CN105882942B - 一种高效低速飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效低速飞行器及其工作方法，飞行器带有风扇机翼和推进装置，机翼前缘嵌入横流风扇、后缘开缝（地效飞行时关闭）、弦长大（展弦比小），能够实现低速范围(5km/h～700km/h)内的极低速和稍大速度的前飞，具有功率效率高、安全性好和稳定性好的优点，功率载荷可超过15kg/kW。而且，由于机翼上下产生很大压差，利用其下洗诱导速度，非常适合作为地效飞行器使用。

Description

一种高效低速飞行器
技术领域
本发明涉及低速飞行器领域，具体是一种高效低速飞行器及其工作方法。
背景技术
现有世界范围内的低速飞行器有旋翼类和风扇翼类两种，直升机是典型的旋翼类低速飞行器，但其功率载荷低，基本为2～6kg/kW，而且操控耦合大，安全性及稳定性较不好；常规飞机依靠速度才能产生升力，基本上都不能极低速飞行（如不能小于30km/h飞行）。现有的风扇翼飞行器，使用风扇机翼气动力分量作为前飞推力，存在飞行速度提不高，低速飞行稳定性不好等问题。典型的风扇翼飞行器布局图见美国专利US 6,527,229 B1Fig.1.，US20120111994A1。在现有设计的风扇翼飞行器中都是以风扇机翼为推进装置的，受横流风扇叶片旋转速度限制，风扇机翼自身产生的推力作为动力所能达到的飞行速度范围较低，且在这一飞行速度范围低速段稳定性很不好，起降安全性低。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种高效低速飞行器及其工作方法，飞行器带有风扇机翼和推进装置，前缘嵌入横流风扇、后缘开缝（地效飞行时关闭）、弦长大（展弦比小），能够实现低速范围内极低速和稍大速度的前飞，具有功率效率高、安全性好和稳定性好的优点，功率载荷可超过15kg/kW。而且，由于机翼上下产生很大压差，利用其下洗诱导速度，非常适合作为地效飞行器使用。
本发明包括机身以及连接在机身上的机翼和尾翼，所述的机翼包括内侧机翼和外侧机翼，其中内侧机翼上前缘内嵌有横流风扇，风扇的旋转产生飞行器较低速飞行时所需的主要升力和推力，外侧机翼提供部分升力；所述的尾翼包括平尾（含水平安定面和水平舵面）和垂尾（垂尾上安装有方向舵），其中平尾前端安装有推进装置（螺旋桨或其他能够产生推力或拉力的装置），推进装置产生的气动力为飞行器飞行时提供克服外部空气阻力的主要推力。
进一步改进，所述的内侧机翼的后缘处布置有后缘开缝，后缘开缝在飞行器作地效飞行时关闭，加大地面效应提高升力。后缘开缝在飞行器无地效飞行时通过机翼表面的附面层控制来减缓后缘的气流分离，提高飞行器的升力。
进一步改进，所述的机翼下部，在内侧机翼和外侧机翼之间布置有挡板，在飞行器作地效飞行时可以加大地面效应提高升力。
机身内部的动力装置为全机的横流风扇和推进装置提供动力，横流风扇旋转让机翼产生升力和推力。
较低速情况下，主要由风扇机翼为飞行器提供前进推力和升力；当飞行器飞行速度逐步提高后，风扇机翼的气动合力在飞行方向的分量逐渐变小，甚至变为阻碍飞行器前飞的阻力，这时飞行器前飞动力来自于推进装置产生的力。
本发明还提供了一种高效低速飞行器的工作方法，包括以下步骤：
1）滑跑起飞时，后缘开缝处于封闭状态，内侧机翼上横流风扇在动力装置驱动下旋转，机翼产生前进推力及升力，飞行器开始加速向前滑跑，在滑跑速度增加的同时机翼的升力不断增加而推力在下降，同时由于贴近地面而产生地面效应，当滑跑速度约5km/h～30km/h时升力便可以大于等于重力，飞行器离开地面开始离地飞行。
2）低速飞行时，后缘开缝一直处于封闭状态，在地效作用下，飞行器在动力装置提供小功率或小能量情况下，飞行速度5km/h～30km/h时升力便可以大于等于重力（看飞行时载重情况，如果起飞重量大，飞行速度就要大一点），如果升力大于重力，飞行器则会提升高度，但一旦高度增加，则地面效应会减弱，升力就下降，高度会降低，则形成高度稳定性。此时飞行器处于高效，功率载荷可超过15kg/kW。
3）增加内侧机翼上横流风扇的转速，机翼产生的前进推力及升力增加，飞行器会加速前飞，高度也会随之增加，高度增加后地面效应逐渐消失，打开盖板，后缘开缝处于开缝状态，通过控制内侧机翼表面的附面层来减缓后缘的气流分离改善内侧机翼上下表面流场，升力得到增加，获得高效。但仅靠横流风扇的转速调节速度是有限的，一般前飞速度约在350km/h左右，就需要启动推进装置来提供前飞推力或拉力了。
4）当速度大于300km/h时,动力装置开始通过离合器接通推进装置，该装置正常工作，产生推力或拉力，以克服飞行器以稍大速度前飞产生的全机阻力（此时横流风扇机翼基本上产生不了推力，甚至是阻力，但仍可以产生较大升力），随着前飞速度增加，全机阻力越来越大，需要推进装置产生越来越大推力或拉力。
受螺旋桨激波限制和机翼废阻大约束，飞行器速度最高达到700km/h左右，再增加飞行速度，能量利用效率大幅降低。
本发明有益效果在于：
1、能够实现低速范围内极低速和大速度的前飞（本发明指的低速飞行速度范围为5km/h～700 km/h），具有功率效率高、安全性高和稳定性好的优点，功率载荷可超过15kg/kW。
2、由于机翼上下产生很大压差，利用其下洗诱导速度，非常适合作为地效飞行器使用。
3、飞行器操纵既可以依赖尾翼和机翼后缘舵面，也可以混合螺旋桨和横流风扇气动力变化进行。
4、平尾安装在推进装置的正后方，可利用尾流提高低速时的俯仰操纵功效。
附图说明
图1为本发明前侧视图；
图2为本发明后侧视图；
图3为本发明俯视图；
图4为本发明正视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的各侧视图分别如图1、图2、图3和图4所示，包括机身1以及连接在机身1上的机翼和尾翼。所述飞行器上有控制面可以操纵飞行器的飞行姿态，也利用风扇侧机翼本身提供操纵。所述侧机翼可以作为操纵面，也可以作为升力面和推力面。
所述的机翼包括内侧机翼6和外侧机翼8，其中内侧机翼6上前缘内嵌有横流风扇3，风扇3的旋转产生飞行器较低速飞行时所需的主要升力和推力，外侧机翼8提供部分升力。
所述的尾翼包括平尾4（含水平安定面9和水平舵面10）和垂尾5（垂尾上安装有方向舵），其中平尾4前端安装有推进装置（螺旋桨或其他能够产生推力或拉力的装置），推进装置2产生的气动力为飞行器稍大速度飞行时提供克服外部空气阻力的主要推力。平尾安装在推进装置的正后方，可利用推进装置的尾流提高低速时的俯仰操纵功效。
所述的内侧机翼6的后缘处布置有后缘开缝7，后缘开缝也可以是前后两段及以上段翼型组合，这些开缝段可以设置成同平面并齐前后紧邻的型式，也可以设置成不同平面错开高度上下分离的型式。
后缘开缝7在飞行器作地效飞行时关闭，加大地面效应提高升力。后缘开缝7在飞行器无地效飞行时通过机翼表面的附面层控制来减缓后缘的气流分离，提高飞行器的升力。
机身内部的动力装置为全机的横流风扇和推进装置提供动力，横流风扇旋转让机翼产生升力和推力。
较低速情况下，主要由风扇机翼为飞行器提供前进推力和升力；当飞行器飞行速度逐步提高后，风扇机翼的气动合力在飞行方向的分量逐渐变小，甚至变为阻碍飞行器前飞的阻力，这时飞行器前飞动力来自于推进装置产生的力。
外侧机翼8设计成上反，增加横向稳定性，也可设计成舵面，作为操纵面进行滚转操纵。
本发明还提供了一种高效低速飞行器的工作方法，包括以下步骤：
1）滑跑起飞时，后缘开缝7处于封闭状态，内侧机翼6上横流风扇3在动力装置驱动下旋转，机翼产生前进推力及升力，飞行器开始加速向前滑跑，在滑跑速度增加的同时机翼的升力不断增加而推力在下降，同时由于贴近地面而产生地面效应，当滑跑速度约5km/h～30km/h时升力便可以大于等于重力，飞行器离开地面开始离地飞行。
2）低速飞行时，后缘开缝7一直处于封闭状态，在地效作用下，飞行器在动力装置提供小功率或小能量情况下，飞行速度5km/h～30km/h时升力便可以大于等于重力（看飞行时载重情况，如果起飞重量大，飞行速度就要大一点），如果升力大于重力，飞行器则会提升高度，但一旦高度增加，则地面效应会减弱，升力就下降，高度会降低，则形成高度稳定性。此时飞行器处于高效，功率载荷可超过15kg/kW。
3）增加内侧机翼6上横流风扇3的转速，机翼产生的前进推力及升力增加，飞行器会加速前飞，高度也会随之增加，高度增加后地面效应逐渐消失，打开盖板，后缘开缝7处于开缝状态，通过控制内侧机翼表面的附面层来减缓后缘的气流分离改善内侧机翼上下表面流场，升力得到增加，获得高效。但仅靠横流风扇3的转速调节速度是有限的，一般前飞速度约在350km/h左右，就需要启动推进装置2来提供前飞推力或拉力了。
4）当速度大于300km/h时,动力装置开始通过离合器接通推进装置2，该装置正常工作，产生推力或拉力，以克服飞行器以稍大速度前飞产生的全机阻力（此时横流风扇机翼基本上产生不了推力，甚至是阻力，但仍可以产生较大升力），随着前飞速度增加，全机阻力越来越大，需要推进装置2产生越来越大推力或拉力。
受螺旋桨激波限制和机翼废阻大约束，飞行器速度最高达到700km/h左右，再增加飞行速度，能量利用效率大幅降低。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效低速飞行器，包括机身（1）以及连接在机身（1）上的机翼和尾翼，其特征在于：所述的机翼包括内侧机翼（6）和外侧机翼（8），其中内侧机翼（6）上前缘内嵌有横流风扇（3），风扇（3）的旋转产生飞行器较低速飞行时所需的主要升力和推力，外侧机翼（8）提供部分升力；所述的尾翼包括平尾（4）和垂尾（5），其中平尾（4）前端安装有推进装置，推进装置（2）产生的气动力为飞行器较大速度飞行时提供克服外部空气阻力的主要推力。
2.根据权利要求1所述的高效低速飞行器，其特征在于：所述的内侧机翼（6）的后缘处布置有后缘开缝（7），后缘开缝（7）在飞行器作地效飞行时关闭，后缘开缝（7）在飞行器无地效飞行时通过机翼表面的附面层控制来减缓后缘的气流分离。
3.根据权利要求1或2所述的高效低速飞行器，其特征在于：所述的平尾（4）包括水平安定面（9）和水平舵面（10）。
4.根据权利要求1或2所述的高效低速飞行器，其特征在于：所述的垂尾（5）上安装有方向舵。
5.根据权利要求1或2所述的高效低速飞行器，其特征在于：所述的推进装置（2）包括螺旋桨、喷气或火箭。
6.根据权利要求1或2所述的高效低速飞行器，其特征在于：所述的机翼下部，在内侧机翼（6）和外侧机翼（8）之间布置有小面积挡板（11），飞行器作地效飞行时该装置可以增加升力，减少气动损失。
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