CN109911230A - 具有辅助的滑行、起飞和爬升的飞行器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有辅助的滑行、起飞和爬升的飞行器系统，包括能够自主执行飞行的巡航阶段和着陆阶段的主空中运载工具(1)、比主空中运载工具(1)轻并且适于在飞行的滑行阶段和起飞阶段对主空中运载工具(1)进行辅助的辅助空中运载工具(2)。主空中运载工具(1)和辅助空中运载工具(2)适于能够以可分开的方式连接，使得辅助空中运载工具能够在滑行、起飞及爬升期间当这两个空中运载工具附接至彼此时对主空中运载工具进行辅助。辅助空中运载工具(2)是无人驾驶空中运载工具并且还适于在其与主空中运载工具(1)分开时飞行及着陆。通过优化飞行器的一些系统的设计(尺寸)和能力，降低了飞行器操作成本和飞行器生产成本。

Description

具有辅助的滑行、起飞和爬升的飞行器系统

技术领域

本发明涉及下述技术领域：整体飞行器设计、机体构思以及民用和军用飞行器操作。

发明目的

本发明的总体目的在于降低与飞行器操作和飞行器生产相关的成本。通过根据飞行器的一些系统完成飞行实际所需要的来对这些系统的设计(尺寸)和能力进行优化，获得更高效的飞行器。

本发明的更具体的目的在于减小飞行器重量，从而减少燃料消耗并延长任务航程。

背景技术

传统上，民用和军用飞行器操作要求飞行器在完整的飞行或任务期间带有许多飞行器系统和能力。

尤其是，在商用飞行器的情况下，要求机体以自主的方式——即，在没有外部设备支持的情况——执行完整收飞航的所有阶段，即：地面操作、向后推动、水平滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆以及滑行至机位。为此目的，所有飞行器系统和诸如空气动力学和结构的特征都被设计成用于执行飞行的所有阶段。

然而，一旦飞行器已经达到其巡航高度，存在对于剩余的飞行而言尺寸过大或者对于剩余飞行阶段而言甚至根据不需要的许多系统，如：动力装置、起落架、燃料箱等。

在其他航空航天领域中，已知使用可分开或可消耗的辅助部件，一旦不再需要这些辅助附件，这些辅助附件就被从空中运载工具丢弃。

例如，外部燃料箱用于增大军用飞行器的任务航程或者作为航天运载工具中的初始火箭运载阶段或者用于常规飞行器的短距离起飞和着陆(STOL)操作已经有数十年了。

另一方面，英国专利GB-0.429.948和GB-0.525.015是公开了使用辅助空中运载工具以在起飞期间对主空中运载工具进行辅助的现有技术示例。主空中运载工具和辅助空中运载工具在起飞期间彼此上下安装，使得一旦起飞完成它们就被分开并独立飞行。

上述解决方案适用于特定场景或任务，并且如从技术角度来看，所有这些解决方案都致力于改进空中运载工具的操作能力，即，现有技术解决方案意在提高空中运载工具执行我们的某些具有挑战性任务的能力。

然而，这些解决方案都没有被构思成用于降低总体任务成本(减少燃料燃烧)或减少排放或降低生产成本。此外，它们都没有在经过认证的操作环境中在商用飞行器或重型军用运输领域中被实施。

发明内容

本发明通过将一些飞行器系统分解成两个空中运载工具而显著地降低了与飞行器操作和飞行器生产相关的燃料成本，其中，这两个空中运载工具中的每一者都针对飞行的不同阶段进行了优化。

根据本发明，提供了能够以可分开的方式连接至彼此的两个空中运载工具，即：

-主空中运载工具，该主空中运载工具具有适于承载飞行的有效载荷的机体并且该主空中运载工具针对巡航操作和着陆操作进行了优化，以及

-辅助空中运载工具，该辅助空中运载工具实施为无人驾驶运载工具并且适于在地面操作、滑行、起飞和爬升期间与主空中运载工具进行配合。

这两个空中运载工具在飞行任务的初始阶段——即，滑行、起飞和爬升——期间是联接在一起的，并且在这些阶段期间，这两个空中运载工具都通过主空中运载工具来控制。

一旦达到最佳飞行高度或巡航高度，辅助空中运载工具就与主空中运载工具分开，因为对于剩余的飞行而言不再需要辅助空中运载工具的设备和系统。

分开之后，辅助空中运载工具以自动操作或远程无人操作飞回至始发地机场(或其他机场)，并且主空中运载工具通常通过依靠自身执行巡航阶段、下降阶段、着陆阶段和滑行至机位阶段而完成剩余的飞行而到达目的地。

更详细地，本发明的方面涉及一种具有辅助的起飞和爬升的飞行器系统，该飞行器系统包括主空中运载工具，该主空中运载工具能够在没有外部辅助的情况下自主地执行飞行的巡航阶段和着陆阶段。例如，主空中运载工具是商用飞行器或军用运输飞行器。

该飞行器系统还包括辅助空中运载工具，该辅助空中运载工具比主空中运载工具轻并且其适于在飞行的地面操作阶段、滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段期间对主空中运载工具进行辅助(与主空中运载工具进行配合)。主空中运载工具和辅助空中运载工具适于能够以可分开的方式连接，使得辅助空中运载工具在这两个空中运载工具附接至彼此时对主空中运载工具进行辅助。

优选地，辅助空中运载工具能够以可分开的方式连接至主空中运载工具的腹部。这种配置被认为是最优的，以便在没有外部辅助装置的情况下便于该辅助运载工具与主空中运载工具的地面操纵和对接。这种配置还允许这两个运载工具的重心足够接近，以确保这两个运载工具在它们附接在一起时的适当飞行处理能力。辅助空中运载工具设置有其自己的起落架，使得在主空中运载工具和辅助空中运载工具在滑行和起飞期间附接时这两个空中运载工具的起落架伸出并且位于地面上，并且使得辅助空中运载工具部分地支承主空中运载工具的重量。为此目的，辅助空中运载工具有利地设置在主空中运载工具的左主起落架(左舷)与右主起落架(右舷)之间。

这种布置产生的技术效果在于，主空中运载工具的飞行器机体和起落架可以减小尺寸。另外，由于增加了辅助空中运载工具的动力装置的推力，因而主空中运载工具的动力装置可以减小尺寸。

在起飞阶段，在具有两台发动机的常规飞行器上，发动机推力的主要大小因素在于，一旦达到决定速度(也称为V1)并且在起飞之后保持最低爬升率以避开地面障碍物时在仅一台发动机处于最大功率的情况下起飞的能力。因此，增加辅助空中运载工具的附加推力使得能够减小主空中运载工具的动力装置的推力。

因此，如上所述的本发明的飞行器系统通过使设备减小尺寸并且对主飞行器的设计进行优化并减少燃料燃烧来降低总体生产和操作成本，这又允许：

-减小机体重量，

-减小动力装置和系统的重量，

-降低生产成本，因为主空中运载工具可以在给定的有效载荷/航程区域内依靠自身进行操作，而辅助空中运载工具允许扩大的有效载荷/航程任务。这不需要昂贵的飞行器改型来增大最大起飞重量或者增大航程，

-减少总体任务燃料消耗，

-减少总体排放(在地面上和飞行中的排放)，

-减少起飞噪声印迹，

-增大任务航程。

辅助空中运载工具可以设计成用于：

-已经存在的机体，所述机体具有许多改型并且可以飞行联接至本发明并且可以带来改进，比如增大的航程和增大的最大起飞重量，

-新的主飞行器设计，该新的主飞行器设计将受益于这一构思可能具有的所有优点。除了前面提到的优点之外，还可以增加下述优点：进一步减小发动机尺寸(起飞所需的推力较小)并且减少巡航阶段和着陆阶段不需要的系统。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明的主空中运载工具的侧视图，在该示例中，主空中运载工具包括配装有两个发动机的常规商用飞行器。

图2示出了根据本发明的辅助空中运载工具的若干个视图，其中，图(A)是前视图；图(B)是侧视图；并且图(C)是俯视图。

图3示出了本发明的飞行器系统的在主空中运载工具和辅助空中运载工具位于地面上并附接至彼此时的侧视图。

图4示出了在起飞阶段的初始阶段附接至彼此的两个飞行器。图中的箭头表示由这两个运载工具的动力装置提供的推力。

图5示出了这两个空中运载工具之间的分开操作的侧视图。

具体实施方式

如附图中所示的，本发明的飞行器系统包括主空中运载工具1，主空中运载工具1具有与常规商用飞行器非常相似的外观并且能够承载有效载荷，所述有效载荷在该示例中为乘客和货物。主空中运载工具1具有优化的机体，以自主地执行飞行的巡航阶段、下降阶段和着陆阶段。

这种优化包括：

-机体空气动力学针对巡航阶段和着陆阶段进行了优化；

-由于竖向稳定器不需要针对起飞期间的发动机故障来定尺寸，因而针对巡航阶段和着陆阶段来优化控制表面；

-发动机针对巡航阶段来定尺寸，因为发动机不需要针对起飞期间的单个发动机故障来定尺寸；

-较小的起落架，由于辅助运载工具具有与主空中运载工具的起落架进行配合的独立起落架，因而主空中运载工具的起落架可以被制得较小，使得显著降低主空中运载工具的重量，

-任务的航程所需的燃料箱；

-尽管如此，主空中运载工具将能够在不使用辅助空中运载工具的情况下完成飞行，但是有效载荷和航程有限，这意味着当主空中运载工具承载满载荷时，主空中运载功能只能在辅助空中运载工具进行辅助的情况下起飞。

图2示出了辅助空中运载工具2的示例性实施方式，辅助空中运载工具2比主空中运载工具1轻且小，并且辅助空中运载工具2适于在飞行的滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段期间与主空中运载工具1进行配合。

辅助空中运载工具2具有下述特点：

-该辅助空中运载工具是可以以全自动操作和/或遥控操作回收至基地的无人驾驶运载工具；

-该辅助空中运载工具配备有动力装置，用以提供起飞阶段和爬升阶段所需的额外推力。该动力装置可以包括：

(a)常规的涡轮风扇发动机，

(b)混合动力推进器，该混合动力推进器使用燃气轮机，燃气轮机产生对电风扇供以动力的电力，

(c)电力推进器，该电力推进器使用蓄电池或燃料电池来存储/产生对电风扇供以动力的电力。

-排放喷嘴7可以是常规排放喷嘴或用以提供竖向方向上的部分推力分量的矢量化(在y轴上可调整的)排放喷嘴。这可以提高起飞性能并降低起飞阶段中的飞行器噪声印迹。

-对于基于选项(a)或(b)的动力装置，燃料箱定尺寸成提供用于起飞阶段和爬升阶段的所需燃料量，从而对主空中运载工具进行辅助。当这两个运载工具在滑行、起飞和爬升期间附接至彼此时，来自辅助空中运载工具的燃料可以被传递至主空中运载工具，以便减小主空中运载工具1的燃料消耗并延长任务航程；

-对于基于选项(c)的动力装置，蓄电池或燃料电池连同其所需的燃料将存储在辅助空中运载工具的机身中。

-从空气动力学的角度来看，针对起飞阶段和爬升阶段优化了机体；

-可伸出的升力表面3和控制表面4。辅助空中运载工具2适于使得在辅助空中运载工具2与主空中运载工具1附接时辅助空中运载工具2的可伸出的升力表面3和控制表面4收回，并且适于在辅助空中运载工具2与主空中运载工具分开并且同时辅助空中运载工具自主飞行及着陆时使得升力表面3和控制表面4展开；

-当空中运载工具位于地面上时对整个机体进行结构支承；

-辅助空中运载工具2的起落架5能够支承辅助运载工具的重量并减轻主空中运载工具的起落架必须支承的重量(这两个运载工具的起落架的组合能够承受这两个空中运载工具总共的最大重量)。该起落架具有部分伸出或部分收回的能力以允许与主空中运载工具1进行地面对接操纵；

-用于辅助空中运载工具的自主着陆的小型可收回且可触及的起落架10。该可收回起落架10在这两个运载工具一起操作时收回，因为在任务的这部分中不需要可收回起落架10。可收回起落架10可以增加下述功能：在可收回起落架伸出并且这两个空中运载工具附接在一起时，可收回起落架10可以防止在装载/卸载主空中运载工具1的有效载荷时在地面上发生向后倾斜，但是可收回起落架10在起飞阶段收回；

-辅助空中运载工具2的两个起落架5和10都具有制动和地面转向的能力，一旦辅助空中运载工具2已经着陆，独立的地面操作就需要该制动和地面转向的能力；

-辅助空中运载工具2在辅助空中运载工具2与主空中运载工具1两者附接至彼此的情况下能够通过主空中运载工具1来控制；

-辅助机动的起落架，该辅助机动的起落架允许在主飞行器1的主发动机关闭的情况下向后推动并滑行；电动马达可以将该辅助动力提供给辅助空中运载工具2的主起落架5；

-地面动力：辅助空中运载工具2包括用以在地面操作期间(在机位或停放位置处)为这两个空中运载工具提供电力和气动动力的专用动力单元。该单元还可以为辅助的滑行操作和在所有推进发动机(主空中运载工具的推进发动机和辅助空中运载工具的推进发动机)关闭的情况下在机场执行滑行操作提供所需的动力。

图3示出了根据本发明的由附接至彼此的主运载工具1和辅助运载工具2形成的组合运载工具，其中，辅助空中运载工具2附接至主空中运载工具1的腹部并且位于主空中运载工具1的左起落架6与右起落架6之间，并且辅助空中运载工具2部分地支承主空中运载工具的重量。

在飞行的不同阶段，本发明的飞行器系统的操作如下：

-斜坡和地面维护操作：地面动力由辅助空中运载工具2的动力单元供应。转向操作和飞行器维护在所有发动机关闭的情况下进行；

-向后推动：辅助空中运载工具2的辅助的动力主起落架5可以使这两个运载工具向后移动，从而消除对执行向后推动操作的牵引车的需要；

-水平滑行：辅助空中运载工具2的动力单元在该阶段提供电力以执行辅助自主滑行；

-在水平滑行阶段，所有发动机通过动力装置起动并在起飞阶段之前被预热；

-起飞：起飞所需的推力由所有可用的发动机——即，这两个空中运载工具的动力装置的组合——来提供；

-初始爬升阶段：矢量化推力提供额外的爬升率并且有助于降低起飞地面噪声足迹；

-对于爬升阶段，主发动机使用的燃料也可以由辅助空中运载工具提供，从而使燃料箱最大化地用于巡航阶段。

-一旦完成最佳高度或爬升阶段，辅助空中运载工具与主空中运载工具分开。从主空中运载工具发指令进行该分开操作；

-辅助空中运载工具使其可伸出的机翼3和控制表面4展开并返回至基地；辅助空中运载工具是无人驾驶的并且独立于始发地机场或其他基地。可伸出机翼的伸出可以在这两个运载工具分开之前完成，以减小这种操纵可以在主飞行器1上引起的载荷；

-巡航阶段：主空中运载工具继续行进到达目的地。主发动机设计且定尺寸成适于该飞行阶段，这提供了最佳的燃料消耗和飞行航程；

-下降及着陆：下降及着陆由主空中运载工具1完成。

在本发明的实际实施中，航空公司或空军将操作一组主空中运载工具和分布在若干机场或空中领域中的一组辅助运载工具，比如，任意对的主运载工具组和辅助运载工具组都是能够连接的。以此方式，根据本发明的例如实施为商用飞行器的主空中运载工具可以从机场飞至机场以完成预定路线。

如图3中所示，辅助空中运载工具2定尺寸、特别是其高度定尺寸成使得成其可以安装在地面与主空中运载工具的腹部的最低部分之间。当主空中运载工具1着陆在目的地机场上时，以其自身的起落架或专用轮行进的辅助空中运载工具2如图3中所示的那样设置并附接至主空中运载工具的腹部，以使主空中运载工具1为下一次飞行做准备。这种对接操作可以在主空中运载工具1到达机位或刚刚着陆之后进行，这可以进一步促进燃料消耗优化，因为滑行至机位的操作可以在主空中运载工具1的主发动机关闭的情况下进行。

Claims (10)

1.一种具有辅助的起飞和爬升的飞行器系统，所述飞行器系统包括：

主空中运载工具(1)，所述主空中运载工具(1)能够自主执行飞行的巡航阶段和着陆阶段，

辅助空中运载工具(2)，所述辅助空中运载工具(2)比所述主空中运载工具(1)轻并且适于在飞行的滑行阶段和起飞阶段对所述主空中运载工具(1)进行辅助，

其中，所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)适于能够以可分开的方式连接，使得所述辅助空中运载工具(2)能够在滑行、起飞及爬升期间当所述主空中运载工具(1)与所述辅助空中运载工具(2)两者附接至彼此时对所述主空中运载工具(1)进行辅助，

并且其中，所述辅助空中运载工具(2)是无人驾驶空中运载工具，并且所述辅助空中运载工具(2)还适于在所述辅助空中运载工具(2)与所述主空中运载工具(1)分开时飞行及着陆。

2.根据权利要求1所述的飞行器系统，其中，所述主空中运载工具(1)具有前起落架(8)和主起落架，所述主起落架包括左起落架(6)和右起落架(6)，并且其中，所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)适于使得所述辅助空中运载工具(2)能够以可分开的方式连接至所述主空中运载工具(1)的腹部并且连接在所述左起落架(6)与所述右起落架(6)之间。

3.根据权利要求1或2所述的飞行器系统，其中，所述辅助空中运载工具(2)具有起落架(5、10)，并且其中，所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)构造成使得在滑行和起飞期间当所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)两者连接时，所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)两者的起落架(1、6、5)伸出并位于地面(9)上，并且所述辅助空中运载工具(2)部分地支承所述主空中运载工具(1)的重量。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述主空中运载工具(1)适于承载有效载荷，并且其中，所述主空中运载工具(1)的动力装置的最大推力选择成使得在所述主空中运载工具(1)承载满载荷时，所述主空中运载工具(1)只能在所述辅助空中运载工具(2)进行辅助的情况下起飞。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述主空中运载工具(1)和所述辅助空中运载工具(2)具有相应的燃料系统或电能存储/发电装置，并且其中，所述主空中运载工具和所述辅助空中运载工具两者都适于使得在所述主空中运载工具与所述辅助空中运载工具连接至彼此时，来自所述辅助空中运载工具(2)的燃料或电能能够被传递至所述主空中运载工具(1)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述辅助空中运载工具(2)是自主操作或远程操作的运载工具。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述辅助空中运载工具(2)包括可伸出的升力表面(3)和控制表面(4)，并且其中，所述辅助空中运载工具(2)适于使得在所述辅助空中运载工具(2)与所述主空中运载工具(1)联接时所述辅助空中运载工具(2)的可伸出的升力表面和控制表面收回，并且在所述辅助空中运载工具(2)与所述主空中运载工具(1)分开时使所述升力表面(3)和所述控制表面(4)展开。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述辅助空中运载工具(2)在所述辅助空中运载工具与所述主空中运载工具两者附接至彼此时能够通过所述主空中运载工具(1)来控制。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器系统，其中，所述辅助空中运载工具(2)的动力装置包括至少一个涡轮风扇发动机和/或至少一个电动发动机。

10.根据权利要求9所述的飞行器系统，其中，所述辅助空气飞行器包括一个涡轮风扇发动机和与所述涡轮风扇发动机联接的矢量化排放喷嘴(7)。