CN109250064A - 一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，包括：气囊和机翼，机翼对称地设置于气囊的两相对侧；气囊为波瓣囊体结构。该一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构相对于传统的飞艇具有飞行速度高、航时长、艇身稳定、易操纵、气动性能好、有效载荷大等优点，而相对于直升机空中悬停功能具有能耗低、载重大等优点，可广泛应用于军事领域，能够适应复杂苛刻的气流环境和艰巨紧迫的任务导向，同时可以携带大型的精确的监视仪器进行低空侦查和监视，可降低约30％左右的能耗和飞行费用，其雷达反射面积相对于现代飞机更小，隐身性能优良。

Description

一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构
技术领域
本发明涉及一种一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，属于充气式飞行器领域。
背景技术
现有常规静浮力飞艇虽然具有载重量大、运营成本低、滞空时间长等优点，但是此类飞艇也存在巡航速度低、外形尺寸大、抗风能力差、可控性差、保障系统复杂、升力不足等先天性缺点。
传统飞艇通过驱动前后副气囊、前飞时艇体和舵面的俯仰力矩等，实现自身的控制。然而随着飞行高度和载重需求的增加，这种驱动控制的面效力无法满足飞艇稳定性和操纵性的需求。现有飞艇为达到其大载重要求，往往外形尺寸也很大，容易导致蒙皮材料张力超过材料容许的极限的情况。
现有飞艇结构设计复杂，在飞行过程中容易导致局部受力不均，局部受力不均进而造成安全稳定性隐患。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，该飞行器既具有传统飞艇运营成本低、滞空时间长的特点，又具有高升阻比、稳定性高、快速起降、灵活调控、有效载荷大的优势，有利于降低飞艇成本与能耗，实现高效快速的远距离飞艇运输。
所述一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构包括：气囊和机翼，所述机翼对称地设置于所述气囊的两相对侧；所述气囊为波瓣囊体结构。
优选地，所述气囊包括第一波瓣囊体和第二波瓣囊体，所述第一波瓣囊体与所述第二波瓣囊体的一侧相接；
所述第一波瓣囊体和所述第二波瓣囊体轴对称。
优选地，所述波瓣囊体结构包括：尾尖端、流线型地下凸囊体和上凸囊体，所述下凸囊体的顶面和所述上凸囊体的底面相接；
所述上凸囊体的第一侧向上凸起后形成上囊凸，所述上囊凸的一侧向所述下凸囊体平滑延伸并与所述下凸囊体相接收拢形成所述尾尖端；
所述下凸囊体的第一侧向下凸起后形成下囊凸，所述下囊凸的一侧向所述上凸囊体平滑延伸并与所述上凸囊体相接收拢形成所述尾尖端；
所述上囊凸的曲度大于所述下囊凸的曲度。
优选地，所述第一波瓣囊体和第二波瓣囊体组成所述气囊的长宽比为 1～3:1。
优选地，所述一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构还包括：前置螺旋桨和至少两个侧置螺旋桨；
所述侧置螺旋桨对称地设置于所述气囊的两相对侧，所述前置螺旋桨设置于所述气囊的迎风面正中央；
所述侧置螺旋包括轴向扭转结构。
优选地，所述机翼包括辅助机翼，所述辅助机翼对称地设置于所述气囊的两相对侧，并垂直所述气囊向外水平延伸；所述辅助机翼与所述气囊的轴向长度比为1:3～5。
优选地，所述一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构还包括尾翼和垂翼，所述垂翼安装于所述气囊尾部，并向所述气囊上延伸；
所述尾翼水平安装于所述垂翼的延伸端上。
优选地，所述尾翼为俯仰角可调结构。
优选地，还包括吊舱，所述吊舱安装于所述气囊底面上；所述吊舱底面为扁平状流线型结构。
本发明的又一方面还提供了一种飞艇，包括如上述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构。
本发明的有益效果包括但不限于：
(1)本发明所提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，针对现有混合飞艇存在的问题，优化飞艇气囊结构，采用浮升动力结合的多波瓣子囊体结构，有效减小截面曲率，增加等效截面半径，改善蒙皮材料的受力情况，增加飞艇安全可靠性；采用轻质高强的柔性纤维增强型复合材料制作艇身的蒙皮，并依据模型的受力分析进行局部调整，防止在快速充气过程中或恶劣气流条件下气囊出现囊体破裂、漏气甚至爆炸；飞行器既能实现空中浮力驻留悬停，又能实现较快速度巡航飞行，具有结构重量效率高、能耗比低、高浮升阻力比、空中悬停、超长航时飞行等综合优势。
(2)本发明所提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，相对于传统的飞艇具有飞行速度高、航时长、艇身稳定、易操纵、气动性能好、有效载荷大等优点，而相对于直升机空中悬停功能具有能耗低、载重大等优点，可广泛应用于军事领域，能够适应复杂苛刻的气流环境和艰巨紧迫的任务导向，同时可以携带大型的精确的监视仪器进行低空侦查和监视，可降低约30％左右的能耗和飞行费用，其雷达反射面积相对于现代飞机更小，隐身性能优良。
(3)本发明所提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，相较于现存飞艇通过副气囊或悬载物升降的低效以及引起的安全隐患，本飞艇应用矢量推进技术，同时配合辅助机翼、螺旋桨、垂尾、轮胎等结构进行微调，以实现飞艇快速垂直或短距起降，并能保证飞艇艇身在复杂气流环境下保持优良的稳定性、平衡性和高度的操纵性；该飞行器在民用方面可实现恶劣气象环境下的科研考察和灾区救援，远距离的人员货物运输，长时间巡航条件下的开发作业任务，通信中继等优越性能。这种仿生飞行器具有优良的军民融合效益和军民用诸多领域的应用前景。
(4)本发明所提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，在分析了现有的飞艇优劣性能的基础上，广泛地借鉴了浮升混合飞艇模型的最新研究成果，将理论转化为实际应用，有广阔的应用和市场前景。
附图说明
图1是本发明优选实施例中一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构立体结构示意图；
图2是本发明优选实施例中一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构侧视示意图；
图3是本发明优选实施例中一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构俯视示意图；
图4是图3中A-A面剖视示意图。
图例说明：
1、前置螺旋桨；2、轮子；3、辅助机翼；4、气囊；41、上凸囊体； 42、下凸囊体；411、上囊凸；421、下囊凸；43、尾尖端；5、吊舱；6、侧置螺旋桨；7、垂尾；8、尾翼。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
参见图1～2，本发明提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，包括：气囊4和机翼，所述机翼对称地设置于所述气囊4的两相对侧；所述气囊4为波瓣囊体结构；
所述气囊4包括第一波瓣囊体和第二波瓣囊体，所述第一波瓣囊体和所述第二波瓣囊体的一侧相接；所述第一波瓣囊体和所述第二波瓣囊体轴对称。按此设计为有效地缓解飞艇表面的应力集中，在快速充气过程中和恶劣的气流条件下为飞艇提供更加稳定安全的结构。
波瓣囊体大致呈流线型，顶部弯曲，底部相对平缓。在高速飞行中将提供较大的升阻比，在相同迎角下能够提供常规飞艇3倍的气动升力。
所述气囊4采用沿轴线对称的波瓣囊体的结构，大致呈流线型，顶部弯曲，底部相对平缓。并采用轻质高强的柔性纤维增强型复合材料制作艇身的蒙皮。本领域技术人员可以根据需要选择动力装置，例如飞艇的运行还包括作为动力装置的螺旋桨，拥有更大的功率重量比，同时螺旋桨选择前置牵引式，设计为可气动性能好，降落安全。本领域技术人员可以根据需要在飞行器底面上安装轮子2。
参见图2，优选地，所述波瓣囊体包括尾尖端43、流线型地下凸囊体 42和上凸囊体41，下凸囊体42的顶面和上凸囊体41的底面相接；所述上凸囊体41的第一侧向上凸起后形成上囊凸411，所述上囊凸411的一侧向所述下凸囊体42平滑延伸并与所述下凸囊体42相接收拢形成所述尾尖端43；所述下凸囊体42的第一侧向下外凸形成下囊凸421，所述下囊凸421的一侧向所述上凸囊体41平滑延伸并与所述相接收拢形成所述尾尖端43；所述上囊凸411的曲度大于所述下囊凸421的曲度。
优选地，所述第一波瓣囊体和第二波瓣囊体组成所述气囊4的长宽比为1～3:1，更优选为2.22：1。按此设计飞艇能满足空气静升力及空气动力的折中与设计需求。
优选地，所述气囊4所用蒙皮为轻质高强的柔性纤维增强型复合材料。能防止出现囊体破裂甚至爆炸。
优选地，还包括前置螺旋桨1和至少两个侧置螺旋桨6，所述侧置螺旋桨6对称地设置于所述气囊4两相对侧，所述前置螺旋桨1设置于所述气囊4的迎风面正中央；所述侧置螺旋桨6包括用以连接气囊4的轴向扭转结构。按此设置能使飞艇有优异的加速性能，克服飞艇在速度较小时 (19m/s以下)时升力主要由浮力提供，动升力效率低；而速度大于27m/s时，动升力效率提高随速度提高的问题。使飞艇在合适的仰角范围内，升阻性能达到最优。
前置螺旋桨1位于飞艇前端正中央，提供主要牵引力并控制主要方向。两个侧置螺旋桨6对称分布在艇身两侧，并在辅助机翼3同一水平线上的后方，除了提供动力，调控方向外，还使辅助机翼3表面的气流速度大大增大，使得辅助机翼3调控艇身角度的性能更加优异。
优选地，所述飞行器升降阶段所述辅助机翼3、所述前置螺旋桨1和所述侧置螺旋桨6的迎角为9～14°；所述飞行器稳定飞行阶段所述辅助机翼3、所述前置螺旋桨1和所述侧置螺旋桨6的迎角为±12～15°。
更优选地，所述飞行器升降阶段所述辅助机翼3、所述前置螺旋桨1 和所述侧置螺旋桨6的迎角为11°。更优选地，所述飞行器稳定飞行阶段所述辅助机翼3、所述前置螺旋桨1和所述侧置螺旋桨6的迎角为±13°
优选地，还包括辅助机翼3，所述辅助机翼3对称地设置于所述气囊 4的两相对侧，并垂直所述气囊4向外水平延伸；所述辅助机翼3与所述气囊4的轴向长度比为1:3～5。采用相对飞艇艇身较短的辅助机翼3，亦有用以连接气囊4的轴向扭转结构、改变角度。更优选地，所述辅助机翼3 为充气折叠机翼。采用充气结构辅助机翼3，便于保养存放。
为了实现，使飞艇具有更大的总升力效率，需要能简便灵活的调控飞艇角度与速度范围。优选地，所述侧置螺旋桨6靠近所述气囊4尾部设置于所述辅助机翼3的后侧，且所述侧置螺旋桨6与所述辅助机翼3处于同一水平线上。按此设置，能在向前拉进的同时增大辅助机翼3表面的气流速度，提高对飞艇艇身角度的调控效率。
优选地，还包括尾翼8和垂翼，所述垂翼安装于所述气囊4尾部，并向所述气囊4上延伸；所述尾翼8水平安装于所述垂翼的延伸端上。设置尾翼8和垂翼，能应对飞艇在高速飞行过程中，升力集中于前部、艇身扁平不易平衡的问题进行改进以达到良好的平衡气动性能、缓解艇身颠簸。尾翼8采用翼型结构，能提供气升动力平衡艇身。尾翼8和垂翼可以用以平衡飞艇艇身前部的升力集中。水平尾翼8用于提供升力，而垂尾7除了起支撑作用外，可以控制水平尾翼8角度调节，控制平衡。
优选地，所述尾翼8为俯仰角可调结构。本领域技术人员可以根据需要选择已有结构实现尾翼8的俯仰角可调。例如通过采用可控结构的垂翼，实现尾翼8俯仰角可调。尾翼8的俯仰角可调，能增进飞行器在复杂气流环境下对艇身的调控平衡能力，还能实现对升力平衡进行微调。
参见图2，优选地，还包括吊舱5，所述吊舱5安装于所述气囊4底面上；所述吊舱5底面为扁平状流线型结构。采取扁平构型且贴紧气囊4 的吊舱5，能有效解决飞行器瞬间加速和高速飞行过程中的气流扰动不易平衡的问题。以达到良好的平衡气动性能、缓解艇身颠簸。
本发明提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构的使用过程：
步骤一、检测气囊4的外表与结构是否完好，之后打开内置充气装置，开始充气气囊4。
步骤二、在气囊4内气压达到预设阈值后，开启发动装置，先调试辅助机翼3、前置螺旋桨1、侧置螺旋桨6的迎角为11°左右(此时升阻比达到最大)开始滑行攀升，同时调节垂尾7保持飞行器稳定。
步骤三、当飞行器达到飞行所需高度时，调节机翼、前置螺旋桨1、侧置螺旋桨6的迎角稳定在±13°范围，以速度大于27m/s的条件开进 (此种情况下具有最优的浮升特性与动升力效率)，并继续调节垂尾7保持艇身稳定。
步骤四、即将到达目的地时，改变辅助机翼3、前置螺旋桨1、侧置螺旋桨6的迎角为11°，缓慢减速下降，落至地面，滑行停稳。即可打开气阀放气、装卸货物。
通过实验可知，本发明提供的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构在迎角为11°时，升阻比达到最大。当迎角在±13°范围内基本不发生气流分离，只在艇体尾部产生了小的漩涡，阻力较小；超出±13°范围后，随着迎角增大，阻力增加很快.浮升混合飞艇的零升阻力比常规飞艇更大，因为零升阻力主要取决于气体与蒙皮的摩擦阻力，而混合飞艇表面积更大，所以零升阻力更大。此外，混合飞艇力矩系数斜率为负，具有静不稳定的特点。迎角在±15°范围内，力矩系数保持良好的线性关系，超过该范围呈现出较强的非线性特点，故飞艇在±15°范围内的可控性和操纵性更好。
在速度较小时(19m/s以下)，混合飞艇升力主要由浮力提供，动升力效率低，以浮力为主的常规飞艇布局具有更好的浮升特性；当速度大于26 m/s时，随速度增大，浮升飞艇的动升力效率提高，浮升比减小，具有更大总升力效率，体现了其优异的浮升特性.在一定速度范围(27m/s以上)内，相同设计载荷下浮升混合飞艇能提供更大的气动升力，显著减小飞艇表面积，减轻飞艇结构质量，提高有效载荷及运载能力。
本发明的又一方面还提供了一种飞艇，为上述飞行器。上述飞行器尤其适于作为飞艇使用。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，包括：气囊和机翼，所述机翼对称地设置于所述气囊的两相对侧；所述气囊为波瓣囊体结构。
2.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述气囊包括第一波瓣囊体和第二波瓣囊体，所述第一波瓣囊体与所述第二波瓣囊体的一侧相接；
所述第一波瓣囊体和所述第二波瓣囊体轴对称。
3.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述波瓣囊体结构包括：尾尖端、流线型地下凸囊体和上凸囊体，所述下凸囊体的顶面和所述上凸囊体的底面相接；
所述上凸囊体的第一侧向上凸起后形成上囊凸，所述上囊凸的一侧向所述下凸囊体平滑延伸并与所述下凸囊体相接收拢形成所述尾尖端；
所述下凸囊体的第一侧向下凸起后形成下囊凸，所述下囊凸的一侧向所述上凸囊体平滑延伸并与所述上凸囊体相接收拢形成所述尾尖端；
所述上囊凸的曲度大于所述下囊凸的曲度。
4.根据权利要求2所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述第一波瓣囊体和第二波瓣囊体组成所述气囊的长宽比为1～3:1。
5.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构还包括：前置螺旋桨和至少两个侧置螺旋桨；
所述侧置螺旋桨对称地设置于所述气囊的两相对侧，所述前置螺旋桨设置于所述气囊的迎风面正中央；
所述侧置螺旋包括轴向扭转结构。
6.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述机翼包括辅助机翼，所述辅助机翼对称地设置于所述气囊的两相对侧，并垂直所述气囊向外水平延伸；所述辅助机翼与所述气囊的轴向长度比为1:3～5。
7.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构还包括尾翼和垂翼，所述垂翼安装于所述气囊尾部，并向所述气囊上延伸；
所述尾翼水平安装于所述垂翼的延伸端上。
8.根据权利要求7所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，所述尾翼为俯仰角可调结构。
9.根据权利要求1所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构，其特征在于，还包括吊舱，所述吊舱安装于所述气囊底面上；所述吊舱底面为扁平状流线型结构。
10.一种飞艇，其特征在于，包括如权利要求1～9所述的一种浮升一体高升阻比新型仿生飞行器结构。
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