CN1092123C - 整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统 - Google Patents

整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行的系统，该系统除了飞机已有的推进系统外，还具有在垂直起落时使用的带动旋翼叶片(1)的液压推进系统；上述液压系统是以飞机发动机作为动力的，还具有至少一个辅助发动机(2)，它装在飞机的后部和/或下部，在相应的垂直位置和水平位置的两个极限位置之间逐步倾斜和摆动；上述飞机的推进装置在垂直起落和转向时不起动，在自持水平飞行时起动；上述至少一个辅助发动机在垂直起落和转向时工作，在自持水平飞行时不起动。

Description

整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统
本发明关于将水平起飞和自持水平飞行的飞机转变成整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统。
本发明尤其关于一种上述类型的系统，它可将现有传统的飞机通过简单的转变操作而转变成垂直起落和水平飞行的飞机。
正如人们已知道的，就实用的观点来讲，被称作为VTOL(垂直起落)的垂直起落飞机，如果不考虑成本增大的问题，其主要优点是它用作运输、环保和民用保护服务方面，可在任何地方运载任何人和任何东西。
与其它飞行器和运输系统相比，特别是直升飞机，上述优点被现有的VTOL技术的高操作成本抵销了。
成本增大是由于在水平飞行期间，为支撑直升飞机，在具有传统飞机安装的固定翼的气动支持推进器的情况下，必须要有非常多的能量。
另一方面，该缺点会部分由于从城里到机场的运输成本和时间而减小，因为它能直接起降，直升飞机的机场与传统机场相比，仅占很小的空间，它可省时间，并能简化装载程序。
本发明的主要目的是提供以涡轮推进器或喷气发动机作动力的水平飞行VTOL飞机的组合能力(下面这些混合特征以VTOL-HF即垂直起落、水平飞行表示)。
本专业技术人员已经知道，在国际飞机工业中已研制出具有互换的整体的VTOL-HF特征的两种模式的飞机，即Harrier和V-22 Osprey。
Harriers是英国的英国航空和麦道的合资企业制造的军用喷气飞机。
而V-22 Osprey是军用涡轮推进器飞机，它具有可倾斜的旋翼-发动机组，是美国Bell Textron和Boeing公司制造的。已经预见到它可用于民用。
就Harriers来说，VTOL能力是通过起飞和降落期间使主发动机的推力向下转而得到的。
而V-22 Osprey的VTOL-HF是基于直接使用在直升飞机(VTOL)模式上的同样的主发动机和相关的推进机构，涡轮推进器从上朝下转动(倾斜)装在机翼端部上的主发动机。
V-22的推进机构的设计是基于大的推进器和旋翼叶片之间的折衷方案，它们必须象涡轮推进器(HF)那样，又象直升飞机(VTOL)那样工作。
关于已描述的飞机的两种技术方案，尤其是用作VTOL-HF的技术方案，在它们水平飞行时使用以垂直起落必须的最大推力为基础制造的同样的主发动机，这些均加在操作成本上。
US-A-5224167描述了一种飞机的升力增大系统，US-A-3823898描述了一种液压控制的流体流驱动的飞机，权利要求1的前序部分就是以上述文件为基础的。
有鉴于此，本申请人已研制出一个技术方案，它改进了现有飞机的VTOL-HF技术。
本发明建议的技术方案提供了在任何飞行阶段，主发动机都不朝上和朝下倾斜，保持标准的水平状态(HF)，使用水平飞行中已装有的标准推进器或喷气发动机；产生VTOL起飞拉力的附加能力是由液压泵/作动器操作的标准旋翼VTOL发动机拉力传输和装在后部和/或机身上的小型可倾斜的反应发动机来获得的，在水平飞行期间，它们不起动(不使用)。上述小型反应发动机还可包括具有或没有液压系统操作的管道涡轮风扇式推进器。
本发明建议的技术方案提供了在任何飞行步骤上主发动机都不朝上和朝下倾斜，保持标准的水平状态(HF)，使用水平飞行中已装有的标准推进器或喷气发动机；产生VTOL起飞拉力的附加能力是由将同样标准发动机的推力传到由液压泵/作动器操作的VTOL旋翼、以及装在后部和机身下部的小型可倾斜的反应器获得的。在水平飞行期间，它们不起动(不使用)。上述小型反应器还可包括用液压或不是液压系统作动力的管道涡轮风扇推进器。
本发明的一个目的是提供一种低成本、垂直起落和自持水平飞行的整体系统(VTOL-HF)。
本发明的另一个目的是提供一种系统，它通过引入少量的结构上的修改来很容易地将现有飞行器(新的或已使用过的飞机和直升飞机)转变成VTOL-HF飞机。
本发明还有一个目的是提供一种系统，它能改进在“一个发动机输出”状态下转变飞行阶段的安全性。
本发明的进一步的目的是实现上述系统，使该系统具有高的可靠性并在气动和加载方面具有优越性。
本发明还有一个目的是提供一个系统，该系统可用于喷气发动机的飞机、直升飞机和联运的运输工具(如船和车辆)上。
因此，本发明的一个特殊的目的是提供一种将传统的、自持水平起落的飞机转变成混合式整体自持的垂直起落、水平飞行的飞机的系统，该系统除了飞机上已有的推进系统外，还包括：一个液压推进系统，该系统在垂直起落和转向阶段用于带动至少一个旋翼，上述液压系统是由飞机发动机作动力的；至少一个辅助发动机，它装在飞机的后部和/或下部，上述至少一个辅助发动机在对应于垂直位置和水平位置的两个极限位置之间逐步地倾斜和摆动；上述飞机的标准的发动机在垂直起落和转向时不起动，在自持水平飞行时起动；上述至少一个旋翼和上述至少一个辅助发动机在垂直起落和转向时工作，在自持水平飞行时不起动。
按照本发明，为了保证飞行的垂直起落，按照飞机的尺寸，特别提供了一个或多个叶片式旋翼，它是由主发动机作动力的液压推进系统操作的，上述旋翼装在飞机机身的前、中或后部，或装在机翼上以确保飞机的垂直起落。
按照本发明，上述至少一个辅助发动机包括至少一个喷气发动机、或至少一个火箭、或至少一个液压的或不带动力的管道涡轮风扇式推进器。
按照本发明，提供至少一个或多个可倾斜的辅助发动机，它们主要装在飞机的后部或底部，在垂直起落期间使用它们。
还按照本发明，垂直旋翼在水平飞行期间不起动时固定在它们的位置上，使它们能在气动结构内或机翼内呈适当的流线形。
还按照本发明，上述旋翼在不使用时可折迭起来并罩在一飞机机身上的罩内。
按照本发明，上述系统还能用于将直升飞机转变成VTOL-HF整体的飞机、将船只转变成VTOL水上-空中运输工具或将汽车转变成VTOL地面-空中运输工具。
现将参照附图、按照本发明的优选实施例，以非限制性的目的来描述本发明，其中：
图1a、1b和1c分别表示具有本发明系统的飞机在垂直起落阶段的第一个实施例的横向、顶部和前部的视图，
图2a、2b和2c分别表示具有图1的本发明系统的飞机在水平飞行阶段的横向、顶部和前部的视图，
图3a、3b和3c分别表示具有本发明系统的飞机在垂直起落阶段的第二个实施例的横向、顶部和前部的视图，
图4a、4b和4c分别表示具有图3的本发明系统的飞机在水平飞行阶段的横向、顶部和前部的视图，
图5a、5b和5c分别表示具有本发明系统的飞机在垂直起落阶段的第三个实施例的横向、顶部和前部的视图，
图6a、6b和6c分别表示具有图5的本发明系统的飞机在水平飞行阶段的横向、顶部和前部的视图，
图7概略表示本发明的飞机的起飞、飞行和降落的不同阶段。
在下面的说明中，将同时参照所有附图，每次均讲清三个图示实施例的差别。
正如已提到的，本发明的系统允许对现有飞机作出修改。本发明的系统的基本部分是垂直起落的能力(VTOL)，这是由液压发动(未示出)作动力的VTOL旋翼1的整体垂直拉力、以及辅助发动机、喷气发动机2或火箭、或具有或不具有液压动力的管道涡轮风扇推进器的整体推力来获得的。
最好提供一个或多个旋翼1，它由具有合适尺寸的轻型而有效的液压发动机作动力，该发动机由连到主发动机推力源上的液压系统起动。
在起飞和降落阶段，主发动机3的轴暂时与标准的推进器脱开，由离合器或其它合适的机构与液压压缩机(未示出)连接。
这样，100％的主发动机的推力由液压系统传递，从而操作起飞和降落时的液压发动机或发动机和相关的旋翼。
然后，在起飞阶段结束后(参见图7)，从液压系统导出的所有推力(或少量的推力)传到推进器3，以作朝前的水平飞行(HF)。
液压发动机和相关的旋翼1在小型飞机的情况下通常装在机身的上部，如果需要两个或多个旋翼1，它们可放在任何合适的位置，如机翼的端部5、机身的上部或尾部6。
从图1、2、3和4、5、6所示的不同的实施例可以看出，旋翼1可以是：
—固定的(图1和2)：在水平飞行(HF)阶段，旋翼1被气动地罩住并锁闩住。如果采用均衡的叶片，它们可被罩住，而且朝向均衡的方向锁定。
—可折迭的(图3和图4)：在起飞后和水平飞行(HF)阶段时，旋翼转子1自动折迭起来且一个迭在另一个上(见图4b)。这个叶片1的“组件”慢慢地进入机身4上部的纵向槽7中和/或在旋翼1装在机翼5上的情况下被水平气动地罩在机翼端部5。
—双重用途，以在特殊情况下进一步增大VTOL和HF阶段(图5和6)的推力。
一个或多个喷气式可倾斜的辅助发动机2或可倾斜的火箭(例如从无线电控制的靶机火箭、或飞行器9、或管道涡轮风扇推进器)导出的发动机)装在飞机的后下部或机身4的下方，它们与主发动机3和用以垂直起落(VTOL)的液压旋翼1联合使用。
上述辅助发动机通过它的推力和同一推力的方向移动确保了从VTOL到HF(反之亦然)的转向，并在VTOL-HF阶段中它的使用情况如下：
—起飞：上述辅助发动机方向向下，它提供的推力和速度是以支持并完成液压旋翼1的拉力，并能确保水平位置的平衡；
—起飞后转向前：辅助发动机逐步从推力朝下的位置转到推力朝后(见图7)的水平位置，因此所得出的推力从朝底部(因此将飞机向上推)逐步转向朝后(因此将飞机向前推)。
—在向水平飞行转向期间：上述辅助发动机逐步地将其推力转向飞机的后部，在刚开始水平飞行之前、来自主发动机3对水平飞行的推进器建立推力时。辅助推力具有最大的速度、以支持水平飞行开始。在该阶段辅助发动机的支持力必须保持HF速度大于失速速度；
—水平飞行：辅助发动机与机身对准，并可以不起动；
—转向到垂直降落期间，与转向水平飞行相反，液压发动机和旋翼1系统恢复工作，主发动机3带动的标准推进器(或喷气)中断工作；
—降落：在该阶段，与起飞阶段的情况相反；
—完成降落：与起飞阶段相同的功能出现。
在飞机上仅安装一个旋翼1的情况下，辅助发动机系统(喷气/火箭—涡轮风扇)将用作起落阶段的机尾稳定器，因此可避免飞机转动。
采用喷气发动机/火箭和液压起动或没有液态起动的涡轮风扇管道推进器中的任何一个均可完成上述所有阶段。
在水平飞行(HF)阶段，飞行能力是由标准使用的主发动机3和相关的推进器或喷气发动机授予的。
这样，在HF模式中，飞机实际上可被认为与涡轮-推进器(或喷气模式)的飞机相同，由于它取消了液压系统和辅助发动机的消耗，因此比较便宜，另外，发动机对推进器3的推力恢复了，同时VTOL的旋翼1锁闩住并与飞机气动地协调一致。
在发动机工作出现不正常的情况下，可以使用本发明的VTOL-HF系统的下列特征：
—由于所有液压作动器连到安装在飞机上的VTOL旋翼上，所以它确保了连接来自每个主发动机3的液压系统的安全贮备(IV)；
—即使单台主发动机3与一台或多台液压发动机相连，合适的阀门系统也能获得标准的操作；
—现在处于待机状态的喷气/火箭式辅助发动机提供了进一步的安全保证；
—在主发动机3(一台发动机出问题)损坏的情况下，液压系统支持另一台发动机的工作，代替不工作的发动机，由液压旋翼和喷气/火箭发动机推进的附加支持来确保事故情况下的垂直降落程序。
—另外，即使在“一台发动机出问题”降落在跑道上的标准特例中，也可完成飞行和降落程序，这种情况在液压系统或液压发动机损坏的情况下也还是可行的。
回过头来将本发明建议的技术方案与已知的技术方案作比较，必须看到，对VTOL推力来说，为标准涡轮螺旋桨飞机设计的标准推力和主发动机的动力原则上都不足以保证：(a)与飞机起飞时的毛重有关的垂直起飞所必需的附加推力，(b)恢复液压系统典型的功率损失比。
上述用于VTOL(a+b)所必需的推力差必须首先由装在飞机下方和/或后部的喷气/火箭发动机来补偿。
另外，为了补偿VTOL推力需要(a+b)，可以增大主发动机3的最大动力，使它在临界的VTOL和转向阶段能持续3～5分钟。
不管怎样，由本发明确保的在水平飞行期间的成本节省(燃料消耗)要求上述主发动机的附加动力仅用在起落阶段，在标准飞行持续约1小时的情况下，所占的时间比例不大于总的飞行时间的10％。
在设计和/或改进主发动机期间，在起飞完成和水平飞行开始时必须采用可减小的动力比(例如去掉一个或多个发动机级或压缩机)。
对本发明的系统来说，仅为了垂直飞行必须设计高效便宜的专用的叶片-旋翼组件，因为它们仅用于这个阶段(不用在象直升飞机出现的水平飞行中)，在液压去掉时(或再次起动时)它们能确保被(在折迭式叶片的情况下)折迭并罩住(反之亦然)。
飞行阶段的逐步进行的控制必须得到计算机化的自动程序的协助，该控制可用于不同的大气条件下。在转向阶段或任何其它事故中有失速危险的情况下必须由自动的计算机快速协助返回到VTOL状态。
上面已按照优选实施例以非限制性的目的描述了本发明，但应该看到对本专业技术人员来说，可进行各种修改和/或变化，它们均不超出所附权利要求限定的有关范围。

Claims (5)

1.一种将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统，包括：除了飞机已具有推进系统外，还具有在垂直起落和转向阶段使用的、带动至少一个叶片式旋翼(1)的液压推进系统，上述液压系统是由飞机的发动机(3)作动力的；其特征在于：它包括一介辅助发动机(2)，它装在飞机的后部和/或下方，上述至少一个辅助发动机(2)在相应的垂直位置和水平位置的两个极限位置之间逐步地倾斜和摆动，上述飞机的发动机(3)在起落和转向时不起动，在自持的水平飞行时起动，上述至少一个叶片式旋翼(1)和上述至少一个辅助发动机(2)在垂直起落和转向时起动，在自持的水平飞行时不起动。
2.按照权利要求1的将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行飞机的的系统，其特征在于：按照飞机的尺寸提供一个或多个旋翼(1)，它由主发动机作动力的液压推进系统操作，为了保证飞机垂直起落，上述旋翼(1)装在飞机的机身(4)上、前部、中部或后部、或机翼(5)上。
3.按照前面权利要求的任何一个的将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统，其特征在于：上述至少一个辅助发动机(2)包括至少一个喷气发动机、或至少一个火箭、或至少一个带或不带液压动力的管道涡轮风扇推进器。
4.按照权利要求1或2的将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行的飞机的系统，其特征在于：垂直旋翼(1)即使在水平飞行期间它们不起动的情况下锁闩住并与飞机气动地协调一致。
5.按照权利要求1或2的将传统的自持的水平起落飞机转变成混合式整体自持垂直起落和水平飞行机的系统，其特征在于：上述旋翼(1)在不使用时折迭起来并罩在机身上的罩内。
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