CN116348377A - 马格努斯效应飞行器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航空领域。一种飞行器，包括具有围绕其周边安装的可旋转气缸1的多面体主体。为了将空气供应到飞行器中，主体设置有进口2，该进口通向位于主体内部的进气区域和气体供应区域，并且在主体的顶部和底部安装有离心叶轮3，用于产生强制气流。在进气区域和气体供应区域的出口处，及围绕在周边的顶部和底部，是以具有延伸到隧道5中的单元4形式的流动通道，该隧道在紧接气缸1上游的出口处变窄。顶部流动通道和底部流动通道彼此独立，并且不相互连接。叶轮3和气缸1通过发动机6进行运动。所要求保护的操作方法在于迎面而来的气流作用于气缸1的区域，通过使用马格努斯效应产生升力。顶部叶轮的扭矩由底部叶轮的扭矩补偿。本发明组旨在降低噪音和提高负载能力。

Description

马格努斯效应飞行器及其操作方法

本发明涉及航空领域，更具体地涉及一种用于垂直起飞和降落的无人飞行器设计。

一种已知的无人飞行器(四轴飞行器)是无线电控制的空中装置，其具有沿相反方向对角旋转的四个螺旋桨，其中一对螺旋桨顺时针旋转，另一对螺旋桨逆时针旋转。

(https://quadrone.ru/blog/stati/kvadrakopter-chto-eto-takoe-i-kak- rabotaet)

已知类似技术的缺点是负载能力小以及开放式螺旋桨旋转产生的噪音。

本作者的任务是创造一种低噪声的无人飞行器，该飞行器具有高负载能力，可用于垂直起飞和降落。

所要求保护的发明本质上解决了这一任务。

本发明的本质是通过使用所要求保护的具有封闭螺旋桨(叶轮)的装置来在其运行期间增加无人飞行器的负载能力并降低噪声，所述装置在旋转时产生被引导至旋转气缸的强制气流(空气)，并且最终，产生马格努斯效应(Magnus effect)。

所述装置是多面体(例如，矩形)主体，其中气缸1沿其周边安装并且能够旋转。为了将空气供应到装置的内部，主体具有通向位于主体内的进气区域和气体供应区域的进口2，其中离心叶轮3安装在该区域的顶部和底部以产生强制气流。在来自气体进入和供应区域的出口处，以及沿着周边，存在位于顶部和底部的流动通道(channel)，流动通道具有延伸到隧道(tunnel)5中的单元4的形式，隧道5正好在气缸1之前的出口处变窄。顶部和底部流动通道是独立的，并且彼此不连接。该结构(叶轮3和气缸1)的所有旋转部件由发动机6(电动发动机、内燃机(ICE))驱动。每侧、顶部和底部可以具有多个叶轮3。扭矩由叶轮3补偿(顶部的叶轮补偿底部的叶轮)。

图1示出了一个实施例的所要求保护的装置在轴测投影中具有矩形主体。

图2示出了具有矩形主体的飞行器的内部结构(侧视图)和强制流动的方向(由箭头所示)。字母L和H表示低(L)压和高(H)压的区域，随着冲压空气的速度增加，高压区域向左移动。

图3示出了单元的近似视图。

装置的操作方法

气体通过进口2进入主体内。当叶轮3旋转时，这引起气体的进入和供应。由离心叶轮3的旋转产生的强制冲压空气(在图2中用箭头示出)穿过流动通道的单元4，这允许一个连续的流分成几个较小的流，并且使得空气供应沿着气缸1的整个长度均匀地分布。通过单元之后，流动气体通过隧道5，在那里它们变得更窄并到达旋转气缸1。气流的变窄增加了它们的速度，但减小了它们对气缸区域1的影响。流向旋转气缸1的强制冲压空气在每个气缸1上产生马格努斯效应。顶部叶轮3的扭矩由底部叶轮的扭矩补偿。每个气缸1的扭矩与所有气缸1的扭矩相协调，从而在同一个方向上产生马格努斯效应。尽管每个气缸1的大小不同，但马格努斯效应具有相同的方向，这允许改变飞行器的速度和轨迹。

图2显示了气缸顶部和底部的气流分布，并且随着设计的区域减少了一半，气流的变窄增加了冲压空气的速度。

ρ*(v+u)2/2+P2＝ρ*(v-u)2/2+P1

ΔP＝ρ*(v+u)2/2-ρ*(v-u)2/2

ΔP＝ρ/2*((v2+2*v*u+u2)-(v2-2*v*u+u2))

ΔP＝ρ/2*4*v*u

ΔP＝ρ*2*v*u

F＝ΔP*S/2[1]

S＝2*π*R*L

F＝ΔP*2*π*R*L/2

F＝ρ*2*v*u*2*π*R*L/2

F＝ρ*v*u*2*π*R*L

其中：

ρ为流量密度；

v为气缸速度；；

u为流速；

P2和P1表示气缸顶部和底部的静态流动压力；

ΔP为气缸顶部和底部之间的压力差；

S为气缸的表面积；

F为马格努斯效应产生的推力；

R为气缸半径；

L为气缸长度；

由于v＝w*R，其中w为气缸旋转的角速度，则

F＝ρ*w*u*2*π*R²*L

模型计算(示例)：

每个气缸的直径：0.1m；

每个气缸的长度：0.5m；

气缸旋转：6000rpm；

由叶轮旋转产生的冲压空气的速度：17米/秒；

马格努斯力将等于431.8N。

本发明的装置可以通过定位气缸和改变每个气缸上的马格努斯力来控制。而且，如果在进气和气流分布时控制扭矩，则可以确保在附加(水平)平面内的旋转。

所要求保护的发明可用于侦察、货物运送、人员和机器的运输(如果装置制作的更大且更强大)、建筑、气象、紧急医疗援助、邮政服务等。此外，所要求保护的装置不仅可以通过产生气体的强制流动来操作，而且还可以通过液体的强制流动来操作，即，它可以在水下操作。

没有外部螺旋桨可以确保飞行过程中的低噪声操作。马格努斯效应可以实现更大的负载能力。

因此，为作者设定的任务已经完成。

Claims (2)

1.一种使用马格努斯效应的具有多面体主体的飞行器，所述多面体主体具有沿其周边安装有发动机的旋转气缸，所述主体具有通向位于主体内的进气区域和气体供应区域的进口，带有发动机的离心叶轮安装在该区域的顶部和底部；在进气和供应区域的出口处，以及沿其周边，在顶部和底部都有流动通道，流动通道具有延伸到隧道中的单元的形式，所述隧道在气缸之前的出口处变窄，其中所述顶部流动通道和所述底部流动通道是独立的并且不相互连接。

2.一种利用马格努斯效应的空中飞行器的操作方法是冲压空气通过进口进入主体，叶轮的旋转确保气体的进气和供应，离心叶轮旋转产生的强制冲压空气通过流动通道的单元，将一个连续的流分成几个较小的流，并使其供应沿气缸的整个长度均匀分布；通过单元之后，气流穿过隧道，在那里它们变窄并到达旋转气缸，其中气流的变窄增加了气体的速度，同时减小其对气缸表面积的影响；并且强制冲压空气在每个气缸上产生马格努斯效应，其中顶部叶轮的扭矩由底部叶轮的扭矩补偿。

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