CN104276277A - 垂直升降有前翼的固定翼螺旋桨飞翼 - Google Patents

Abstract

一种能垂直升降和水平快速飞行的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，机头设置前翼，在机尾设置主翼，前翼和主翼的连接用直径较小的管道相连，飞翼的重心远离前翼的气动中心，并在前翼的气动中心之后，飞翼的重心靠近主翼的气动中心，并在主翼的气动中心之前。在机舱和驾驶舱在主翼里面而且可以转动，前翼和主翼上安装螺旋桨，螺旋桨的滑流能对称流过机翼，主翼上螺旋桨的后边安装阻力板，起落架与主翼连接，并安装轮子，有前翼的飞翼垂直放置。机翼的操纵面在垂直升降阶段、水平飞行阶段都能有效的操纵飞机的飞行姿态，可转动的驾驶舱和机舱使地板处于水平状态，实现乘坐舒适。因无需跑道起降，将广泛用于私人飞行等领域。

Description

垂直升降有前翼的固定翼螺旋桨飞翼

技术领域

本发明涉及一种能垂直升降和水平飞行的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，具有象直升机一样垂直升降、悬停、机体垂直地平移。也能象常规固定翼飞机快速水平飞行。

背景技术

目前公知的固定翼螺旋桨飞机，实现垂直升降和快速水平飞行的成功方法有倾转旋翼方式。其缺点是结构复杂，自重大，操作困难。在垂直升降阶段，机翼的操纵面是无效的。飞机的稳定依靠倾转旋翼控制，在垂直升降阶段一但失稳，机翼的操纵面无法帮助改出失稳状态。

发明内容

本发明的特点是充分利用机翼的操纵面，机翼的操纵面在垂直升降阶段、水平飞行阶段都能有效的操纵飞机的飞行姿态，有效实现稳定的垂直升降和水平快速飞行。驾驶舱和机舱采用可旋转结构，当飞翼由垂直旋转90度水平飞行，驾驶舱和机舱反向旋转90度，始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由于飞机有六个自由度，需要控制滚转、升降、方向。有效的控制滚转、升降、方向飞机就能稳定飞行。飞机的气动布局采用在机头设置前翼，在机尾设置主翼；前翼和主翼的连接用直径较小的管道相连，但不作为机舱，起前翼的杠杆作用，放大前翼对主翼的操纵力。机舱在主翼里。它的气动布局就是有前翼的飞翼。前翼的气动中心在飞机重心的前面，并远离重心；主翼的气动中心在重心的后面，并靠近重心。这样的布局使有前翼的飞翼水平飞行时是纵向静态稳定的，并有效降低垂直升降阶段时有前翼的飞翼的重心，是垂直升降阶段稳定可控和水平飞行稳定的关键。前翼上安装螺旋桨，主翼上左右安装螺旋桨，螺旋桨的滑流能对称流过机翼。主翼上螺旋桨的后边对称安装阻力板，通过阻力板张开和闭合对滑流产生阻力，辅助调节主翼上左右螺旋桨拉力的大小。

有前翼的飞翼采用垂直放置的结构，起落架与主翼连接。机头向上。翼弦是垂直方向，不是水平方向的。假设观察者的水平视线与翼面垂直。利用螺旋桨的拉力作垂直上升的升力，在垂直上升阶段，如果没有螺旋桨的滑流，特别是飞机没有离开地面时空气与翼面的相对速度为零，机翼的操纵面无效。但通过螺旋桨与机翼的配合，利用螺旋桨的滑流在前翼上的环流产生的力，前翼和主翼的连接用直径较小的管道起杠杆作用，放大控制有前翼的飞翼在观察者的水平视线的前后飞行姿态的能力，即俯仰控制（相当于水平飞行时的升降舵）。同样利用螺旋桨的滑流在主翼上的环流产生的力（使这个力左右反向），控制有前翼的飞翼绕垂直轴旋转（相当于水平飞行时的副翼控制滚转）。主翼左右的螺旋桨的拉力差控制有前翼的飞翼左右偏转，或通过控制主翼上螺旋桨后边对称安装的阻力板的张开和闭合调节主翼上左右螺旋桨的拉力，从而控制有前翼的飞翼的左右偏转（相当于水平飞行时的方向舵）。这样的结构使机翼操纵面在垂直升降阶段能仍然有效的控制有前翼的飞翼滚转、升降、方向。控制有前翼的飞翼稳定升降飞行姿态。当螺旋桨的拉力大于重力，有前翼的飞翼就垂直上升；当螺旋桨的拉力等于重力，有前翼的飞翼就悬停。

通过控制前翼操纵面就可实现有前翼的飞翼垂直地平移或由垂直上升转入水平飞行。驾驶舱和机舱采用可旋转结构，当有前翼的飞翼由垂直旋转90度水平飞行，驾驶舱和机舱反向旋转90度，始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。

有前翼的飞翼在水平飞行时因空气高速流过翼面，机翼的操纵面能有效的操纵有前翼的飞翼。前翼控制升降、主翼左右的副翼控制滚转、主翼左右的螺旋桨的拉力差控制方向（或主翼左右的螺旋桨后面的阻力板开合控制方向）。主翼的气动中心在重心的后面，所以水平飞行时有前翼的飞翼是纵向静稳定的。有前翼的飞翼能有效的水平飞行。

通过控制前翼操纵面就可实现有前翼的飞翼由水平飞行转入垂直飞行。驾驶舱和机舱采用可旋转结构，有前翼的飞翼由水平飞行旋转90度垂直飞行，驾驶舱和机舱反向旋转90度，始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。当螺旋桨的拉力小于重力，有前翼的飞翼就垂直下降。

本发明的有益效果是结构简单，无需倾转旋翼，也无需倾转机翼，有前翼的飞翼无需跑道垂直升降。在垂直升降阶段和水平飞行都能通过旋转驾驶舱和机舱，始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。在垂直升降阶段和水平飞行都能使用机翼的操纵面操纵飞翼的飞行姿态。利用前翼与主翼的连杆放大前翼操纵面的操纵能力。主翼左右的螺旋桨后面的阻力板开合控制方向（左右的螺旋桨等速时，由阻力板开合控制方向），取代垂直尾翼。通过前翼远离重心的布局，增大力矩，能有效控制垂直升降阶段的稳定。因使用多螺旋桨，可以使用直径较小的螺旋桨，水平飞行是固定翼飞机，比直升机飞得更快。

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一个3螺旋桨有前翼的飞翼的简单例子。

图2、图3、图4是本发明的一个使机翼操纵面在垂直升降阶段仍然能有效的操纵飞行姿态的螺旋桨与机翼结合的工作原理图。

图5、图6是本发明的一个使机翼操纵面在垂直升降阶段能仍然有效的操纵飞行姿态的螺旋桨与阻力板结合的工作原理图。

图7是本发明的一个垂直状态的旋转驾驶舱和机舱剖视图。

图8是本发明的一个水平状态的旋转驾驶舱和机舱剖视图。

图9是本发明的前翼有效控制角原理图。

图10是本发明的一个4螺旋桨有前翼的飞翼的简单例子。

图中1.螺旋桨 ，2.前机翼，3.前机翼襟翼，4.连接管，5.左右主机翼，6.左右主机翼襟翼，7.主机翼螺旋桨后可开合式阻力板，8.内置机舱和驾驶舱主机翼，9. 内置机舱和驾驶舱主机翼襟翼，10.起落架，11.可旋转机舱，12.可旋转机舱地板，13.可旋转驾驶舱，14.可旋转驾驶舱地板，15. 驾驶舱视窗， 16.简化有前翼的飞翼机体，17.飞机重心，18.前翼气动中心，19.水平地面，20.垂直线，XYZ是直角坐标系的三个轴，YZ是铅锤平面（对称面），XY是水平面，XZ是侧向平面。

在图1中，有前翼的飞翼垂直放置坐标原点，有前翼的飞翼的纵轴在Z轴。机翼的展向在XZ平面上，YZ是有前翼的飞翼对称面，机腹向Y轴正向。螺旋桨(1)产生拉力使有前翼的飞翼垂直上升，沿Z轴上升。前翼（2）与螺旋桨(1)产生的滑流攻角为零，前翼（2）不产生绕流力（参见图2，F是螺旋桨(1)产生的拉力，V是螺旋桨(1)产生的滑流速度）。主机翼（5）与螺旋桨(1)产生的滑流攻角为零，与前翼（2）同理不产生绕流力。主机翼螺旋桨后可开合式阻力板（7）处于闭合状态（参见图5）。

在当机体受干扰，偏离垂直线Z轴，偏向Y轴。如机头向Y轴正方向偏转，通过偏转前机翼襟翼（3）使前翼（2）与螺旋桨(1)的滑流攻角不为零，产生向Y负方向绕流力F1（参见图3，F是螺旋桨(1)产生的拉力，V是螺旋桨(1)产生的滑流速度，F1是V在前翼上产生的绕流力，方向是Y轴负向）。纠正机头向Y轴正方向的偏转。同理，如机头体向Y轴负方向偏转，通过偏转前机翼襟翼（3）使前翼（2）与螺旋桨(1)的滑流攻角不为零，产生向Y轴正方向绕流力F1（参见图4 ，F是螺旋桨(1)产生的拉力，V是螺旋桨(1)产生的滑流速度，F1是V在前翼上产生的绕流力，方向是Y轴正向）。纠正机头向Y轴负方向的偏转。通过前翼操纵面控制机体在ZY平面上的俯仰姿态。相当于水平飞行时的升降舵。

当机体受干扰，绕Z轴转动，如顺时针转动。通过偏转主机翼襟翼（6）使主机翼（5）与螺旋桨(1)产生的滑流攻角不为零； X轴正方向的主机翼的螺旋桨(1)的滑流产生Y轴正方向的绕流力（与前翼同理参见图4），同时X负方向的主机翼螺旋桨(1)的滑流产生Y负方向的绕流力（与前翼同理参见图3），使机体逆时针转动。纠正机体绕Z轴顺时针的转动。同理，如绕Z轴逆时针转动。通过偏转主机翼（5）上的襟翼（6）使主机翼（5）与螺旋桨(1)的滑流攻角不为零； X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的滑流产生Y轴负方向的绕流力（与前翼同理参见图3），同时X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的滑流产生Y轴正方向的绕流力（与前翼（2）同理参见图4），使机体顺时针转动。纠正机体绕Z轴逆时针的转动。通过主翼（5）上的操纵面控制机体绕Z轴转动的姿态。相当于水平飞行时的滚转控制。

当机体受干扰，偏离垂直线Z轴，偏向X轴。如机头向X正方向偏转，有两种方法纠正这个偏转：

一．加大X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的输出功率，或减少X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的输出功率，使X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的拉升力大于X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的升力，控制机头向X轴负方向偏转。

二．通过打开X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）后可开合式阻力板（7）使X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）受到的阻力增大（参见图6，张开的阻力板（7），开口方向与螺旋桨（1）滑流速度V相反，使主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效拉升力减小），X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨后可开合式阻力板（7）保持闭合（参见图5，闭合的阻力板（7），使主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效拉升力不被减小），使X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效拉升力小于X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效升力，控制机头向X轴负方向偏转。

同理，如机头向X轴负方向偏转，有两种方法纠正这个偏转：

一．加大X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的输出功率，或减少X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨(1)的输出功率，使X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的升力大于X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的升力，控制机头向X轴正方向偏转。  

二．通过打开X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）后可开合式阻力板（7）使X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）受到的阻力增大（参见图6，张开的阻力板（7），开口方向与螺旋桨（1）滑流速度V相反，使主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效拉升力减小），X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨后可开合式阻力板（7）保持闭合（参见图5，闭合的阻力板（7），使主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效拉升力不被减小），使X轴正方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效升力小于X轴负方向的主机翼（5）上的螺旋桨（1）的有效升力，控制机头向X轴正方向偏转。

通过调控主机翼（5）左右螺旋桨（1）的非对称性或主机翼（5）上的螺旋桨（1）后可开合式阻力板（7）的左右开合不同，控制机体在ZX平面上的姿态。相当于水平飞行时的方向舵。

控制了有前翼的飞翼的滚转、升降、方向。当全部螺旋桨（1）的拉力和大于重力，有前翼的飞翼就稳定上升；当全部螺旋桨（1）的拉力和等于重力，有前翼的飞翼就稳定悬停。

在垂直上升中，控制前翼（2）上的操纵面使机头向Y轴正向偏转并加速上升，主翼（5）、主翼（8）产生升力，使机头继续向Y轴正向偏转，直到机体与Y轴平行，实现水平飞行。驾驶舱和机舱反向旋转90度（参见图8,圆形驾驶舱的重心在自身水平直径的下方，使驾驶舱的重力帮助驾驶舱旋转，同样，圆形机舱的重心在自身水平直径的下方，使机舱的重力帮助机舱旋转，）,始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。

在水平飞行中，控制前翼（2）上的操纵面使机头向Z轴正向偏转并减速上升，

直到机体与Z轴平行，实现垂直慢速稳定上升，再减速，当螺旋桨的拉力小于重力，有前翼的飞翼就稳定下降。驾驶舱和机舱反向旋转90度（参见图7），始终保持驾驶舱地板和机舱地板处于水平状态，实现乘坐舒适。

有前翼的飞翼起落架安装有制动和转向的轮子，关闭前翼（2）螺旋桨（1），利用主机翼（5）上的螺旋桨（1）滑流在主机翼（5）上的绕流力，有前翼的飞翼象车一样在地面移动或转向。

有前翼的飞翼因重心在主机翼之前，所以在水平飞行时是静稳定的，与常规固定翼飞机的飞行原理一样，但在垂直升降飞行时是静不稳定的，因螺旋桨不能倾转，更易发生象直升机一样的动态翻转，特别是在垂直上升飞行刚要离开地面，但起落架没有离地而前向或后向漂移时，如果前翼操纵面失效，有前翼的飞翼会发生动态翻转，有前翼的飞翼会向前或向后翻倒在地面，导致有前翼的飞翼损坏。本发明正是利用前翼（2）通过连杆（4）连接主翼而远离重心。放大了前翼（2）上的操纵面的控制能力，有效防止有前翼的飞翼发生动态翻转。下面结合图9说明防止有前翼的飞翼动态翻转的原理。

在图9中，假设有前翼的飞翼没有绕Z轴转，也没有向X轴偏转，只向Y轴偏转，将有前翼的飞翼简化成棒。简化的有前翼的飞翼机体（16），有前翼的飞翼重心（17）离地面高为Zp，前翼气动中心（18）在机体纵轴上的投影，其离地面高为Z1，起落架没有完全离开水平地面（19），机体向Y轴偏转与垂直线（20）的夹角为a。全部螺旋桨（1）的拉力合力Fh，为方便说明将Fh的着力点等效在机头。前翼(2)产生的绕流力为F1，Fz是Fh在Z轴上的分力；Fy是Fh在Y轴上的分力。机体的重力是P，Pz是重力P在机体纵轴上的分力，P1是重力P在垂直于机体纵轴上的分力。于是有以下的关系式：

Fz=Fhcos（a）；  …………………………………………………………………(101)

P1=Psin（a）；  …………………………………………………………………(102)

为防止机体继续向Y轴偏转，必须加大F1并符合以下的力矩关系式：

F1Z1>P1Zp；      ………………………………………………………………(103)

由上式得：  

Z1/Zp>P1/F1；  ……………………………………………………………………(104)

将（102）代入（104）式得：

Z1/Zp> Psin（a）/F1;  ………………………………………………………(105)

设K=F1/Fh；K相当于前翼操纵面的效率得：

F1=KFh，代入（105）式得：

Z1/Zp> Psin（a）/KFh   ………………………………………………………(106)

当机体要离开地面时P=Fz代入上式得：

Z1/Zp> Fzsin（a）/KFh；………………………………………………………(107)

将（101）代入（107）式得： 

Z1/Zp> Fhcos（a）sin（a）/KFh；

Z1/Zp> cos（a）sin（a）/K；………………………………………………………(108)

sin（a）cos（a）< KZ1/Zp； …………………………………………………(109)

因Z1/Zp是常数，a随K变化，所以前翼操纵面的效率大少，决定了机体的偏离角a的大少。K与前翼螺旋桨的个数，前翼翼型、面积有关。机体偏离角度小于a，机体可由前翼操纵面控制稳定，机体偏离角度大于a，有前翼的飞翼会发生动态翻转。

同理，有前翼的飞翼向X轴偏转，纠正这个偏转的能力取决于左右主机翼螺旋桨的功率差，由改变左右主机翼螺旋桨的功率，或阻力板（7）的开合实现。不需要前翼操纵面的帮助。

图10中的一个4螺旋桨有前翼飞翼机的简单例子。前翼（2）是一对反向旋转的螺旋桨，主翼（5）也是一对反向旋转的螺旋桨，平衡了单螺旋桨的扭矩，比3螺旋桨有前翼飞翼机更易于控制机体的横滚。联接前翼（2）螺旋桨、主翼（5）螺旋桨即使有一台发动机坏了，有前翼的飞翼也能安全飞行。

Claims (8)

1.一种能垂直升降和水平快速飞行的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，机头设置前翼，在机尾设置主翼，前翼和主翼的连接用直径较小的管道相连，机舱和驾驶舱在主翼里，并可转动，前翼和主翼上安装螺旋桨，螺旋桨的滑流能对称流过机翼，主翼上螺旋桨的后边安装阻力板，对滑流产生阻力，起落架与主翼连接，起落架上安装有制动和转向的轮子，有前翼的固定翼螺旋桨飞翼垂直放置。

2.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，前翼和主翼的连接杆适当长，使前翼的气动中心在飞机重心的前面，并远离重心（其关系符合Z1/Zp> cos（a）sin（a）/K的要求），主翼的气动中心在重心的后面，并靠近重心。

3.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

前翼上安装螺旋桨，通过偏转前翼或前翼的襟翼，使前翼与螺旋桨的滑流的攻角有负攻角、零攻角、正攻角的变化，将前翼螺旋桨的拉力矢量化。

4.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

主翼上安装螺旋桨，通过偏转主翼的襟翼，使主翼与螺旋桨的滑流的攻角有负攻角、零攻角、正攻角的变化，将主翼螺旋桨的拉力矢量化。

5.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

主翼上的螺旋桨后面对称安装阻力板，通过阻力板张开和闭合辅助调节主翼上左右螺旋桨拉力的大小，阻力板张开的方向与螺旋桨滑流的方向相反，用最小的面积获得最大的阻力。

6.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

驾驶舱在主翼里，采用圆形驾驶舱，驾驶舱可以旋转，驾驶舱的重心在自身水平直径的下方，使驾驶舱的重力帮助驾驶舱旋转，始终保持驾驶舱地板处于水平状态。

7.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

机舱在主翼里，采用圆形机舱，机舱可以旋转，机舱的重心在自身水平直径的下方，使机舱的重力帮助机舱旋转，始终保持机舱地板处于水平状态。

8.根据权利要求1所述的有前翼的固定翼螺旋桨飞翼，其特征是，

起落架安装有制动的轮子，利用主机翼（5）上的螺旋桨（1）滑流在主机翼（5）上的绕流力，有前翼的飞翼在地面移动或转向。