CN105947198A - 一种三栖气垫旋翼飞行器构型 - Google Patents

Abstract

一种三栖气垫旋翼飞行器构型，包括：机身(1)、围裙(3)、螺旋桨(10)、旋翼(11)等；机身(1)安装在机身底部(2)前端，旋翼(11)通过旋翼支柱(12)支撑于机身(1)上，围裙(3)安装于机身底部(2)下表面，尾撑(4)分布于机身底部(2)两侧，尾翼(5)为倒“V”形，单侧翼面底端分别安装于尾撑(4)的后端，短舱支座(8)支撑于发动机短舱(7)与机身底部(2)之间，安装在机身底部(2)后端，螺旋桨(10)安装于发动机短舱(7)前部，水舵(14)通过舵杆连接于机身底部(2)的尾端。本发明解决了发动机起飞功率和巡航功率严重不匹配的问题，实现了飞行器水陆短距起降，同时兼具水、陆、空的三栖应用用途。

Description

一种三栖气垫旋翼飞行器构型

技术领域

本发明涉及一种旋翼飞行器构型。

背景技术

目前能够实现水上起降的飞行器主要有常规水上飞机和地效飞行器。水上飞机以国产“海鸥300”为例，该机为固定翼，机身为排水式船身形式，起飞重量1800kg，一台功率228kW发动机布置在机翼中部上方(巡航功率110kW)，水上起飞距离为479m，也可机场起降。地效飞行器以国产“TY-1”型地效飞行器为例，该机为小展弦比固定翼，机身为排水式船身形式，起飞重量4300kg，两台发动机布置在两侧机翼前端，总功率447.42kW(巡航功率204kW)，水上起飞距离大于400m，仅适合水上起降。

经进一步分析，上述两类飞行器存在的缺点和不足为：一是在起飞加速阶段平均吃水较深，需要克服较大的阻力峰，才能实现离水起飞，发动机需求功率较大；二是在离水起飞、进入巡航状态后，所需发动机功率相对起飞功率要减小很多，只接近离水起飞所用最大功率的一半，造成发动机功率浪费，功率匹配不合理；三是起飞滑跑距离长，无法短距起降；四是不具备适应性较强的水、陆、空三栖应用功能。

发明内容

本发明所解决的技术问题：为克服现有两栖飞行器技术的不足，本发明提供了一种三栖气垫旋翼飞行器构型，解决了常规水上飞机和地效飞行器起飞过程中阻力峰过大，导致发动机起飞功率和巡航功率严重不匹配的问题，同时实现了飞行器水陆短距起降，以及可以在水面垫升航行、空中巡航飞行、地面垫升行进等三栖功能。

本发明所采用的技术方案：一种三栖气垫旋翼飞行器构型，包括：机身、机身底部、围裙、尾撑、尾翼、方向舵、发动机短舱、短舱支座、垫升风门、螺旋桨、旋翼、旋翼支柱、支柱整流罩、水舵；机身底部包括两个短轴相等的半椭圆形平板，在短轴处平滑对接；机身安装在机身底部前端，为半个不规则的椭球形，机身的侧面为流线型，前端以弧形隆起，后端收于机身底部上表面，与机身底部上表面平滑过渡，机身底面轮廓线由两个在短轴处平滑过渡连接的半椭圆形成；旋翼通过旋翼支柱支撑于机身上，旋翼支柱由支柱整流罩罩起；围裙为囊指型，安装于机身底部下表面边缘；尾撑为杆状，分布于机身底部两侧，关于机身底部长轴对称；尾翼为倒“V”形，两个单侧翼面底端分别安装于两个尾撑的后端；方向舵分别设置在尾翼的两个单侧翼面的后缘；发动机安装在发动机短舱内，短舱支座支撑于发动机短舱与机身底部之间，安装在机身底部后端；作为围裙的充气入口的垫升风门位于短舱支座的前端；螺旋桨安装于发动机短舱前部；水舵通过舵杆连接于机身底部的尾端。

所述机身底部的长轴、短轴、高之比为17：11：1；所述机身底部前端的半椭圆轮廓线与机身前端的底面半椭圆轮廓线重合。

所述旋翼包括两片矩形桨叶，桨叶尖部为圆弧形，单侧桨叶的展弦比为17，两片桨叶通过圆形桨盘连接。

所述旋翼支柱向后倾斜，与垂直方向夹角5°。

所述尾翼的倒“V”形的夹角为100°，单侧翼面为矩形，展长与弦长比为3.6；所述方向舵的展弦比为4.5。

所述尾撑后部向上倾斜，与机身底部的下表面夹角为6°。

所述水舵包括舵面、舵杆；舵面为梯形板面，舵面绕与舵杆连接处的竖直转轴左右转动，绕与机身底部的固定端向上转动。

所述螺旋桨为三叶变距桨，桨距角变化范围为-15°～+20°。

所述围裙上部为“D”形气囊，下部为裙指，在充气情况下，内部形成长度和宽度比为1.55的气垫。

所述支柱整流罩横剖面为对称翼型形式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用气垫垫升技术，采用囊指型围裙，通过螺旋桨滑流对机身底部围裙充气，形成气垫，将飞行器垫起，吃水变浅，浸湿面积大幅减小，可大幅降低飞行器滑水起飞时的水阻力，减小发动机起飞功率需求，显著提升飞行器离水起飞性能。

(2)本发明融合全垫升气垫船和自转旋翼机两种技术，通过旋翼、螺旋桨、围裙、水舵的配合，形成了气垫和旋翼复合的构型，能够扩展飞行器在平坦陆地、沙滩、沼泽、冰面等环境下的使用，使其兼具水、陆、空的三栖应用用途，使得飞行器的环境适应性更强，能够实现飞行器短距起飞，提升水上离水起飞性能，使动力匹配更加合理。

(3)本发明采用自转旋翼技术，通过旋翼预转到较高转速并配合机身、尾翼、支柱整流罩等的流线型设计，提供较大升力，进而在起飞滑跑过程中能迅速配平飞行器重力，大大缩短起飞滑跑距离；同时，随着起飞需求功率的降低，实现了发动机在起飞与巡航状态下动力的合理匹配，巡航功率占最大功率的70％以上，避免了发动机的功率浪费。

附图说明

图1为本发明的三栖气垫旋翼飞行器构型侧视图；

图2为本发明的三栖气垫旋翼飞行器构型俯视图；

图3为本发明的三栖气垫旋翼飞行器构型前视图。

具体实施方式

本发明提供了一种三栖气垫旋翼飞行器构型，如图1、图2、图3所示，包括：机身1、机身底部2、围裙3、尾撑4、尾翼5、方向舵6、发动机短舱7、短舱支座8、垫升风门9、螺旋桨10、旋翼11、旋翼支柱12、支柱整流罩13、水舵14。

如图1所示，机身1根据舱容需要，近似半个椭球形，前部以弧形隆起，后部逐渐相切收于机身底部2上表面；如图2所示，机身1俯视图前部为长短轴比为1.75的半椭圆形，后部为长短轴比为1.3的半椭圆形；机身1主要用于容纳人员、物资、设备等，固定旋翼支柱12和支柱整流罩13，以及布设发动机至旋翼11的传动机构；

如图2所示，机身底部2配合机身1设计，由相距一定高度的上下两个平面及内部结构组成，机身底部2外轮廓长、宽、高之比为17：11：1，俯视轮廓为前面一个半椭圆与后面一个半椭圆于短轴处结合而成，前一个半椭圆长短轴比为1.75，后一个半椭圆长短轴比为1.35，机身底部2四周封闭，可提供水面静浮力，承受结构载荷，同时用于布设机身1、短舱支座8、由发动机至旋翼11的过渡段传动机构、通往船底的气道；短舱支座8位于飞行器尾部，机身底部2的对称轴上。

如图1和图3所示，围裙3采用囊指型，上部为“D”形气囊，下部为裙指，安装于机身底部2下表面四周边缘，可形成长度和宽度比为1.55的垫升气垫，有利于提高滑水时的耐波性，增加航行稳性，同时利于登陆和陆地行进；在飞行器飞行时，围裙3可收纳于机身底部2，以减小飞行时的气动阻力，降落时再将围裙3放出；

如图1和图2所示，尾撑4为变横截面支杆形式，用于固定支撑尾翼5，对称分布于机身底座2的两侧，左右各一个，沿纵向布设在机身底部2两端最外侧，并向后上方斜升6°角度，以避免飞行器起飞离水时尾撑4擦水；

如图2和图3所示，尾翼5为倒“V”形，两侧底端分别安装于左右尾撑4的后上部，单侧翼面为矩形，展长与弦长比为3.6，倒“V”形的夹角为100°；

如图2和图3所示，方向舵6的舵面为矩形，展弦比为4.5，位置靠近尾翼5后缘，左右各设一个；

如图1所示，发动机短舱7用于容纳发动机，依发动机尺寸设计成边角倒圆的长方形；

如图1和图3所示，短舱支座8支撑于发动机短舱7与机身底部2之间，俯视剖面为椭圆形，且自上而下截面尺寸略有增加，即采用变截面形式；

如图1和图3所示，垫升风门9位于短舱支座8的前下部，由左右两片风门挡板组成，可从中间向两侧开启或从两侧向中间关闭，该垫升风门9是通过螺旋桨10滑流向飞行器底部提供垫升空气的入口；

如图1和图3所示，螺旋桨10为三叶变距桨，安装于发动机短舱7前部，桨距角变化较大且可正可负，桨距角范围为-15°～+20°，既能产生推力(桨距角为正时)，也能产生拉力(桨距角为负时)，以实现前后机动或用于刹车制动；

如图1和图2所示，旋翼11为两叶矩形桨叶，两片桨叶通过圆形桨盘连接，梢部圆滑修形，展弦比为17，旋翼11可以俯仰方向倾转2°(前倾)～20°(后倾)，滚转方向倾转-14°(左倾)～6°(右倾)，桨盘水平时倾转角度为0°；前、后及左、右倾斜角度不同，是根据旋翼11桨叶受力确定的，特别是左右配平，由于受到前行桨叶和后行桨叶左右不对称力的影响，故引起旋翼11左右倾斜角度范围不同；

如图1和图3所示，旋翼11通过旋翼支柱12支撑于机身1上，旋翼支柱12预置5°的后倒角，以利于飞行时旋翼11与机身1之间形成合理的配平角度；旋翼支柱12由支柱整流罩13罩起，支柱整流罩13横剖面采用拉厚的对称翼型形式，以减小气动阻力；

如图1和图3所示，水舵14舵面为梯形板面，通过圆柱形舵杆连接于机身底部2的尾端，用于维持或改变飞行器航行时的航向角，以及克服飞行器水面起飞前旋翼预转产生的反扭力矩；水舵14的舵面可绕其与舵杆连接处的竖直转轴左右转动，转动范围为-90°～+90°；在飞行器离开水面时，水舵14可以绕其与机身底部2的固定端，向上转动130°提出水面，靠近发动机短舱7后部。

本发明的原理：本发明采用全垫升气垫船的围裙形式，在螺旋桨滑流导入并作用下，围裙可以充气垫起。采用自转旋翼机的旋翼，其预转通过传动装置和离合获取发动机的部分功率来实现。在水面航行时，围裙充气垫起，水舵放入水中(在陆上垫升行进时不用水舵)，在螺旋桨旋转产生的推力作用下，实现飞行器在水面的垫升航行及机动；在水上起飞时，围裙充气垫起，水舵放入水中(在陆上起飞时不用水舵)，旋翼预旋到一定转速后，将传动装置和离合与发动机断开，提起水舵，在螺旋桨推力作用下，飞行器在水面不断加速，同时旋翼在空气来流作用下继续加速，当加速到起飞要求的转速时，将旋翼向后倾斜，增大旋翼升力并足以使飞行器离开水面，从而实现飞行器起飞；在空中飞行时，将围裙收入机身底部，减小气动阻力，利于旋翼俯仰倾转控制俯仰姿态，利用旋翼左右倾转及配合使用方向舵控制航向和转弯，通过控制发动机油门、螺旋桨转速及桨距并配合旋翼纵倾，来控制飞行速度和高度；在降落时，围裙从机身底部放出并充气，发动机转速下降，旋翼后倾增大升力和阻力，以弥补飞行器在降落过程中因速度减小而引起的升力减小，保持飞行器姿态平稳下滑，在触水(地)后飞行器短距滑行一段即完成降落。

Claims (10)

1.一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于，包括：机身(1)、机身底部(2)、围裙(3)、尾撑(4)、尾翼(5)、方向舵(6)、发动机短舱(7)、短舱支座(8)、垫升风门(9)、螺旋桨(10)、旋翼(11)、旋翼支柱(12)、支柱整流罩(13)、水舵(14)；机身底部(2)包括两个短轴相等的半椭圆形平板，在短轴处平滑对接；机身(1)安装在机身底部(2)前端，为半个不规则的椭球形，机身(1)的侧面为流线型，前端以弧形隆起，后端收于机身底部(2)上表面，与机身底部(1)上表面平滑过渡，机身(1)底面轮廓线由两个在短轴处平滑过渡连接的半椭圆形成；旋翼(11)通过旋翼支柱(12)支撑于机身(1)上，旋翼支柱(12)由支柱整流罩(13)罩起；围裙(3)为囊指型，安装于机身底部(2)下表面边缘；尾撑(4)为杆状，分布于机身底部(2)两侧，关于机身底部(2)长轴对称；尾翼(5)为倒“V”形，两个单侧翼面底端分别安装于两个尾撑(4)的后端；方向舵(6)分别设置在尾翼(5)的两个单侧翼面的后缘；发动机安装在发动机短舱(7)内，短舱支座(8)支撑于发动机短舱(7)与机身底部(2)之间，安装在机身底部(2)后端；作为围裙(3)的充气入口的垫升风门(9)位于短舱支座(8)的前端；螺旋桨(10)安装于发动机短舱(7)前部；水舵(14)通过舵杆连接于机身底部(2)的尾端。

2.根据权利要求1所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述机身底部(2)的长轴、短轴、高之比为17：11：1；所述机身底部(2)前端的半椭圆轮廓线与机身(1)前端的底面半椭圆轮廓线重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述旋翼(11)包括两片矩形桨叶，桨叶尖部为圆弧形，单侧桨叶的展弦比为17，两片桨叶通过圆形桨盘连接。

4.根据权利要求3所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述旋翼支柱(12)向后倾斜，与垂直方向夹角5°。

5.根据权利要求4所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述尾翼(5)的倒“V”形的夹角为100°，单侧翼面为矩形，展长与弦长比为3.6；所述方向舵(6)的展弦比为4.5。

6.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述尾撑(4)后部向上倾斜，与机身底部(2)的下表面夹角为6°。

7.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述水舵(14)包括舵面、舵杆；舵面为梯形板面，舵面绕与舵杆连接处的竖直转轴左右转动，绕与机身底部(2)的固定端向上转动。

8.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述螺旋桨(10)为三叶变距桨，桨距角变化范围为-15°～+20°。

9.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述围裙(3)上部为“D”形气囊，下部为裙指，在充气情况下，内部形成长度和宽度比为1.55的气垫。

10.根据权利要求1或2所述的一种三栖气垫旋翼飞行器构型，其特征在于：所述支柱整流罩(13)横剖面为对称翼型形式。