CN103434637A - 一种利用马格纳斯效应的新型机翼 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用马格纳斯效应的新型机翼，包括柔性蒙皮、翼肋、梁、机翼前缘滚筒和驱动装置；驱动装置驱动机翼前缘滚筒转动；翼肋前端为圆弧凹陷结构，在圆弧凹陷面上安装有滚动轴承，机翼前缘滚筒处于翼肋前端圆弧凹陷结构内，与翼肋通过滚动轴承配合；在翼肋周向边缘还安装有若干滚动轴承，柔性蒙皮包裹由机翼前缘滚筒、翼肋和梁组成的机翼框架，机翼前缘滚筒能够带动柔性蒙皮绕机翼框架滑动。本发明克服了现有技术中利用圆筒形机翼产生马格纳斯升力时阻力大的不足，且相比于传统机翼，在低速飞行时，本发明只需调节电机转速，使得蒙皮的滑动速度增加，也可使机翼获得较大升力，增加载重，并实现短距起降，降低跑道要求。
Description
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体为一种利用马格纳斯效应的新型机翼。
背景技术
机翼的作用是产生升力，以平衡飞机在空中飞行时的自重。现有机翼的表面蒙皮是固定的，在机翼形状和迎角一定的情况下，机翼的升力完全由飞机的飞行速度决定，因此，在飞机起飞，着落和低速阶段其机翼升力有限，为了增加机翼升力，通常采用的办法是安装增升装置。目前常用的增升装置有气动力增升和动力增升。气动力增升指的是采用襟翼等装置来增加机翼弯度、面积和延迟气流分离，从根本上而言只是改变了机翼外形和面积，这类增升方式存在的不足是：增升效率通常较低，机构复杂，襟翼张开不仅会带来较大的阻力，也会带来较大的低头力矩，对飞机平尾的配平能力要求较高；而动力增升方式则是让发动机喷流或螺旋桨后的滑流流过机翼，利用偏转后缘襟翼的方法使高速气流向下偏折，从而增大机翼升力，其不足在于：增加的升力实质上是发动机或螺旋桨的推力进行转向而得到的，这个附加升力的大小不可调节，且效果通常不明显。
总之，现有机翼在外形和迎角一定的情况下升力通常由飞行速度决定，而传统的增升方式存在增升效率不高，机构复杂或者附加升力大小不可调等不足，使得实现飞机短距起降和低速巡航的难度较大。
经典的马格纳斯效应是指在粘性不可压缩流体中运动的旋转圆柱受到举力的一种现象。比如，足球在气流中运动时，若其上球面的旋转方向与气流同向，则会带动上球面附近的气流运动，使得上球面的流速增加，产生低压；反之，与气流速度方向相反的下球面则会产生高压，从而产生举力。
Jost Seifert于2012年发表了一篇关于马格纳斯效应的综述性文章，对马格纳斯效应原理和各种参数对气动力的影响进行了详细分析，该文的分析和结论为如何更好的利用马格纳斯效应提供参考，详情见Jost Seifert.A review of the Magnus effect inaeronautics.Progress in Aerospace Sciences55(2012)17-45。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有机翼的升力通常由飞行速度决定，从而克服飞机短距起降和低速巡航难度较大的不足，本发明提出了一种利用马格纳斯效应的新型机翼。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种利用马格纳斯效应的新型机翼，包括蒙皮、翼肋、梁，梁穿过各翼肋上的管梁孔以使得翼肋位置固定；其特征在于：还包括机翼前缘滚筒和驱动装置；所述蒙皮为柔性蒙皮；驱动装置驱动机翼前缘滚筒转动；翼肋前端为圆弧凹陷结构，在圆弧凹陷面上安装有滚动轴承，机翼前缘滚筒处于翼肋前端圆弧凹陷结构内，与翼肋通过滚动轴承配合；在翼肋周向边缘还安装有若干滚动轴承，柔性蒙皮包裹由机翼前缘滚筒、翼肋和梁组成的机翼框架，且柔性蒙皮与机翼前缘滚筒以及翼肋周向边缘的滚动轴承紧配合，机翼前缘滚筒能够带动柔性蒙皮绕机翼框架滑动。
有益效果
本发明的有益效果为：首先，采用圆筒形机翼产生马格纳斯升力的飞行器由于高速飞行时阻力较大，所以通常飞行速度较低，而本发明机翼仅在前缘附近采用圆弧形设计，结合了传统翼型的优点，克服了现有技术中利用圆筒形机翼产生马格纳斯升力时阻力大的不足，能够满足高速飞行等需要。与传统机翼相比，本方案即使在低速飞行时，只需调节电机转速，使得蒙皮的滑动速度增加，也可使机翼获得较大升力，增加载重，并实现短距起降，降低跑道要求；产生相同升力情况下，可使得机翼面积减小。另外，从结构设计角度考虑，本方案仅需机翼前缘滚筒转动则可带动蒙皮运动，改变电机转速即可快速调节升力大小，机构简单易于实现，可靠性高；而沿翼肋边缘安装的滚动轴承不仅使得蒙皮能够保持机翼形状，且在运动时与翼肋之间的摩擦力极小，可减少热量损失。
附图说明
图1：机翼的结构示意图；
图2：机翼内部结构示意图
图3：机翼剖面图
图4：安装滚动轴承的翼肋俯视图
图5：安装滚动轴承的翼肋沿弦向剖视图
图6：安装滚动轴承的翼肋正视图
图7：滚动轴承与翼肋安装剖面示意图
图8：机翼前缘滚筒结构示意图
图9：驱动装置部分结构示意图
图10：大齿轮结构正视图
图11：大齿轮剖面示意图
其中：1.电机；2.小齿轮；3.大齿轮；4、大齿轮凸筒；5、大齿轮通孔；6.滚筒紧钉螺钉；7.大齿轮凸筒螺钉孔；8.机翼前缘滚筒；9.滚筒轴；10.滚筒减轻孔；11.滚筒轴螺纹孔；13.翼肋；14.前梁安装孔；15.后梁安装孔；16.滚动轴承；17.轴承挡片；18.螺母；19.前梁；20.后梁；21.蒙皮；22.圆弧凹陷结构；23.螺栓
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例中的利用马格纳斯效应的新型机翼，包括蒙皮21、翼肋13、梁、机翼前缘滚筒8和驱动装置。
参照附图1、附图2和附图5，机翼采用的是矩形翼面，在机翼表面有沿机翼外形张紧的蒙皮21，蒙皮采用柔性材料。机翼弦长为22cm，展长为60cm，机翼内沿展向均布6个相互平行的翼肋13，并在翼肋上距前缘点8cm和18cm处分别有贯通的前梁安装孔14和后梁安装孔15，其孔径分别为1cm和0.8cm；前梁19和后梁20为空心碳纤维管，孔径与前梁安装孔14和后梁安装孔15相同，一端穿过各翼肋13的梁安装孔，并与翼肋13粘接固定，而靠近电机1的另一端则与外部机身等部件粘接，以实现机翼的定位。
参照附图3、附图4、附图5和附图6，翼肋13在靠近机翼前缘位置处开有圆弧凹陷结构22，并在距此圆弧凹陷结构22的2mm处分布安装了3个滚动轴承。滚动轴承一侧超出圆弧凹陷结构22，并与机翼前缘滚筒8的表面相切，使得机翼滚筒8在转动时既能与其弦向后部的翼肋13紧密配合，又能通过滚动摩擦来减小摩擦损失。在沿翼肋13的上下侧距离上下边缘2mm处各自均布4个滚动轴承，在后缘处也安装有一个滚动轴承。这些沿翼肋13周向边缘安装的滚动轴承不仅可以使得蒙皮运动时保持机翼外形，又可以使得摩擦损失极小，且能有效的将蒙皮所受的气动载荷传递到翼肋13上。
参照附图6和附图7，滚动轴承在每个翼肋13的两侧对称安装，其内径为2mm，外径为6mm。翼肋13在滚动轴承的每个安装处均开有直径为2mm的螺栓孔，且在这些螺栓孔表面粘接有中间开孔的碳纤维复合材料制成的轴承挡片17。以挡住滚动轴承的内圈而使其外圈可以自由转动。安装时，螺栓23穿过翼肋13一侧的滚动轴承和轴承挡片17，从另一侧的滚动轴承伸出，再用螺母18拧紧，则可使得滚动轴承得以限位且外圈能自由转动。
参照附图8，机翼前缘滚筒8直径为4cm，采用碳纤维复合材料制造，在距其中心轴线10mm圆周线上均布有6个贯穿的直径为6mm的滚筒减轻孔9。在机翼前缘滚筒8的一侧有轴向凸出的滚筒轴9，滚筒轴9的直径与大齿轮通孔5的孔径相同，长度为4cm，且在其轴向中部位置沿径向贯穿有一个与大齿轮凸筒螺钉孔7孔径相同的滚筒轴螺纹孔11。安装时通过滚筒紧钉螺钉6将滚筒轴9与大齿轮凸筒4钉紧，实现滚筒轴9的轴向定位且使其跟随大齿轮3一起转动。
参照附图1和附图9，电机1的最大转速为20000转/每分钟，固定在外部设备上以实现定位，其功率输出端与小齿轮2配合套紧。小齿轮2采用塑性材料制造，与同样采用塑性材料制造的大齿轮3形成齿轮啮合，构成齿轮减速组，减速比为6。
参照附图9、附图10和附图11，大齿轮3的外径为3cm，大齿轮3中心开贯穿有直径为1cm的的大齿轮通孔5，且沿轴向有一个凸出的大齿轮凸筒4。在大齿轮凸筒中部沿径向开有一个贯穿的直径为3mm的大齿轮凸筒螺钉孔7。
参照附图1、附图3和附图9，机翼利用马格纳斯效应的工作原理如下：机翼前飞时，电机1顺时针转动，经过减速齿轮组的减速后，驱动机翼前缘滚筒8进行逆时针转动，此时被张紧的蒙皮21在机翼前缘滚筒8的摩擦力带动下开始运动。根据马格纳斯效应原理：在上翼面，由于蒙皮21的运动方向与来流方向相同，使得上翼面附近的流速增加，产生压力更低的低压区；在下翼面，其运动方向与来流方向相反，产生压力更高的高压区，由此增大了机翼上下表面的压力差，使得升力增大，从而提高飞机的载重量；在提供相同升力的情况下，机翼面积可大幅度减小降低全机尺寸。通过调节电机1的转速，可使得蒙皮21的运动速度变化，从而使得上下翼面的压力差改变，调节升力大小。
Claims (1)
1.一种利用马格纳斯效应的新型机翼，包括蒙皮、翼肋、梁，梁穿过各翼肋上的管梁孔以使得翼肋位置固定；其特征在于：还包括机翼前缘滚筒和驱动装置；所述蒙皮为柔性蒙皮；驱动装置驱动机翼前缘滚筒转动；翼肋前端为圆弧凹陷结构，在圆弧凹陷面上安装有滚动轴承，机翼前缘滚筒处于翼肋前端圆弧凹陷结构内，与翼肋通过滚动轴承配合；在翼肋周向边缘还安装有若干滚动轴承，柔性蒙皮包裹由机翼前缘滚筒、翼肋和梁组成的机翼框架，且柔性蒙皮与机翼前缘滚筒以及翼肋周向边缘的滚动轴承紧配合，机翼前缘滚筒能够带动柔性蒙皮绕机翼框架滑动。
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