CN110155371B - 一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器及其使用方法，以压缩气体为动力，可以使飞行器省去复杂的转动机构，实现结构重量轻的特点，解决升力受火星稀薄大气的限制难以满足滞空要求的问题；并且，压缩气体具有较高的能量密度和推进功率，不仅可以为飞行器在大气稀薄的火星环境中提供足够大的推力，克服火星大气环境下传统螺旋桨推力不足的问题，还可以驱动飞行器获得较高的飞行高度进行滑翔飞行，延长飞行器的留空巡航时间；此外，压缩气体取自于火星大气，无需提前携带，可以实现重复的充气喷气循环过程，相比于现有的一次性滑翔落地的飞行器，可以增加飞行器的任务次数，延长飞行器的使用寿命，探测更广的陆地范围。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器气动布局设计技术领域，尤其涉及一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器及其使用方法。
背景技术
相比于传统卫星或地面巡视器，火星飞行器具有测量范围大、机动能力强等优点。美国、欧洲、日本等国家提出了众多火星飞行器的设计方案，如美国NASA的“Prandtl-m”飞行器和“火星直升机”飞行器、日本JAXA的“Sample Martian Aircraft”飞行器等。
由于火星大气极其稀薄，其地表大气密度仅相当于地球27km高度的大气密度，这种稀薄的大气环境给飞行器设计带来很大挑战。大气密度低再加上密度低导致的低雷诺数效应会导致传统螺旋桨产生的推力下降，难以满足飞行器的巡航需求，如日本的“SampleMartian Aircraft”飞行器，其螺旋桨推力仅有2N，最终导致项目下马。由于飞行器的升力与大气密度成正比，因此，火星飞行器的升力也较低，为了实现离地飞行，飞行器的重量应足够轻，以占据飞行器空机质量最多的动力系统为例，其应具备在达到设计功率的前提下重量尽可能轻的特点，比较极端的例子是美国的“Prandtl-m”飞行器，该飞行器为了减轻重量完全舍弃了动力系统，成为一次性滑翔机，无法循环使用。为了延长飞行器的留空巡航时间，飞行器的能量密度应较高，以美国的“火星直升机”飞行器为例，其采用传统的太阳能电池板及蓄电池，能量密度较低，留空时间仅有90～120s。
传统飞行器在火星环境所面临的主要问题在于：螺旋桨及涵道风扇等装置产生的推力过低，难以满足巡航时对抗阻力的需求；动力电池及对应电动机体积和重量较大，能量密度低，在升力受稀薄大气限制的条件下难以满足滞空要求；重量较轻的火箭推进飞行器难以实现重复使用。
因此，如何设计一种推力强、重量轻、能量密度较高且可重复使用的火星飞行器，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器及其使用方法，用以解决传统飞行器处于火星大气环境中推力不足问题的同时解决动力系统结构复杂重量过重的问题，用以提供一种可重复使用、能量密度较高且较为轻便的飞行器。
因此，本发明提供了一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器，包括：机身、与所述机身顶部连接的机翼以及与所述机身尾部连接的尾翼；其特征在于，还包括：位于所述机身内部的充气喷气部；其中，
所述充气喷气部，包括：气泵、与所述气泵连通的储气罐、与所述储气罐连接的阀门以及在所述阀门开启的状态下与所述储气罐连通的尾喷管；
所述气泵用于在所述阀门关闭的状态下向所述储气罐内泵入气体；在所述储气罐进入高压状态后，在所述阀门开启的状态下，所述储气罐内的高压气体经所述尾喷管加速后喷出为所述火星飞行器提供推力。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述火星飞行器中，所述机翼通过转轴与所述机身顶部连接；
所述机翼借助所述转轴的旋转实现收起状态与展开状态之间的转换；所述机翼在收起状态下的展长方向与所述机身的轴线方向相互平行，所述机翼在展开状态下的展长方向与所述机身的轴线方向相互垂直。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述火星飞行器中，所述尾翼，包括：与所述机身尾部的两侧连接的两片水平尾翼和与所述机身尾部的上方连接的一片垂直尾翼；其中，
所述两片水平尾翼关于所述机身的轴线对称；
所述垂直尾翼与所述水平尾翼相互垂直。
本发明还提供了一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法，包括如下步骤：
S1：关闭阀门，打开气泵，火星飞行器在火星地面进行充气；
S2：待充气结束后，打开阀门，火星飞行器进行喷气，进入垂直上升状态；
S3：待上升至第一预定高度后，关闭阀门，火星飞行器靠惯性继续上升并转向后进入下滑状态；
S4：展开机翼，火星飞行器进入滑翔巡视状态；
S5：待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面；
预定时间间隔后，返回步骤S1，重复执行步骤S1～步骤S5。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述火星飞行器的使用方法中，步骤S5，待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面，具体包括如下步骤：
S511：待巡视完成后，火星飞行器滑翔下降；
S512：待滑翔下降至第二预定高度，打开阀门，火星飞行器进行喷气并转向至垂直状态；
S513：火星飞行器垂直降落。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述火星飞行器的使用方法中，步骤S5，待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面，具体包括如下步骤：
S521：待巡视完成后，火星飞行器水平滑翔降落；
S522：待触地后，通过地面巡视器辅助或反作用控制系统完成火星飞行器的竖起。
本发明提供的上述火星飞行器及其使用方法，通过设计充气喷气部，在阀门关闭状态下气泵向储气罐内泵入气体，在储气罐进入高压状态后，在阀门开启状态下，储气罐与尾喷管之间形成通路，储气罐内的高压气体经尾喷管加速后以超音速喷出为火星飞行器提供推力，实现以压缩气体为动力，这样，可以使飞行器省去复杂的转动机构，实现结构重量轻的特点，解决升力受火星稀薄大气的限制难以满足滞空要求的问题；并且，压缩气体具有较高的能量密度和推进功率，不仅可以为飞行器在大气稀薄的火星环境中提供足够大的推力，克服火星大气环境下传统飞行器螺旋桨推力不足的问题，还可以驱动飞行器获得较高的飞行高度进行滑翔飞行，延长飞行器的留空巡航时间；此外，压缩气体取自于火星大气，无需提前携带，可以实现重复的充气喷气循环过程，相比于现有的一次性滑翔落地的飞行器，可以增加飞行器的任务次数，延长飞行器的使用寿命，探测更广的陆地范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为收起状态下的前视图；
图2为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为收起状态下的侧视图；
图3为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为收起状态下的俯视图；
图4为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为展开状态下的前视图；
图5为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为展开状态下的侧视图；
图6为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器在机翼为展开状态下的俯视图；
图7为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的机身剖视图；
图8为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法的流程图之一；
图9为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法采用垂直降落方式的流程示意图；
图10为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法采用水平滑翔降落方式的流程示意图；
图11为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法的流程图之二；
图12为本发明实施例提供的充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法的流程图之三。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明实施例提供的一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器，如图1-图6所示，图1和图4为火星飞行器的前视图，图2和图5为火星飞行器的侧视图，图3和图6为火星飞行器的俯视图，包括：机身1、与机身1顶部连接的机翼2以及与机身1尾部连接的尾翼3；如图7所示，图7为机身1的剖视图，还包括：位于机身1内部的充气喷气部4；其中，
充气喷气部4，包括：气泵5、与气泵5连通的储气罐6、与储气罐6连接的阀门7以及在阀门7开启的状态下与储气罐6连通的尾喷管8；其中，气泵5用于在阀门7关闭的状态下向储气罐6内泵入气体；在储气罐6进入高压状态后，在阀门7开启的状态下，储气罐6内的高压气体经尾喷管8加速后喷出为火星飞行器提供推力。
本发明实施例提供的上述火星飞行器，通过设计充气喷气部，在阀门关闭状态下气泵向储气罐内泵入气体，在储气罐进入高压状态后，在阀门开启状态下，储气罐与尾喷管之间形成通路，储气罐内的高压气体经尾喷管加速后以超音速喷出为火星飞行器提供推力，实现以压缩气体为动力，这样，可以使飞行器省去复杂的转动机构，实现结构重量轻的特点，解决升力受火星稀薄大气的限制难以满足滞空要求的问题；并且，压缩气体具有较高的能量密度和推进功率，不仅可以为飞行器在大气稀薄的火星环境中提供足够大的推力，克服火星大气环境下传统飞行器螺旋桨推力不足的问题，还可以驱动飞行器获得较高的飞行高度进行滑翔飞行，延长飞行器的留空巡航时间；此外，压缩气体取自于火星大气，无需提前携带，可以实现重复的充气喷气循环过程，相比于现有的一次性滑翔落地的飞行器，可以增加飞行器的任务次数，延长飞行器的使用寿命，探测更广的陆地范围。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述火星飞行器中，如图3和图6所示，机翼2可以通过转轴9与机身1顶部连接；机翼2可以借助转轴9的旋转实现收起状态(如图1-图3所示)与展开状态(如图4-图6所示)之间的转换；如图1-图3所示，机翼2在收起状态下的展长方向与机身1的轴线方向相互平行，如图4-图6所示，机翼2在展开状态下的展长方向与机身1的轴线方向相互垂直；这样，在火星飞行器的上升过程中，可以通过收起机翼减小阻力，在火星飞行器的下滑过程中，可以通过展开机翼实现滑翔；并且，在火星飞行器的运输过程中，将机翼收起还可以实现体积小、便于运输的特点。
需要说明的是，在本发明实施例提供的上述火星飞行器中，并非局限于将机翼设计为通过转轴与机身顶部连接，借助转轴的旋转实现收起状态与展开状态之间转换的结构，例如，机翼也可以为与机身顶部固定连接，即固定机翼的结构，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述火星飞行器中，如图1-图6所示，尾翼3，可以包括：与机身1尾部的两侧连接的两片水平尾翼10和与机身1尾部的上方连接的一片垂直尾翼11；其中，两片水平尾翼10关于机身1的轴线对称，垂直尾翼11与水平尾翼10相互垂直；这样，可以保证火星飞行器具有良好的平衡性和稳定性。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述火星飞行器中，机身可以采用柱型机身，并且，两片水平尾翼的形状与一片垂直尾翼的形状可以相同，两片水平尾翼的尺寸与一片垂直尾翼的尺寸可以相同。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法，如图8-图10所示，图8为火星飞行器的使用方法的流程图，图9和图10为火星飞行器的使用方法的流程示意图，包括如下步骤：
S1：关闭阀门，打开气泵，火星飞行器在火星地面进行充气；
S2：待充气结束后，打开阀门，火星飞行器进行喷气，进入垂直上升状态；
S3：待上升至第一预定高度后，关闭阀门，火星飞行器靠惯性继续上升并转向后进入下滑状态；
S4：展开机翼，火星飞行器进入滑翔巡视状态；
S5：待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面；
预定时间间隔后，返回步骤S1，重复执行步骤S1～步骤S5。
本发明实施例提供的上述火星飞行器的使用方法，采用充气喷气的动力方式，不仅可以实现飞行器的循环使用，增加飞行器的任务次数，延长飞行器的使用寿命，探测更广的陆地范围，还可以使飞行器省去复杂的转动机构，实现结构重量轻的特点，解决升力受火星稀薄大气的限制难以满足滞空要求的问题；并且，采用充气的方式压缩的气体具有较高的能量密度和推进功率，不仅可以为飞行器在大气稀薄的火星环境中提供足够大的推力，克服火星大气环境下传统飞行器螺旋桨推力不足的问题，还可以驱动飞行器获得较高的飞行高度进行滑翔飞行，延长飞行器的留空巡航时间。
在具体实施时，在执行本发明实施例提供的上述使用方法中的步骤S5，待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面时，可以采用尾座式飞行器的降落方法，即抬头向上使自身垂直竖起，利用自身推力平衡重力进行垂直降落，采用该方式降落的火星飞行器在触地后为竖起状态，为下一次起飞做好准备，便于实现火星飞行器的循环使用，具体地，如图9-图11所示，可以包括如下步骤：
S511：待巡视完成后，火星飞行器滑翔下降；
S512：待滑翔下降至第二预定高度，打开阀门，火星飞行器进行喷气并转向至垂直状态；
S513：火星飞行器垂直降落。
在具体实施时，在执行本发明实施例提供的上述使用方法中的步骤S5，待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面时，还可以采用水平滑翔降落的方式，采用该方式降落的火星飞行器在触地后为贴地状态，为了实现火星飞行器的循环使用，可以通过诸如地面巡视器辅助或反作用控制系统等姿态调整方式完成火星飞行器的竖起，为下一次起飞做好准备，具体地，如图9、图10和图12所示，可以包括如下步骤：
S521：待巡视完成后，火星飞行器水平滑翔降落；
S522：待触地后，通过地面巡视器辅助或反作用控制系统完成火星飞行器的竖起。
本发明实施例提供的上述火星飞行器及其使用方法，通过设计充气喷气部，在阀门关闭状态下气泵向储气罐内泵入气体，在储气罐进入高压状态后，在阀门开启状态下，储气罐与尾喷管之间形成通路，储气罐内的高压气体经尾喷管加速后以超音速喷出为火星飞行器提供推力，实现以压缩气体为动力，这样，可以使飞行器省去复杂的转动机构，实现结构重量轻的特点，解决升力受火星稀薄大气的限制难以满足滞空要求的问题；并且，压缩气体具有较高的能量密度和推进功率，不仅可以为飞行器在大气稀薄的火星环境中提供足够大的推力，克服火星大气环境下传统飞行器螺旋桨推力不足的问题，还可以驱动飞行器获得较高的飞行高度进行滑翔飞行，延长飞行器的留空巡航时间；此外，压缩气体取自于火星大气，无需提前携带，可以实现重复的充气喷气循环过程，相比于现有的一次性滑翔落地的飞行器，可以增加飞行器的任务次数，延长飞行器的使用寿命，探测更广的陆地范围。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器的使用方法，所述充气喷射起飞滑翔回收的火星飞行器包括：机身、与所述机身顶部连接的机翼、与所述机身尾部连接的尾翼以及位于所述机身内部的充气喷气部；其中，所述充气喷气部包括气泵、与所述气泵连通的储气罐、与所述储气罐连接的阀门以及在所述阀门开启的状态下与所述储气罐连通的尾喷管；所述气泵用于在所述阀门关闭的状态下向所述储气罐内泵入气体；在所述储气罐进入高压状态后，在所述阀门开启的状态下，所述储气罐内的高压气体经所述尾喷管加速后喷出为所述火星飞行器提供推力；其特征在于，包括如下步骤：
S1：关闭阀门，打开气泵，火星飞行器在火星地面进行充气；
S2：待充气结束后，打开阀门，火星飞行器进行喷气，进入垂直上升状态；
S3：待上升至第一预定高度后，关闭阀门，火星飞行器靠惯性继续上升并转向后进入下滑状态；
S4：展开机翼，火星飞行器进入滑翔巡视状态；
S5：待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面；
预定时间间隔后，返回步骤S1，重复执行步骤S1～步骤S5；
其中，步骤S5，待巡视完成后，火星飞行器降落至火星地面，具体包括如下步骤：
S511：待巡视完成后，火星飞行器滑翔下降；
S512：待滑翔下降至第二预定高度，打开阀门，火星飞行器进行喷气并转向至垂直状态；
S513：火星飞行器垂直降落。
2.如权利要求1所述的火星飞行器的使用方法，其特征在于，所述机翼通过转轴与所述机身顶部连接；
所述机翼借助所述转轴的旋转实现收起状态与展开状态之间的转换；所述机翼在收起状态下的展长方向与所述机身的轴线方向相互平行，所述机翼在展开状态下的展长方向与所述机身的轴线方向相互垂直。
3.如权利要求1所述的火星飞行器的使用方法，其特征在于，所述尾翼，包括：与所述机身尾部的两侧连接的两片水平尾翼和与所述机身尾部的上方连接的一片垂直尾翼；其中，
所述两片水平尾翼关于所述机身的轴线对称；
所述垂直尾翼与所述水平尾翼相互垂直。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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