纵管B、连接横管B、第三纵管、第四纵管、第三横管和第四横管，所述连接纵管B与所述输气干管连接，所述连接横管B与所述连接纵管B连接，所述连接横管B的两端分别与所述第三纵管和第四纵管连接，所述第三纵管上端连接有所述第三横管，所述第三横管上设置有所述第三窄缝，所述第四纵管上端连接有所述第四横管，所述第四横管上设置有所述第四窄缝，所述气流方向控制活门B安装于所述连接横管B内，并通过第三传动机构与气流方向控制活门B驱动电机连接。

5.根据权利要求4所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述连接纵管B内安装有强度控制活门B，所述强度控制活门B通过第四传动机构与强度控制活门B驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门B驱动步进电机控制所述强度控制活门B的开度，从而控制窄缝B单元的喷气动力。

6.根据权利要求3或4所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述窄缝C单元包括连接纵管C和连接横管C，所述连接横管C上设置有所述第五窄缝。

7.根据权利要求6所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述连接纵管C内安装有强度控制活门C，所述强度控制活门C通过第五传动机构与强度控制活门C驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门C驱动步进电机控制所述强度控制活门C的开度，从而控制窄缝C单元的喷气动力。

8.根据权利要求3或4所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述窄缝D单元包括连接纵管D和连接横管D，所述连接横管D上设置有所述第六窄缝。

9.根据权利要求8所述的利用膜级层流实现直升的装置，其特征在于，所述连接纵管D内安装有强度控制活门D，所述强度控制活门D通过第六传动机构与强度控制活门D驱动步进电机连接，通过所述强度控制活门D驱动步进电机控制所述强度控制活门D的开度，从而控制窄缝D单元的喷气动力。