CN114030644B - 适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置及飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置及飞行器。适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，包括：飞行器的机翼，机翼上设有至少一个马格努斯转子安装位，马格努斯转子安装位包括第一安装槽位和第二安装槽位，第一安装槽位和第二安装槽位均贯穿机翼的上下表面；马格努斯转子，包括第一转动辊、第二转动辊和传动皮带，第一转动辊横向转动安装在第一安装槽位中，第二转动辊横向转动安装在第二安装槽位中，传动皮带套装在第一转动辊和第二转动辊上，且传动皮带的上表面与机翼的上表面机翼一致，传动皮带的下表面与机翼的下表面机翼一致；动力装置，用于带动第一转动辊和/或第二转动辊转动。
Description
技术领域
本发明涉及航天设备技术领域，特别是涉及一种适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置及飞行器。
背景技术
我国“天问一号”火星探测器已经于2021年5月15日着陆火星，而我国第一辆火星车“祝融号”也已经踏上火星的土地。得益于火星上有一层稀薄的大气，为了延长探测时间、增大探测范围和提高探测精度，美国NASA已经设计了一款可以巡航飞行的“机智”号火星直升机，其能够协助火星车规避障碍物和危险。火星飞行器具有独特的视野，可在火星表面几百米处探测任务提供宝贵的科研数据和画面。火星无人机还可极大地提升火星探测的速度与效率，无人飞行器的广度探测能够扩展火星漫游车的探测范围。然而低密度、低动压的火星大气环境会使常规飞行器的升力性能大幅下降。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置,能够解决常规飞行器在火星大气环境中升力下降的问题。
本发明还提出一种具有上述适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置的飞行器。
根据本发明的第一方面实施例的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，包括：
飞行器的机翼，所述机翼具有机翼前缘、与所述机翼前缘相对的机翼尾缘，所述机翼上设有至少一个马格努斯转子安装位，所述马格努斯转子安装位包括第一安装槽位和第二安装槽位，所述第一安装槽位和所述第二安装槽位横向所述机翼设置，所述第一安装槽位和所述第二安装槽位均贯穿所述机翼的上下表面；
马格努斯转子，包括第一转动辊、第二转动辊和传动皮带，所述第一转动辊横向转动安装在所述第一安装槽位中，所述第二转动辊横向转动安装在所述第二安装槽位中，所述传动皮带套装在所述第一转动辊和所述第二转动辊上，且所述传动皮带的上表面与所述机翼的上表面机翼一致，所述传动皮带的下表面与所述机翼的下表面机翼一致；
动力装置，用于带动所述第一转动辊和/或所述第二转动辊转动。
根据本发明实施例的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，至少具有如下有益效果：本发明利用马格努斯效应，在机翼上设计一种贯穿机翼上下表面的且贴合机翼表面的广义马格努斯转子，从而获得显著的增升效果并极大的减缓流动分离，改善失速现象，本发明中广义转子的加入可使机翼达到3倍地球大气中基础型机翼的升力。
根据本发明的一些实施例，将所述机翼从机翼前缘到机翼尾缘方向五等分，从所述机翼前缘到所述机翼尾缘，所述机翼分为第一安装位置、第二安装位置、第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置，所述马格努斯转子安装位设置在所述第二安装位置。
根据本发明的一些实施例，将所述机翼从机翼前缘到机翼尾缘方向五等分，从所述机翼前缘到所述机翼尾缘，所述机翼分为第一安装位置、第二安装位置、第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置，所述马格努斯转子安装位设置在所述第三安装位置。
根据本发明的一些实施例，将所述机翼从机翼前缘到机翼尾缘方向五等分，从所述机翼前缘到所述机翼尾缘，所述机翼分为第一安装位置、第二安装位置、第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置，所述马格努斯转子安装位设置在所述第四安装位置。
根据本发明的一些实施例，将所述机翼从机翼前缘到机翼尾缘方向五等分，从所述机翼前缘到所述机翼尾缘，所述机翼分为第一安装位置、第二安装位置、第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置，所述马格努斯转子安装位设置在所述第五安装位置。
根据本发明的第二方面实施例的一种飞行器，具有权利要求上述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置。
根据本发明实施例的飞行器，至少具有如下有益效果：将上述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置应用到飞行器上时，可以使得飞行器获得显著的增升效果并极大的减缓流动分离，改善失速现象，本发明中广义转子的加入可使机翼达到3倍地球大气中基础型机翼的升力。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中机翼五等分的结构示意图；
图2为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置的结构示意图；
图3为本发明实施例中马格努斯转子安装在第三安装位置的结构示意图；
图4为本发明实施例中马格努斯转子安装在第四安装位置的结构示意图；
图5为本发明实施例中马格努斯转子安装在第五安装位置的结构示意图；
图6为本发明实施例中马格努斯转子安装在不同位置的升力系数对比图；
图7为本发明实施例中马格努斯转子安装在不同位置的阻力系数对比图；
图8为本发明实施例中马格努斯转子安装在不同位置的升阻比对比图；
图9为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置时，机翼在16°迎角下流场压力、流线图；
图10为本发明实施例中马格努斯转子安装在第三安装位置时，机翼在16°迎角下流场压力、流线图；
图11为本发明实施例中马格努斯转子安装在第四安装位置时，机翼在16°迎角下流场压力、流线图；
图12为本发明实施例中马格努斯转子安装在第五安装位置时，机翼在16°迎角下流场压力、流线图；图13为基础型机翼在16°迎角下流场压力、流线图；
图14为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置时，机翼在0°迎角下流场压力、流线图；
图15为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置时，机翼在4°迎角下流场压力、流线图；
图16为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置时，机翼在8°迎角下流场压力、流线图；
图17为本发明实施例中马格努斯转子安装在第二安装位置时，机翼在12°迎角下流场压力、流线图；
图18为基础型机翼在8°迎角下流场压力、流线图。
附图标记：
100、机翼；110、机翼前缘；120、机翼尾缘；130、马格努斯转子安装位；140、第一安装位置；150、第二安装位置；160、第三安装位置；170、第四安装位置；180、第五安装位置；
200、马格努斯转子；210、第一转动辊；220、第二转动辊；230、传动皮带。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系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装置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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域基础技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1到图5所示所示，根据本发明实施例的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，包括：
飞行器的机翼100，机翼100具有机翼前缘110、与机翼前缘110相对的机翼尾缘120，机翼100上设有至少一个马格努斯转子安装位130，马格努斯转子安装位130包括第一安装槽位和第二安装槽位，第一安装槽位和第二安装槽位横向机翼100设置，第一安装槽位和第二安装槽位均贯穿机翼100的上下表面；
上述所说的机翼前缘110指的是机翼100在行进过程中的迎风端面，马格努斯转子安装位130可以设置在机翼100的任何一个位置，第一安装槽位和第二安装槽位可以是间隔设置，也可以紧靠设置，具体根据机翼100的种类、大小等决定，在此不做限定。
马格努斯转子200，包括第一转动辊210、第二转动辊220和传动皮带230，第一转动辊210横向转动安装在第一安装槽位中，第二转动辊220横向转动安装在第二安装槽位中，传动皮带230套装在第一转动辊210和第二转动辊220上，且传动皮带230的上表面与机翼100的上表面机翼一致，传动皮带230的下表面与机翼100的下表面机翼一致；
在马格努斯转子200安装在马格努斯转子安装位130中的时候。在本实施例中，第一安装槽位靠近机翼前缘110设置，第二安装槽位则靠近机翼尾缘120设置，为了保证传动皮带230与机翼100上下表面在同一面上，第一转动辊210的外径大于第二转动辊220的外径，具体大小根据机翼100的结构决定。
动力装置，用于带动第一转动辊210和/或第二转动辊220转动。
在本实施例中，动力装置和第一转动辊210和/或第二转动辊220传动连接，用于带动第一转动辊210和/或第二转动辊220转动。具体的，动力装置可以为电机等动力转动，电机安装在机翼100，电机的转动输出轴和第一转动辊210和/或第二转动辊220连接，即可带动第一转动辊210和/或第二转动辊220转动，这里属于比较常见的现有技术，在此就不进行详细的赘述了。
在本发明的一些实施例中，将机翼100从机翼前缘110到机翼尾缘120方向五等分，从机翼前缘110到机翼尾缘120，机翼100分为第一安装位置140、第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180，马格努斯转子安装位130设置在第二安装位置150。
在本发明的一些实施例中，将机翼100从机翼前缘110到机翼尾缘120方向五等分，从机翼前缘110到机翼尾缘120，机翼100分为第一安装位置140、第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180，马格努斯转子安装位130设置在第三安装位置160。
在本发明的一些实施例中，将机翼100从机翼前缘110到机翼尾缘120方向五等分，从机翼前缘110到机翼尾缘120，机翼100分为第一安装位置140、第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180，马格努斯转子安装位130设置在第四安装位置170。
在本发明的一些实施例中，将机翼100从机翼前缘110到机翼尾缘120方向五等分，从机翼前缘110到机翼尾缘120，机翼100分为第一安装位置140、第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180，马格努斯转子安装位130设置在第五安装位置180。
在本发明的一些实施例中，将机翼100从机翼前缘110到机翼尾缘110方向五等分，从机翼前缘110到机翼尾缘120，机翼100分为第一安装位置140、第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180，第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180均安装有马格努斯转子200。
在本实施例中，基础型机翼100的翼型选择NACA 4418翼型的机翼，弦长C为1m。在本实施例中，如图1所示，为了研究马格努斯转子200安装在不同位置对机翼100的影响，将机翼100沿弦长分为5等份。具体的安装位置如图2到图5所示，针对不同安装位置进行模拟实验验证，具体方法及结果如下：
1、来流条件设置
本研究考虑到希望该飞行器未来的应用场景，因此参考NASA的真实火星大气参数计算公式，选取火星50m高处的参数如下表1设置。
表1火星大气(50m处)来流条件
在计算过程中，速度比β作为一个很重要的参数，被定义为
其中UC表示马格努斯转子200转动线速度，U表示自由来流速度。转速比β可以表示马格努斯转子200与气流的相对运动关系。
2、计算结果
(1)火星大气下马格努斯转子200的安装位置对机翼100气动特性的影响
在研究中，将机翼100沿弦长分为五等份。考虑到第一安装位置140处马格努斯转子200会使流场有较大波动和不稳定性，本研究只针对机翼100在第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置160和第五安装位置170安装有马格努斯转子200进行研究分析。速度比选取对升阻比提升最明显、且算法准确度更高的速度比5，也就是机翼100马格努斯转子200位置表面线速度取50m/s(线速度50和来流速度10的比值即为速度比5)。计算结果如图6到图8所示。
通过图8中，对比升阻比发现，在较大迎角下，安装位置靠前马格努斯转子200，对机翼100改善气动性能效果最好，而安装位置靠后马格努斯转子200效果不明显。如16°迎角时，第二安装位置150处升阻比很高，而其他位置马格努斯转子200和基础型机翼100相似。
从图9到图12所示，在16°迎角的流场可以看出，相较其他马格努斯转子200，在第二安装位置150安装有马格努斯转子200的机翼100上表面涡只在机翼100尾部且很小，流动分离由于马格努斯转子200的存在被大大抑制了。同时此时第二安装位置150马格努斯转子200机翼前缘110低压区较其他更大、压强更低，因此升力系数相对于其他会大大提高。而此时第三安装位置160、第四安装位置160和第五安装位置170处装有马格努斯转子200的机翼100上方均有不断生成、脱落的两个大涡，流动分离严重。
从流场变化过程可以看出，上表面设置为动边界的机翼100段由于速度大于机翼100表面气体流速，在粘性作用下使靠机翼100内表面的气流加速、速度高于较远处气流，产生引射作用，速度差使马格努斯转子200上部的流场搓出一个大涡。而流经上翼面的气流遇到涡后被阻挡形成回流，又会形成一个前方的涡。前涡不断增大后会跨过后涡，在机翼100上表面后部没有马格努斯转子200处再附，而马格努斯转子200上方的涡始终存在且很大。这样的情况会导致流动不稳定，机翼100稳定性较差。相比较可知大迎角下，在第二安装位置150安装有马格努斯转子200的机翼100性能更好。
针对在第二安装位置150安装有马格努斯转子200，机翼100的机翼前缘110低压区的形成，对比16°迎角时的没有安装有马格努斯转子200的基础型机翼流场图13可以发现，机翼100的机翼前缘110本身有加速作用，安装在第二安装位置150处的马格努斯转子200刚好在分离点前，不仅给气体赋能使其再附，还产生双倍接力加速作用，使气体加速前缘静压减小。因此可能合理推测，对于机翼100来说，最佳的马格努斯转子200安装位置就在机翼100上表面分离点处附近，也就是第二安装位置150处。
对比马格努斯转子200安装位置对机翼100气动特性的影响，安装在第二安装位置150处的马格努斯转子200的增升、减阻效果最明显，在8°迎角相对基础型机翼升阻比最大增加了近30倍。在0-16°迎角下，在第二安装位置150、第三安装位置160、第四安装位置170、第五安装位置180任何一个位置安装上马格努斯转子200相对于基础型机翼的升阻比都有提高。因此可以合理的推测，在机翼100上任何一个位置安装上马格努斯转子200，都可以有效的提高机翼100的升阻比。
(2)研究不同迎角对机翼100在第二安装位置150处安装有马格努斯转子200的气动特性影响
如图8所示，通过对比升阻比曲线可以发现，机翼100在第二安装位置150处安装有马格努斯转子200升阻比变化幅度最大。
如图6、图7所示，在第二安装位置150处安装有马格努斯转子200的机翼100，随着迎角的增加，升力系数持续增加，阻力系数不断减小。在迎角为8°时，由于升力系数最大，而阻力系数很小所以升阻比很大。
如图14到图18所示，从该模型不同迎角流场可以看出，随着迎角增加，机翼100上方低压区不断增大，因此压差产生的升力不断增加、升力系数增加。机翼100下表面由于有与来流反方向运动的边界，搓出一个大涡。迎角增加后气体直面冲击机翼100下表面的现象增强，下表面涡大幅度减小，流动分离削弱。但从8°迎角后机翼100尾部会有小涡脱落，尾流不完全为层流，一定程度上增加机翼100阻力。二者综合作用，总体上使机翼100阻力系数随迎角增加而减小。
只有在8°迎角时，机翼后缘略有流动分离，但相较迎角12°、16°分离区域较小，机翼下涡相较迎角0°、4°较小，所以此时阻力相对最小、升力系数也处中间值的情况下，也使升阻比非常高。
如图17和图18所示，对机翼100在第二安装位置150处安装有马格努斯转子200，在迎角为8°时，此时升阻比增加最大，与基础型机翼对比，可以明显发现，这时因为机翼前缘110驻点加入转子后有明显下移，更多气体流经机翼100上表面被加速，上表面流动分离区域被大大削弱。
从上述对比分析可以发现并推论有以下结论：
(1)为保证升阻比最大，可通过不同迎角启动不同位置转子实现最优控制；
(2)对机翼100在第二安装位置150处安装有马格努斯转子200，在8°迎角时增升效果显著，使升阻比增加约10倍；
(3)较大迎角下，机翼100在靠前位置安装有马格努斯转子200对改善气动性能效果最好，而位置靠后转子效果不明显；
(4)机翼100上安装马格努斯转子对于气动性能改善效果明显。
(5)在机翼100上安装上马格努斯转子，可以使机翼100达到3倍地球大气中基础型机翼的升力，本研究中增升装置被证明设计有效。
本发明还公开了一种飞行器，具有适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置。
将上述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置应用到飞行器上时，可以使得飞行器获得显著的增升效果并极大的减缓流动分离，改善失速现象，本发明中广义转子的加入可使机翼达到3倍地球大气中基础型机翼的升力。从而适用在火星大气中飞行，相对于火星漫游车，大大的提高了对火星探测的范围，提升对火星探测的速度和效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的基础技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，其特征在于，包括：
飞行器的机翼，所述机翼具有机翼前缘、与所述机翼前缘相对的机翼尾缘，将所述机翼从机翼前缘到机翼尾缘方向五等分，从所述机翼前缘到所述机翼尾缘，所述机翼分为第一安装位置、第二安装位置、第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置，所述第二安装位置设有马格努斯转子安装位，所述马格努斯转子安装位包括第一安装槽位和第二安装槽位，所述第一安装槽位和所述第二安装槽位横向所述机翼设置，所述第一安装槽位和所述第二安装槽位均贯穿所述机翼的上下表面；
马格努斯转子，包括第一转动辊、第二转动辊和传动皮带，所述第一转动辊横向转动安装在所述第一安装槽位中，所述第二转动辊横向转动安装在所述第二安装槽位中，所述传动皮带套装在所述第一转动辊和所述第二转动辊上，且所述传动皮带的上表面与所述机翼的上表面机翼一致，所述传动皮带的下表面与所述机翼的下表面机翼一致；
动力装置，用于带动所述第一转动辊和/或所述第二转动辊转动。
2.根据权利要求1所述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，其特征在于：所述马格努斯转子安装位设置在所述第三安装位置。
3.根据权利要求1所述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，其特征在于：所述马格努斯转子安装位设置在所述第四安装位置。
4.根据权利要求1所述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，其特征在于：所述马格努斯转子安装位设置在所述第五安装位置。
5.根据权利要求1所述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置，其特征在于：第三安装位置、第四安装位置、第五安装位置均安装有所述马格努斯转子。
6.一种飞行器，其特征在于：具有权利要求1至5任一项所述的适用于火星大气的固定翼飞行器增升装置。
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