CN109941425B - 一种二维流体飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维流体飞行器，属于飞行器领域，这种二维流体飞行器，包括翼体和二维流体转换器；二维流体转换器包括整流帽、挡壁和用于引入气流的引流组件，挡壁的内侧形成用于安装整流帽的安装空间，挡壁和整流帽的外壁之间形成整流空间；挡壁符合等差变径圆弧；整流帽的径向截面的外侧呈圆形；挡壁的侧部形成有连通整流空间的整流出口；引流组件包括流体出口，流体出口朝向整流帽的小径端；翼体具有相对设置的迎风侧和背风侧，迎风侧和背风侧之间设置有拱面，整流出口在拱面的迎风侧朝向背风侧设置。这种二维流体飞行器可以降低生产成本，提高飞行器升力，降低扰动。

Description

一种二维流体飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体而言，涉及一种二维流体飞行器。

背景技术

传统固定翼的设计目的是在翼上下表面形成压力差，以此获得升力。其形成压力差的方法是：动力装置使固定翼在空气中进行相对运动。以固定翼为参考系：空气以较高速度到达固定翼前沿，空气被分流至翼上下表面并急剧加速。当高速空气经过翼上表面顶部时，其仍带有上升惯性，而顶部以后的曲面转而向下方延展，空气不能立刻全部贴合到翼上表面，其体积急剧膨胀，压强减小(相对于附近未被扰动的空气，下同)，即翼上表面的压力降低。由于翼下表面是相对平整的表面，当高速空气经过翼下表面时其体积几乎不变，则压强不变。当固定翼与空气的相对运动带有一定仰角时，翼下表面的空气被一定程度压缩，则压强增大，即翼下表面的压力增大。以上现象使固定翼获得升力。

对于传统固定翼，在空气中进行相对运动是使空气压缩和膨胀的必要途径。

但是海拔升高到一定程度，空气压强已经很小。相对于低海拔处，相对速度不变的情况下，翼上表面处的空气膨胀幅度减小，该处的空气压强就更接近翼下表面的空气压强，升力减小。如要获得足够升力，就需要进一步提高飞行器的速度，使翼下表面的空气进一步压缩，从而提高空气压力，弥补翼上表面空气膨胀幅度减小造成的升力减小，但飞行器的速度不可能无限提升，这也就解释了为什么航空飞行器都有升限的限制。

因此，目前以莱特兄弟发明的固定翼升力模型为基本原理的飞行器有难以克服的缺点：在低速状态下(飞行器的静止状态可以理解为低速的极限状态)难以获得理想的升力，造成飞行器起飞和降落困难，失速还会导致飞行器失控，危及飞行安全。根本原因在于其必须依赖固定翼本身的高速运动，而固定翼又依赖于飞行器的高速运动。这种间接使空气压缩和膨胀进而获得升力的方法是不可靠的。

另外，旋翼飞行器的原理可理解为固定翼进行圆周运动的变形，其缺陷与固定翼飞行器的缺陷相同。

发明内容

本发明提供了一种二维流体飞行器，旨在解决现有技术中二维流体飞行器存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种二维流体飞行器，包括翼体和二维流体转换器；

所述二维流体转换器包括整流帽、挡壁和用于引入气流的引流组件，所述挡壁的内侧形成用于安装所述整流帽的安装空间，所述挡壁和所述整流帽的外壁之间形成整流空间；

所述挡壁符合等差变径圆弧，并具有小径层和大径层；

所述整流帽的径向截面的外侧呈圆形，所述整流帽的外壁的直径沿轴向连续性变化形成相对设置的小径端和大径端；

所述挡壁的轴心与所述整流帽的轴心重合；

所述挡壁的侧部形成有连通所述整流空间的整流出口；所述整流出口由所述挡壁的所述小径层和所述大径层之间的缝隙形成；

所述引流组件包括流体出口，所述流体出口朝向所述整流帽的小径端；

所述翼体具有相对设置的迎风侧和背风侧，所述迎风侧和所述背风侧之间设置有拱面，所述整流出口在所述拱面的所述迎风侧朝向所述背风侧设置。

在本发明的一种实施例中，所述二维流体转换器包括多片导流片，所述导流片设置于所述整流出口处，所述导流片的一端与所述小径层固定连接，另一端与所述大径层固定连接。

在本发明的一种实施例中，所述导流片所在平面与所述挡壁的径向呈锐角夹角。

在本发明的一种实施例中，所述引流组件包括风机和进气道；

所述进气道的入口设置在所述迎风侧，所述风机与所述进气道的出口连通，所述风机的出口形成所述流体出口。

在本发明的一种实施例中，所述进气道为涡型管道，所述涡型管道包括串联连接的引气段和连接段，所述引气段远离所述连接段的一端为所述流体入口，所述连接段绕设在所述风机的外环。

在本发明的一种实施例中，所述挡壁的轴向长度为L，所述整流帽的所述大径端的截面面积为s，所述整流帽的径向截面具有面积S’，满足公式L’为该径向截面到所述整流帽的所述小径端的距离。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的二维流体飞行器，具有如下优点：

1.高性能：二维流体飞行器原理及其结构，可以用较小的能量控制流体产生升力，使飞行器在低速时获得足够的升力，大幅度提升了飞行器的性能。

2.高安全性：纵观莱特兄弟发明固定翼飞行器以来，飞行器对运动速度的严重依赖始终是其致命缺陷，一旦失速就会立刻失去升力，同时飞行器失去控制，严重威胁飞行安全，而速度过快又会对飞行器的动力装置和结构强度带来严峻考验。二维流体飞行器原理及其结构可以使飞行器随时获得稳定的升力。升力的大小可以通过控制二维流体的速度来改变，而不受限于旋翼或飞行器本身的运动速度。应用本发明的飞行器可在任何速度下主动调节升力，从而提高起飞、飞行、降落等状态下的操控性。

3.实用性强：二维流体飞行器原理及其结构可以使飞行器摆脱对速度的依赖，不需要较长的跑道，还可以实现垂直起降。应用本发明的飞行器不像旋翼飞行器一样需要大面积的旋翼运动范围，对使用环境要求不高。其本身的高性能可以使飞行器获得大载重量、低能耗的优点。可以很大程度保留传统固定翼飞行器的气动布局，还可以保留传统的飞行控制系统，直接将本发明应用在传统固定翼飞行器的升级改造可以保留大部分传统固定翼飞行器的优点。由于二维流体飞行器原理及其结构极其简单，可以在诸多应用场景中直接套用本发明。由此可见二维流体飞行器原理及其结构的实用性强，用途广泛。

4.经济性好：由于二维流体飞行器结构简单，没有笨重、复杂、精细的结构，高速运动部件被整合到飞行器内部且靠近动力装置，降低了制造成本，提高了可靠性。也可以直接将动力装置和叶轮直接设置在二维流体转换器内部，达到高效运用飞行器内部空间的目的。

因为二维流体产生的反作用力抵消了高速飞行时受到的流体阻力，从而降低了对固定翼结构强度的要求。二维流体的反作用力还可以取代飞行器的前进动力。进一步降低飞行器的总体成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的二维流体飞行器的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的二维流体飞行器的局部内部结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的引流组件的结构示意图；

图4是图2中A-A向的剖视图；

图5是图2中B-B向的剖视图。

图标：001-二维流体飞行器；010-翼体；030-二维流体转换器；100-整流帽；200-挡壁；300-引流组件；101-小径端；103-大径端；201-小径层；203-大径层；210-整流出口；011-迎风侧；013-背风侧；015-拱面；230-导流片；310-风机；350-涡型管道；351-引气段；353-连接端；311-叶轮；313-动力装置。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

本实施例提供了一种二维流体飞行器001，请参阅图1和图2，这种二维流体飞行器001包括翼体010和二维流体转换器030；二维流体转换器030包括整流帽100、挡壁200和用于引入气流的引流组件300，挡壁200的内侧形成用于安装整流帽100的安装空间，挡壁200和整流帽100的外壁之间形成整流空间；

挡壁200符合等差变径圆弧，并具有小径层201和大径层203；整流帽100的径向截面的外侧呈圆形，整流帽100的外壁的直径沿轴向连续性变化形成相对设置的小径端101和大径端103；

挡壁200的轴心与整流帽100的轴心重合；挡壁200的侧部形成有连通整流空间的整流出口210；整流出口210由挡壁200的小径层201和大径层203之间的缝隙形成；

引流组件300包括流体出口，流体出口朝向整流帽100的小径端101；翼体010具有相对设置的迎风侧011和背风侧013，迎风侧011和背风侧013之间设置有拱面015，整流出口210在拱面015的迎风侧011朝向背风侧013设置。

请参阅图4和图5，在本实施例中，在翼体010的迎风侧011掏空形成用于安装整流帽100的安装空间，安装空间的内壁即为挡壁200，安装空间的轴向沿翼体010的长度方向设置。通过引流组件300将气流引向整流帽100的小径端101，从而将紊乱气流通过二维流体转换器030整流为二维形态的气流喷向拱面015之后，由于二维流体的带动作用，其上方的介质也被带动向后运动，而周围的介质由于惯性，不能立刻补充这些介质离开时造成的空位，该处的介质体积膨胀，其压强降低。而与拱面015相对的另一面为平面，不存在流体的体积膨胀或者膨胀量很小，因此压力相对更大，使得整个翼体010具有从平面向拱面015的升力。

在本实施例中，二维流体转换器030包括多片导流片230，导流片230设置于整流出口210处，导流片230的一端与小径层201固定连接，另一端与大径层203固定连接。导流片230所在平面与挡壁200的径向呈锐角夹角。通过导流片230的设置可以导向二维流体的运动方向，另一方面也可以加固装置。导流片230靠近整流空间的一侧直接承受流体的冲击，因此应该尽量顺应大部分流体的螺旋程度设置夹角。

请参阅图3，引流组件300包括风机310和进气道；进气道的入口设置在迎风侧011，风机310与进气道的出口连通，风机310的出口形成流体出口。通过将进气道的入口设置在迎风侧011可以帮助气体进入到风机310中，降低风机310的工作强度。

风机310包括叶轮311和动力装置313，动力装置313的输出端与叶轮311连接。通过动力装置313带动叶轮311转动。

在本实施例中，进气道为涡型管道350，涡型管道350包括串联连接的引气段351和连接段，引气段351远离连接段的一端为流体入口，连接段绕设在风机310的外环。通过涡型管道350的设置，可以使得流体顺滑的进入到风机310中，并通过风机310鼓入整流帽100的小径端101，降低了气流与管道内壁的冲撞。

具体的，挡壁200的轴向长度为L，整流帽100的大径端103的截面面积为s，整流帽100的径向截面具有面积S’，满足公式L’为该径向截面到整流帽100的小径端101的距离。

连续性变径的整流帽100可以保证从整流出口210各个位置排出的二维流体的量大致相同，保证了翼体010的拱面015各处的二维流体流速大致相同，使得翼体010受到的升力均匀。

本实施例提供的二维流体飞行器001的原理基础为：

1.任何在流体中进行相对机械运动的物体都会造成该物体表面的流体体积压缩或膨胀，其压强、温度也会随之变化，该物体受到相应的反作用力。

以气体为例：气体对物体表面的压强是指：物体单位表面积受到气体分子以一定几率撞击所形成的力，这与气体的密度、分子质量、撞击速度和角度相关。从微观角度观察：在总动量相同的情况下，多个分子同时以较低的动量撞击物体表面和单个分子以较高的动量撞击物体表面所形成的力是相同的。其规律符合牛顿第二定律：f＝ma。

f是物体受气体分子撞击所受的力；m是参与撞击的分子的总质量；a是撞击加速度。

2.在质量和热能不变的情况下：气体体积减小，压强增大，反之气体体积增大，压强减小。

气体压强公式：PV＝nRT。

P是气体压强；V是气体体积；n是气体质量；R是常数，为8.31441±0.00026J(moL.K)；T是气体温度。

3.机械力以音速传导。发生压缩或膨胀的流体会将压强的变化向周围传导，时间越长，这种变化影响的流体总量就越多，其压强变化的幅度也会随之摊平。其数学规律符合能量守恒定律，其传导范围的扩张速度就是音速。

4.机械力的传导范围是半径以音速扩大的球体，其具体速度和传导极限范围受限于流体的粘性、温度、密度、比热容等特征。

以常温常压均匀空气为例，其机械力传导范围：由球体体积公式：V＝(4/3)π(R)^3；和，机械力传导范围的半径：R＝ut；

可得公式：V＝(4/3)π(ut)^3。

式中：V是机械力传导范围的空气体积；π是圆周率；R是机械力传导范围半径；u是空气的音速，常温下(15℃)，u＝331.3+(0.606x15)＝340.4m/s；t是时间，单位为s。

由此可见：在开阔范围里，机械力的传导是以音速与时间乘积的3次方扩大的。

需要有所区分的是，由热辐射、磁力、光等形式驱动介质形成流体的情况，u应代入光速，而不是音速。本发明只集中论述了采用机械力形成升力的原理，但不限制于机械力，本发明的原理同样可以用热辐射、磁力、光等实现方式来套用。

5.在较大的时间、空间尺度下，当物体以低速在介质中进行相对运动时，其表面的流体压强变化较小，而且这种变化被传导至较大的范围，介质压缩、膨胀的幅度不易被观察到。因此，流体体积变化造成的影响很小，可视其为理想流体，所以仍可使用伯努利定理解释其力学特征。在较小的时间、空间尺度下则不然，任何物体在介质中运动时其机械力都是始于其表面由近及远依次传导给周围的流体的，如：物体刚开始在介质中相对运动时，受机械力影响的流体还局限在极小的范围内，介质压缩、膨胀的现象是存在的。因此而形成的流体，压强增大、降低的现象是存在的。

6.物体与介质相对运动达到一定速度时，介质压缩、膨胀就变得不可忽视。如：物体在空气中的运动速度接近马赫数0.3时，物体表面的空气压缩、膨胀的程度就已经很明显，伯努利定理已不能解释其力学特征。

7.流体本身的惯性是其在运动中造成压缩、膨胀的原因之一。

8.飞行器(固定翼飞行器、旋翼飞行器、滑翔器、潜水器或相似原理的器件等，下同)获得升力的本质是介质(地球大气、外星大气、水或其它流体，下同)压缩、膨胀时产生的压力差，其与重力相反方向的矢量就是升力。具体方法是：飞行器升力装置与空气进行高速相对运动，气流本身的惯性使其大幅度压缩、膨胀，从而改变空气压强，进而使升力装置所受空气压力发生变化，其总受力与重力相反方向的矢量就是升力。飞行器受到的阻力是空气压缩、膨胀时产生的压力变化在水平方向的矢量和摩擦阻力和热消耗等。

9.使空气进行运动和使固定翼本身进行运动本质并无区别，只要固定翼与空气进行相对运动即可使空气压缩、膨胀，进而在翼上下表面形成压力差，如该压力差的矢量与重力方向相反即产生了升力。

10.与飞行器直接接触的流体在飞行器表面所形成的压力直接决定了飞行器总受力大小，该力在重力反方向上的矢量就是升力。进一步地：只要控制好与翼上下表面直接接触的流体就可以控制升力，而不受限于流体总量大小。即：二维流体飞行器001可以产生与传统固定翼飞行器相同的气动效果。

基于以上10点理论基础，本发明提供的二维流体飞行器001具有以下特征：利用引流组件300对介质进行加速形成流体，经二维流体转换器030将流体整流为二维流体，在翼体010的拱面015沿切向喷出，利用拱面015的曲面和流体的惯性使二维流体大幅度膨胀，从而大幅度降低流体压强，进而获得升力。

在翼体010正常设置，即拱面015在上，平面在下设置的时候，叶轮311高速旋转，将介质从涡形管道吸入，经过叶轮311的流体形成螺旋轴向复合流体，随后注入二维流体转换器030；二维流体转换器030将流体整流为近似二维形态后在固定翼上表面沿顶点切向喷出，即二维流体；二维流体的惯性使其中一部分流体继续向后运动，而另一部分流体则沿拱面015向后下方滑动。在此过程中流体体积急剧膨胀，压强迅速降低，从而降低了固定翼上表面所受压力。由于二维流体的带动作用，其上方的介质也被带动向后运动，而周围的介质由于惯性，不能立刻补充这些介质离开时造成的空位，该处的介质体积膨胀，其压强降低。因此固定翼上表面形成了一个负压区域。受音速的限制，单位时间内负压的传导范围是有限的，当二维流体的运动速度进一步加快时，负压区域的压强会进一步降低。固定翼下表面处流体流速较低，其体积几乎不膨胀，压强也不会减小。固定翼上下表面所受压力与重力相反方向的矢量即是升力。

基于此，这种二维流体飞行器001可以随时稳定地获得升力，也可以通过对二维流体的速度进行控制来实现飞行控制，也可以关闭该功能。

本申请提供的二维流体飞行器001具有以下优点：

1.高性能：二维流体飞行器001原理及其结构，可以用较小的能量控制流体产生升力，使飞行器在低速时获得足够的升力，大幅度提升了飞行器的性能。

2.高安全性：纵观莱特兄弟发明固定翼飞行器以来，飞行器对运动速度的严重依赖始终是其致命缺陷，一旦失速就会立刻失去升力，同时飞行器失去控制，严重威胁飞行安全，而速度过快又会对飞行器的动力装置和结构强度带来严峻考验。二维流体飞行器001原理及其结构可以使飞行器随时获得稳定的升力。升力的大小可以通过控制二维流体的速度来改变，而不受限于旋翼或飞行器本身的运动速度。应用本发明的飞行器可在任何速度下主动调节升力，从而提高起飞、飞行、降落等状态下的操控性。

3.实用性强：二维流体飞行器001原理及其结构可以使飞行器摆脱对速度的依赖，不需要较长的跑道，还可以实现垂直起降。应用本发明的飞行器不像旋翼飞行器一样需要大面积的旋翼运动范围，对使用环境要求不高。其本身的高性能可以使飞行器获得大载重量、低能耗的优点。可以很大程度保留传统固定翼飞行器的气动布局，还可以保留传统的飞行控制系统，直接将本发明应用在传统固定翼飞行器的升级改造可以保留大部分传统固定翼飞行器的优点。由于二维流体飞行器001原理及其结构极其简单，可以在诸多应用场景中直接套用本发明。由此可见二维流体飞行器001原理及其结构的实用性强，用途广泛。

4.经济性好：由于二维流体飞行器001结构简单，没有笨重、复杂、精细的结构，高速运动部件被整合到飞行器内部且靠近动力装置313，降低了制造成本，提高了可靠性。也可以直接将动力装置313和叶轮311直接设置在二维流体转换器030内部，达到高效运用飞行器内部空间的目的。

因为二维流体产生的反作用力抵消了高速飞行时受到的流体阻力，从而降低了对固定翼结构强度的要求。二维流体的反作用力还可以取代飞行器的前进动力。进一步降低飞行器的总体成本。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二维流体飞行器，其特征在于，包括翼体和二维流体转换器；

所述二维流体转换器包括整流帽、挡壁和用于引入气流的引流组件，

所述挡壁的内侧形成用于安装所述整流帽的安装空间，所述挡壁和所述整流帽的外壁之间形成整流空间；

所述挡壁符合等差变径圆弧，并具有小径层和大径层；

所述整流帽的径向截面的外侧呈圆形，所述整流帽的外壁的直径沿

轴向连续性变化形成相对设置的小径端和大径端；

所述挡壁的轴心与所述整流帽的轴心重合；

所述挡壁的侧部形成有连通所述整流空间的整流出口；所述整流出

口由所述挡壁的所述小径层和所述大径层之间的缝隙形成；

所述引流组件包括流体出口，所述流体出口朝向所述整流帽的小径端；

所述翼体具有相对设置的迎风侧和背风侧，所述迎风侧和所述背风

侧之间设置有拱面，所述整流出口在所述拱面的所述迎风侧朝向所述背风侧设置；

所述二维流体转换器包括多片导流片，所述导流片设置于所述整流出口处，所述导流片的一端与所述小径层固定连接，另一端与所述大径层固定连接；

所述挡壁的轴向长度为L，所述整流帽的所述大径端的截面面积为s，所述整流帽的径向截面具有面积，满足公式/>，L’为该径向截面到所述整流帽的所述小径端的距离。

2.根据权利要求1所述的二维流体飞行器，其特征在于，所述导流片所在平面与所述挡壁的径向呈锐角夹角。

3.根据权利要求1所述的二维流体飞行器，其特征在于，所述引流组件包括风机和进气道；

所述进气道的入口设置在所述迎风侧，所述风机与所述进气道的出

口连通，所述风机的出口形成所述流体出口。

4.根据权利要求3所述的二维流体飞行器，其特征在于，所述进气道为涡型管道，所述涡型管道包括串联连接的引气段和连接段，所述引气段远离所述连接段的一端为流体入口，所述连接段绕设在所述风机的外环。