CN110758712B

CN110758712B - 面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构及控制方法

Info

Publication number: CN110758712B
Application number: CN201911174021.4A
Authority: CN
Inventors: 魏麟; 叶思源; 李诚龙; 陈志超; 李彦冬
Original assignee: Civil Aviation Flight University of China
Current assignee: Civil Aviation Flight University of China
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN110758712A

Abstract

本发明涉及一种面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构及控制方法，面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构包括动力设备和舵面设备，所述动力设备设置于飞艇主体的内部，且与飞艇主体固定连接。通过使用本发明，飞艇可以在规划好的城市空域中安全的对乘客进行运送，减少了城市路面的运输压力，能够准确快速的将乘客送达，提高了飞艇的实用性和城市上空空域的利用率。

Description

面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构及控制方法

技术领域

本发明涉及飞艇技术领域，特别涉及一种面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构及控制方法。

背景技术

随着城市发展和交通周转量的快速上升，地面交通传递给城市规划的设计压力也越来愈大，因此有必要对城市低空空域进行充分利用，于是一种具有廉价运输成本面向城市空中运输的廉价超短途的飞艇应运而生。通过针对城市运输场景进行优化和特殊设计的空中载运具短途运输，用户可以快速无延误的到达目的地，满足人们在城市上空短途出行的需求。

面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构中包括动力设备和舵面设备，动力设备一般是螺旋桨或发动机，为飞艇主体提供动力，舵面设备用来次要辅助改变航向与主要抵消扭矩的舵面。现有的飞艇气动布局中，将所有动力设备安放置飞艇主体外部，将所有能改变航向的设备安放在飞艇主体尾部，根据整体气动布局，若外置动力发生碰撞则会导致重大安全事故。以图1所示的气动布局为例，动力设备置于飞艇主体下侧，舵面设备置于飞艇主体后侧，动力设备因与障碍物碰撞时将会从下侧把动力设备残骸向其旋转切线方向发射散布开来，此时飞艇主体会受到严重损害，同时搭载在动力设备周边的其余设备也将受到损害。舵面设备此时的调节只能维持基本航向正确，无法阻止飞艇主体的坠毁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构及控制方法，以尽可能避免飞艇发生碰撞以及减小碰撞发生后所造成的损害。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构，包括动力设备和舵面设备，所述动力设备设置于飞艇主体的内部，且与飞艇主体固定连接。

通过将动力设备设置在飞艇主体内部，即使发生碰撞，也不会出现动力设备残骸向其旋转切线方向发射散布开来，使得飞艇主体和搭载在动力设备周边的其余设备受到严重损害的情况，因此可以有效缓解因碰撞而对飞艇主体造成的损坏。

在进一步完善的方案中，所述动力设备包括水平动力设备和垂直动力设备，水平动力设备用于提供水平方向动力，垂直动力设备用于提供垂直方向动力。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于上述面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构实现的飞艇控制方法，调节俯仰角度过程为：加大垂直动力设备的功率，并通过舵面设备抵消扭矩和提供向上/向下力矩，同时增大水平动力设备的动力，改变飞艇的俯仰角度实现飞艇的高度调节。

进一步地，碰撞发生时的处理过程：当检测到碰撞发生且气动布局没有发生改变时，按照如下方式控制舵面设备和动力设备：

表中所述碰撞方向是以飞艇主体为参考。

本发明的有益效果：通过本发明可以保障飞艇的安全运行，飞艇可以在规划好的城市空域中安全的对乘客进行运送，减少了城市路面的运输压力，能够准确快速的将乘客送达，提高了飞艇的实用性和城市上空空域的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为现有技术中飞艇气动布局结构示意图。

图2为本发明实施例提供的飞艇气动布局结构示意图。

图3为飞艇在城市最高建筑上方飞行时，因顺风切变导致的飞行速度及高度下降的场景示意图。

图4为飞艇在城市上空发生不可避免碰撞时迫降的场景示意图。

图5为发生碰撞后的控制流程图。

图2中标记

飞艇主体10；水平管道20；水平电机30；乘客仓40；垂直电机50；垂直管道60；舵面设备70；备用气囊80。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本实施例中示意性地提供了一种面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构，包括动力设备和舵面设备70，其中动力设备包括水平动力设备和垂直动力设备，水平动力设备用于提供水平方向动力，垂直动力设备用于提供垂直方向动力，水平动力设备和垂直动力设备均设置于飞艇主体10的内部，形成内置式动力系统。作为一种实施方式，动力设备优选采用电机，其中，水平电机30安装于飞艇主体10水平中线的水平管道20内，垂直电机50安装于飞艇主体内部乘客仓40后置的垂直管道60内。本实施例中，垂直动力设备和飞艇主体顶部的备用气囊为80(或直接成为气囊)飞艇上升提供混合动力，具有增大乘客仓和载物空间的优势，另外，相比于完全依靠气囊提供升力，提供垂直动力设备辅助提供升力可以减小气囊所提供的升力理，继而减少氦气的填充量，降低氦气成本(氦气成本比电机成本更高)。

舵面设备70安放于飞艇主体的后侧(尾部)，用于改变飞艇的航向。动力设备与舵面设备共同配合对飞艇姿态进行改变。

动力设备和舵面设备与飞艇主体需要保持有效连接，以实现动力设备和舵面设备与飞艇主体之间不发生偏移或脱落的目的。更具体地，为保持连接的稳定性，例如可以采用螺栓连接。本实施例中，飞艇尾翼为“十字”型硬式尾翼，舵面设备通过螺栓或焊接等方式固定安装于飞艇尾翼。

另外，飞艇主体优选采用若干个小气囊进行填充组合成大气囊，当部分气囊出现气体泄露时其余未泄露气囊能够保障升力。

基于上述气动布局结构，飞艇可以实现以下功能：

俯仰角度调节：加大/减小垂直动力设备的功率，并通过舵面设备抵消扭矩和提供向上/向下力矩，改变飞艇的俯仰角度实现飞艇的高度调节。具体地，当增大俯仰角时，加大垂直动力设备的功率，并通过舵面设备抵消扭矩和提供向上力矩；当减小俯仰角时，减小垂直动力设备的功率，并通过舵面设备抵消扭矩和提供向下力矩。在调节垂直动力设备的功率的同时，增大水平动力设备的动力，能够加速改变俯仰角。

偏航角度调节：调整方向舵，利用垂直舵面产生的力矩来进行偏航角度增减，同时增大水平和垂直动力输出来确保飞艇顺利偏航。

飞行速度调节：增加水平动力设备的功率，同时垂直动力设备反转以提升水平输出的气压，水平舵面向上以此维持高度不发生变化。

碰撞保护功能：当操纵人员检测到碰撞发生时，需要根据碰撞发生的方向和大小获取碰撞信息并记录，然后根据下表1与图5所述流程进行姿态修正，若发生的碰撞为不可修复碰撞则择机迫降。由于在城市地形发生碰撞时大多为低空区和鸟类碰撞，在低空区时仅需保持飞行高度，选择视宽不低于于例如20*20m的平坦地区进行迫降；在遭遇鸟类碰撞时仅需关闭碰撞区域的气体压力充入，保障剩余气囊的升力足够即可。

下面结合具体的应用场景对基于上述气动布局结构实现的控制航向和避开碰撞的方法进行说明。

场景1：飞艇在城市最高建筑上方飞行时，因顺风切变导致的飞行速度及高度下降，如图3所示。

对于飞艇的该种高度下降，其原因是突发气象条件造成的，其表现形式为高度与空速的迅速下降。因此根据高度下降方向来进行动力配置与航向调节，通过改变垂直动力设备的出风量进行高度紧急调节，同时对垂直舵面进行调节保证航向安全，缓慢下降到最低飞行高度。

更具体地讲，在此场景下，垂直动力设备增大运转速率，以加大出风量，水平动力设备同时加大出风量，配合尾部舵面设备进行转向操作，同时垂直舵面非安定面偏转，提供转向力矩，使飞艇避开建筑；水平舵面非安定面向上偏转，提供俯仰力矩，使飞艇头部抬起。避开建筑后，垂直动力设备和水平动力设备的功率下调至正常功率。加大运转速率时，其功率为正常功率的150％。

场景2：飞艇在城市上空飞行时因突发事件改变航向。

在收到命令时，先对当前高度和速度进行判断，在条件允许的情况下改变舵面设备的方向，同时增加垂直动力设备的动力以及水平动力设备的动力以此来进行快速航向调节。当前高度数据通过高度表采集，当前速度通过空速管采集，条件允许是指确定命令飞行高度不低于最低飞行高度，距命令目标点距离不大于最大航程距离。

场景3：飞艇在城市上空发生不可避免碰撞

对于设备不可避免碰撞，首先应保证气动布局的完善和人员的安全，若气动布局没有发生改变，则按照下表1所示方法进行调整。其中，气动布局没有发生改变也就是指同时满足以下2个条件：(1)整个内置动力系统与舵面设备、操作室没有发生损坏；(2)飞艇气囊未发生漏气，或者损坏气囊数量不高于所有气囊数量的设定比例，例如20％。若因碰撞而导致的气囊损坏率达到设定阈值例如25％，且该变化导致气囊升力不可逆下降，则考虑就近迫降，寻找开阔地带并同时联系管制部门进行迫降，如图4所示，同时放出位于飞艇主体下部的备用气囊进行充气，保障降落安全。

表1

碰撞方向	舵面设备动作	水平动力设备动作	垂直动力设备动作
				前方	水平尾翼改变方向	加速反转	加速正转
后方	垂直尾翼改变方向	加速正转	加速正转
				左侧	垂直尾翼改变方向	加速正转	加速正转
右侧	垂直尾翼改变方向	加速正转	加速正转
				顶部	水平尾翼改变方向	加速反转	加速反转
底部	水平尾翼改变方向	加速正转	加速正转

场景4：飞艇飞行时发生动力装置熄火。

动力设备发生熄火时通过舵面设备保持航向稳定。由于次要升力由垂直动力设备提供，飞艇高度会发生缓慢下降，此时可以对飞艇主体顶部的备用气囊进行快速充气，利用气囊提供升力，保障飞行高度并尝试空中重启，若无法重启则选择开阔场地进行迫降，迫降程序和场景3相同。若重启成功则停止对顶部备用气囊的充气并返回机场进行检查。

通过上述应用场景可以发现，使用本发明提供的气动布局结构，飞艇可以安全的在城市上空飞行，对乘客进行运送，能够准确快速的将乘客送达，方便了城市居民的空中出行，也提高了飞艇的实用性和城市上空空域的利用率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构的控制方法，所述面向城市空中运输使用的飞艇气动布局结构包括动力设备和舵面设备，所述动力设备设置于飞艇主体的内部，且与飞艇主体固定连接，所述动力设备包括水平动力设备和垂直动力设备，水平动力设备用于提供水平方向动力，垂直动力设备用于提供垂直方向动力，垂直动力设备和飞艇的气囊为飞艇上升提供混合动力，其特征在于，方法是将所述动力设备与舵面设备相互配合实现飞艇的飞行姿态控制，飞行姿态控制包括飞行速度调节，调节飞行速度的过程为：增加水平动力设备的功率，同时垂直动力设备反转以提升水平输出的气压，水平舵面向上以此维持高度不发生变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，飞行姿态控制还包括碰撞发生时的处理，碰撞发生时的处理过程：当检测到碰撞发生且气动布局没有发生改变时，按照如下方式控制舵面设备和动力设备：

碰撞方向舵面设备动作水平动力设备动作垂直动力设备动作前方水平尾翼改变方向加速反转加速正转后方垂直尾翼改变方向加速正转加速正转左侧垂直尾翼改变方向加速正转加速正转右侧垂直尾翼改变方向加速正转加速正转顶部水平尾翼改变方向加速反转加速反转底部水平尾翼改变方向加速正转加速正转

表中所述碰撞方向是以飞艇主体为参考。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，飞行姿态控制还包括俯仰角调节，调节俯仰角度过程为：加大/减小垂直动力设备的功率，并通过舵面设备抵消扭矩和提供向上/向下力矩，改变飞艇的俯仰角度实现飞艇的高度调节。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，调节俯仰角度过程的同时，增大水平动力设备的动力。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，飞行姿态控制还包括偏航角度调节，调节偏航角度的过程为：调整方向舵，利用舵面产生的力矩来进行偏航角度增减，同时增大水平动力和垂直动力使得飞艇偏航。