CN1200702A - 飞行体 - Google Patents
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Abstract
对于具有一个装在中心轴(3)上的发动机驱动的螺旋桨(5)和一个工作载荷舱(6)的扭矩平衡飞行体(1)应该创造一种方案,用这种方案飞行体可以用方便的控制方法在稳定的飞行状态下飞行。这由这样来达到:中心的、由驱动发动机(4)驱动的螺旋桨(5)与和它相关的发动机(4)和/或装在它上面的扭矩平衡装置可以反方向旋转,并共同相对于工作载荷舱可旋转地支承。
Description
本发明涉及一种具有平衡扭矩的飞行体，带一个装在中心轴上的、由发动机驱动的螺旋桨和一个工作载荷舱，特别是，但是并不仅仅是涉及一种环形叶轮-飞行体。
由资料已知一些环形叶轮-飞行体，它们按照不同的原理进行工作。WO 90/13478显示了一种按气垫原理工作的环形叶轮-飞行体。DE-4037472A1表示一种类似的飞行体，至少关于飞行理论方面是类似的。DE-4112585也以一种类似的原理工作，其中除上升螺旋桨外还设有前进涡轮机。
从解决方案完整性的角度出发这里还应该提到DE-37 34 811-A1，DE-36 44 899-A1，DE-36 06 362-A1和EP-0 661 206-A1。
已知解决方案的主要问题在于它的不稳定的飞行状态，差的控制可能性，部分地高的工艺费用，其中一些解决方案其飞行性能反正显得很难想象。
本发明的目的在于，创造一种解决方案，用这种方案飞行体在稳定的飞行状态下靠简单的控制可能性可以输送工作载荷和/或人员。
按照本发明这个目的这样来解决，以中心的、由驱动发动机驱动的螺旋桨为一方，和与此相关的发动机和/或装在它上面的扭矩平衡装置为另一方可以相互反方向旋转，并共同地相对于工作载荷舱可旋转地支承。
利用本发明可以用比较简单的装置达到非常稳定的可调整的飞行状态，也就是说这样制成的飞行体具备这样的能力，使工作载荷保持在可以预先确定的位置上，例如当测量仪器，或者也许是一个监测摄影机，譬如为了监察建筑物，作为工作载荷时这具有重要的意义，这里仅仅举一个例子加以说明。
下面表示来自于从属于本发明的解决方案的扭矩-平衡装置的示例。一个在实践中得到验证的按本发明的可能性在于：环形叶轮连同一个可以相对于它进行驱动的螺旋桨作为扭矩-平衡装置。
按照本发明的环形叶轮-飞行体充分利用发动机为一方和螺旋桨为另一方的反方向扭矩以产生特别稳定的飞行状态。驱动由螺旋桨的升力和环形叶轮的升力复合而成。
通过螺旋桨在做成圆环的环形叶轮中旋转形成一种外壳螺旋桨效果，也就是说在两个相对旋转的驱动机构转速相同时形成相对于没有外壳的(螺旋桨)两倍的推进力，此外减小噪声发生。
环形叶轮升力特别是通过由螺旋桨产生的气流在环形叶轮上方产生低压形成，这也称作Koander效应，这可以理解为，当一个固体放在气流界面上时气流产生偏转。其中气流向固体障碍物方向偏转，并由于动量改变产生一个作用力，它提供一个上升分力和推进分力。此外，环形叶轮上的压力分布发生变化，使得在环形叶轮上方形成低压区，这导致一个附加的抽吸推进，从而促使升力增加。
利用本发明可以使工作载荷以简单的方法在空中定位，因为按本发明的飞行体使直升机的飞行特性以最简单的方式与水平飞行飞机的飞行特性相结合，并使得可以运用两种飞行的优点。
由于特别简单的控制和方便的操纵，这种环形叶轮飞行体可以用于广泛的应用领域，这里仅仅提出一部分：
·旧物资勘探(Altlastenerkundung)：
·生物群落采集和测试
·森林损害排除
·森林火灾扑灭(投掷硝化甘油)
·水域保护(海滩、湖泊、河流)
·交通监察，
·污染防护
·幅射控制
·热载荷测量
·山岭损害监测
·核电站区域内放射性射线测量
·管线监测(油管、气管、水管)
·大型工业区和设施的监测
·空气中有害物质分析
·探测侦察
·危机情况的紧急了望
·陆地和水域测量(航空摄影测量)
·在无法通行地区寻找失踪者
·天然资源控制(物种保护、计数、观察)
·空中图象和数据远距离传送
·电影和电视节目制作(特技摄影、摄影机引导)
·空中图象和电影摄制(房屋、工厂、土地等等)
·卫生资料收集
·边界自动监控
·航海和船舶航行控制
·用于风力鉴定的风力测量(风力发电站)
·远程输电线路检测
·建筑物、桥梁、塔和水坝检测
·作为空中起重和运输装置
·作为对于陷入困境人员的飞行救援舱
·作为对于电视机构和国际著名广告代理商的高级广告工具
·电视报道制作(来自危险地区、例如波斯尼亚地区的生活)
·联合国保护区或停火区的监控
本发明优良的结构造型由从属权利要求中得到。
环形叶轮适合于由一个基本上做成空心的、带有朝向外的在静止状态基本上处于水平位置的叶片形零件的环形体构成，其中这种结构可以使得通过这种在环形体外圆周上的叶片形零件除螺旋桨之外附加地提供升力。在必要情况下空心环形体可以以简单的方法用作油箱，因为它和发动机支架不可旋转地相连，因此可以方便地将燃料输入发动机。
利用在环形叶轮外圆周上的叶片形零件或者说末端叶片可以通过马格努斯效应产生一个附加的升力，其中叶片形零件的布局和数量通常分别按工作载荷的大小来调整。
例如外叶片以约300转/分的转速旋转，并且象普通的飞机机翼断面那样通过断面轮廓产生一个空气动力升力。正如已经提到过的那样，机翼断面参数取决于需要的升力。
可以通过这样的方法产生一个附加效应，在螺旋桨排气气流区内设置与环形叶轮不可旋转地相连的排气涡轮叶片，由此可以额外地提高升力。
按照本发明的环形叶轮飞行体的特别简单的控制方法例如可以有两种选择方案，譬如以这样的方法，在具有螺旋桨和环形叶轮的驱动发动机和工作载荷舱之间的过渡区内设置一个围绕支承轴颈旋转的回转装置，以改变驱动轴线和工作载荷轴线之间的垂直角。
这种简单控制可能性的一个变型方案在于：在具有螺旋桨和环形叶轮的驱动发动机和工作载荷舱之间的过渡区内为了调整系统的重心而设置一个移动驱动装置，用以在它的作用线范围内使移动驱动装置中心线相对于工作载荷舱中心线移动。
这里可以通过一个伺服电机起移动或转动作用。
在其他结构方面可以考虑，工作载荷舱具有起落架、全球定位系统天线、障碍报警天线，高度控制天线，当然还有在远距离控制时用来接收无线电信号的天线等等。
也可以考虑，螺旋桨顶端配备一个安放降落伞、制动袋等等的容器。
开头已经说过，存在其他可能性来按本发明的方法设计扭矩平衡装置。例如按本发明可以考虑，设置排气涡轮本身、一个与螺旋桨反方向旋转的环、盘、圆柱、一个具有末端叶片的旋转轮盘和/或等等来作为扭矩平衡装置。
另外一种可能性是：驱动发动机的反方向旋转的单元和/或具有平衡物的反方向旋转的第二发动机作为扭矩平衡装置。
除了按本发明设置的用以产生倾斜状态以及由此产生推进力的倾侧方向舵以外，也可以在扭矩平衡装置的体系中设置径向从内向外和/或从外向内可调的旋转物，它们例如可以电气、液压或气动调整，或者离心力调节，必要情况下可以配备缓冲弹簧。
为了改进空气动力学性能和减小噪声，本发明在其他的结构方案中考虑，螺旋桨连同中心轴、驱动发动机和扭矩平衡装置由一个按空气动力学造型的外壳罩起来。
本发明的其他特征、细节和优点由下述说明以及借助于附图得到。它们表示：
图1本发明一个实施例侧视图的简化形式，并且是局部剖开图，
图2图1中箭头II方向的顶视图，
图3按本发明的一个实施例的本发明的飞行体在向前飞行状态时的侧视图，
图4至11本发明实施例的其他变型方案的侧视图，部分仅仅是原理图，以及
图12空气动力学外壳的简化侧视图。
在图1中总体上以1或1a(图4)表示的飞行体由一个其横截面基本上象机翼断面一样造型的环形叶轮2，一个与共同的中心轴线同心的由一个发动机4驱动的螺旋桨5和一个与这个驱动单元相连的工作载荷舱6构成。
环形叶轮2通过环形叶轮支架7与发动机4不可旋转地连接，其中工作载荷舱6则相对于由螺旋桨5和环形叶轮2组成的驱动单元通过一个总体上以8表示的回转支承这样地连接，使得驱动单元可以相对于工作载荷舱6回转，工作载荷舱通过一个回转方向舵9(Drehruder)稳定在它的位置上。
为了提高升力采取了一系列措施。例如在图2所示例子中环形叶轮2在其外圆周上具有六个叶片形零件10，另一方面在由螺旋桨5所产生的排气气流方向设有一个导向漏斗11，它在其下侧自由端上设有排气涡轮叶片12。
特别是由图1得知，在那里所示实施例中形成从工作载荷舱6通向由发动机、螺旋桨和环形叶轮组成的驱动单元的过渡区和一个装置，它使得这两个单元相互之间可以绕一个支承销轴13回转。对此可设置一个仅示意示出的伺服电机14，由此可以使得这些单元由图1所示位置回转到例如在图3中所示的位置。
为了工作载荷舱6的垂直运动，这样地操作驱动单元，使螺旋桨5向一个方向旋转，而环形叶轮2连同外围的叶片形零件10向另一个方向旋转，使得由此产生的两个上升分力相互叠加，相互反方向的旋转还通过排气涡轮叶片12得到加强。为了在水平位置达到向前推进，操作伺服电机14，以便这样地占有例如图3中所示的位置，使得水平和垂直分力相互叠加，并可以向前飞行。
在工作载荷舱6上可以设置一系列其他的、用于工作载荷的控制和操作的、必要或有用的元件，例如分布在圆周上的障碍报警天线15，例如设置在起落架16上的所谓的全球定位系统天线17，至少一个高度控制天线18等等。
在螺旋桨顶盖19内可以安放降落伞或制动袋，这里没有详细画出。在图1的上半部分还画有一个环形叶轮2的滑动轴承20。如图所示，环形叶轮2设有一个内空腔21，它例如可以用作油箱。安装油箱的另一种可能性是放在回转支承8的上方，那里油箱用22表示。
图4中在除此之外元件均类似的情况下表示水平飞行控制的另外一种可能性。这里工作载荷舱6a在通向由发动机4和环形叶轮2连同处于内部的螺旋桨5组成的驱动单元的过渡区内配备一个总体以23表示的移动驱动装置，使得工作载荷舱6a相对于驱动装置中的轴线3a可以移动。因此在相应地移动时系统的总重心位置发生变化，这特别是使环形叶轮2连同螺旋桨5这样地发生倾斜，使得可以进行按图3的实施例的水平飞行。
一种在图上没有画出来的提高升力的可能性在于：环形叶轮飞行体2的表面配置导向叶片。
图5中是本发明的另一种变型的实施例。整体以1b表示的环形叶轮飞行体在环形叶轮支架7b上具有一个环形叶轮2b，其中图5中与前述实施例功能相同的零件具有相同的数字符号，再加上一个“b”字。
与前述实施例不同的是这里螺旋桨5b在上方配备一个进气扩散器23，在下方配备一个排气扩散器24，使得可以提高效率。例如在由小箭头26所示部位扩散器23内起动速度例如可以达到30米/秒，速度还可以加快，例如在箭头27处达到35米/秒，并且将减慢，使得在箭头28部位也许为10米/秒。
通过扩散器轮廓的形状形成一个垂直作用推进分力，它提高升力。在出口处通过排气扩散器24产生的发散气流导致气流速度的下降，其中动压力也减小，而且以和静压力的增加相同的比例减小，使得通过扩散器气流排出的功能大部分可以作为压力能回收。在最佳地构成的扩散器时例如可以将80至90％的动压力转化成静压力，其中作为附加效应同时可以减小螺旋桨的噪声。
如前所述，在驱动装置发生故障并由此出现坠落的危险时从轮毂罩(Nabenkappe)9或者螺旋桨转子19内可以射出一个降落伞。一种附加的可能性在于：如图1所示，末端叶片10在外圆周上具有离心力配重，使它可以进入自动旋转位置。由于飞行体的下降速度环形叶轮的转速提高，使得可以通过离心力配重改变这些末端叶片的迎角(Anstellwinkel)，以便使下降速度得到制动。如果转速降低，迎角重新复位，使下降速度提高，这使得重新提高转速，离心力配重重新并立即发生作用。
在图6至12中大大简化地再现特别是与扭矩平衡有关的零件。与图1相比功能相同的零件具有相同的参考符号。
图6中发动机4例如由箭头所示向右驱动螺旋桨5，同时通过朝下的气流使涡轮机12向另一个方向旋转。例如有一个旋转的轮圈或环30(图6中左半部)或者一个旋转的盘或圆柱31(图6中右半部)与涡轮机相连接，它们用来平衡扭矩。
在按图6和7的实施例中设有倾侧舵32和32a，利用它们飞行体可以这样地回转，使得不仅仅可以向上和向下运行，而且也可以向前推动。为了进行倾侧运动，设有回转伺服电机33。发动机还配设了辅助装置例如燃料箱34、蓄电池、发电机等等。
图7中左半部表示设置旋转物35的可能性，它例如通过一个伺服电机36可以改变它的位置，其中在图形右半部分还表示这样的可能性，设置一个弹簧、气动或液动阻尼装置。例如用油缸或气缸可以调整旋转物35和35a的位置。这里应该指出一个特点，也就是例如通过一个伺服电机36也可以使涡轮叶片变得可以调整，从而可以用来平衡扭矩。
图8中表示一种变型方案，除了用于螺旋桨5的驱动发动机4以外还可以设置另一个发动机4a，以便例如使离心环30a向反方向旋转。这里也可以设置一个圆柱、一个盘等等，但是可以看出少了相应的涡轮机。
图9中表示这样的可能性，设置旋转的末端叶片106，它的迎角也可以通过一个没有具体画出来的伺服电机等等加以改变。
图10中表示这样的可能性，发动机4b装在涡轮机12的上方，在必要情况下附属配带一个油箱、蓄电池或发电机34。
图11中旋转环30区域内只配一个发动机4c。这里例如也可以采用这样的装置，发动机的一个单元驱动螺旋桨向一个方向旋转，而发动机的另一个单元驱动环30向另一个方向旋转。在这种情况下可以取消涡轮机12。
最后在图12中还表示这样的可能性，所有的单元设置一个按空气动力学设计的外壳38，它以吸气扩散器内的上气流导向叶片39和排气扩散器内的下导向叶片40构成一个气流道，(Stroemungsschacht)，这除了使气流优化以外还使得噪声降低。也可以设置内导向叶片41，这在图中仅仅示意地表示出来。此外还可以设置一个干扰闸板42，它可以通过伺服电机43调整。
当然所述的本发明的实施例在很多方面还可以修改，而不脱离本发明的基本构想。特别是本发明不仅仅局限于这里所表示的工作载荷舱的优选结构形式，也不局限于这里简化表示的环形叶轮以及装在外面的叶片形零件等等的断面轮廓。
可以看出通过这样的办法可以得到按本发明的飞行体的多样性，使相应的功能等级可以相互在各种所要求的结构中定位。驱动单元，涡轮机、扭矩平衡体和工作载荷舱其位置可以相互改变，而不损害飞行体的工作性能。通过重心偏移或倾侧方向舵可以提供一种可供选择的控制装置等等。
Claims (18)
1.扭矩平衡飞行体(1)，带一个装在中心轴上的发动机驱动的螺旋桨(5)和一个工作载荷舱(6)，其特征在于：
中心的由驱动发动机(4)驱动的螺旋桨(5)和与此相关的发动机(4)和/或装在它上面的扭矩平衡装置可以反方向旋转，并共同相对于工作载荷舱可旋转地支承。
2.按权利要求1的飞行体，其特征在于：设置一个环形叶轮(2)作为扭矩平衡装置。
3.按权利要求1或2的飞行体，其特征在于：环形叶轮由一个基本上空心的环形体(2)连同朝向外的、在静止状态基本上朝水平方向的叶片形零件(10)构成。
4.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：在驱动发动机(4)连同螺旋桨(5)和环形叶轮(2)与工作载荷舱(6)之间的过渡区内设有一个绕支承销轴(13)旋转的回转装置，以改变驱动中心轴线(3)和工作载荷中心轴线(3′)之间的垂直角。
5.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：为了调整系统重心在驱动发动机(4)连同螺旋桨(5)和环形叶轮(2)与工作载荷舱(6a)之间的过渡区设有一个移动驱动装置(23)，以使驱动中心轴线(3a)在它与工作载荷舱中心轴线(3a′)的作用线内产生移动。
6.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：在螺旋桨(5)的排气气流中设置与环形叶轮(2)不可旋转地连接的排气涡轮机叶片(12)。
7.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：环形叶轮(2)在其表面上配有导向叶片，以提高升力。
8.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：工作载荷舱(6)具有一个基本上成锥形的、带朝向发动机驱动的螺旋桨(5)方向的锥顶的外形轮廓。
9.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：在工作载荷舱(6)的外表面上特别是靠近锥顶的地方设有一个朝向外的旋转方向舵(9)。
10.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：在工作载荷舱(6)上设有起落架(16)、全球定位系统天线(17)、障碍报警天线(15)、高度控制天线(18)等等。
11.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：螺旋桨顶端(19)配备一个用于降落伞、制动袋等等的接纳件。
12.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：设有一个伺服驱动装置(14、14a)以使工作载荷舱相对于驱动发动机连同环形叶轮作回转或移动。
13.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：在环形叶轮(2b)上螺旋桨(5b)上方设有一个进气扩散器(23)、在螺旋桨(5b)的下方设有一个排气扩散器(24)。
14.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：叶片形零件或末端叶片(10)在其外缘上设有离心力配重(25)，用以在环形叶轮飞行体(1)失去驱动的情况下改变末端叶片(10)的迎角。
15.按权利要求1的飞行体，其特征在于：排气涡轮机(12)设有一个与螺旋桨(5)反方向旋转的环(30)、盘、圆柱(31)、一个具有末端叶片的旋转轮圈等等作为扭矩平衡装置。
16.按权利要求1的飞行体，其特征在于：设有反方向旋转的驱动发动机单元和/或具有平衡物的反方向旋转的第二发动机作为扭矩平衡装置。
17.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：扭矩平衡装置配有可以径向从内向外和/或从外向内调整的旋转物(35、35a)。
18.按上述权利要求之任一项的飞行体，其特征在于：螺旋桨(5)连同中心轴、驱动发动机和扭矩平衡装置由一个按空气动力学原理成形的外壳(38)所包围。
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