CN1907807A - 一种固定机翼飞行器垂直起降的方法及飞行器 - Google Patents

Abstract

一种固定机翼飞行器垂直起降的方法及飞行器：围绕飞行器机身，安装对称的、前缘朝内的固定机翼，由机身内的喷气室向外喷射出对称扩散的层状喷射气流，气流流经固定机翼产生升力，而阻力因大小相等方向相反相抵消。飞行器的飞行姿势和方向由机翼上的若干个水平附翼控制，而空中转体则由喷射口内的若干块偏流板或若干个垂直翼及垂直附翼控制；使用降落伞和救生气囊安全迫降于陆地或水面。本发明采用固定机翼产生飞行器垂直起降所需升力，结构简单、性能稳定可靠、噪音低、安全、经济。

Description

一种固定机翼飞行器垂直起降的方法及飞行器

技术领域

本发明涉及一种固定机翼飞行器垂直起降的方法及飞行器。

背景技术

飞机的升力主要由机翼产生。飞行器能够进行飞行都是利用了流体力学中的伯努利(D.Bernoulli)定理，其基本内容是：流体在一个管道内流动时，流速大的地方压力小，流速小的地方压力大。空气流遇到机翼前缘，被分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼的横截面形状被称为“翼形”，由翼形可以看到，机翼的上表面比较凸出，空气流速较快，压力较低，而机翼下表面，气流较慢，压力较大，于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。飞机借助机翼上获得的升力克服自身的重力，从而能够飞行，这是目前已知在空气中获得升力效率最高的方法。

现在已有的飞行器，如果按机翼的类型划分，大致可分为固定翼飞机(例如普通的民航客机、战斗机等)和旋转翼飞机(直升机)两大类。这两类飞行器都有着横截面相似的机翼，只是实现机翼与空气产生相对运动的方式不同：固定翼飞机依靠引擎推动，使飞机在空气中高速移动，机翼与空气产生相对运动以获得升力，因此，现有的固定翼飞机起飞时需要较长的跑道，以便飞机能从静止加速到一定的速度，才能获得足够的升力起飞，并且在空中也必须保持足够的飞行速度。而旋转翼飞机(直升机)依靠引擎使旋翼绕旋转轴旋转，使旋翼与空气产生相对运动获得起飞所需升力，无需在跑道上滑行即可垂直起飞，并且在空中可以悬停、垂直升降、向前、后、左、右飞行。固定翼飞机具有可靠、高速、高空、载重量大的优点，而被广泛应用于多种领域，但在一些起降场所较小、对速度要求不太高、或需要在空中进行长时间悬停的场合，旋转翼飞机(直升机)则得到了广泛的应用。

有一类具有固定机翼的飞行器也能够垂直起降，例如英国的“鹞”式战斗机和美国的F35“猛禽”式战斗机，这两种飞机垂直起降采取的是利用气流喷射的反冲力的方法：在垂直起降时通过改变喷气发动机喷射气流的方向，使之向下，利用喷射气流的反冲力实现垂直起降。此时它们的固定机翼并不提供任何升力，其垂直起降功能与其固定机翼无关。采用这种垂直起降方式，在起降时其耗油量巨大，无法进行长时间的空中悬停，并且向下喷射的气流具有很高的温度和速度，同时伴随着巨大的噪声，对飞机下方的环境干扰很大，采用该种垂直起降方式不能用于取代直升机通常的救援、悬挂运输、长时间空中悬停等用途。

旋转翼飞机(直升机)采用多块狭长的旋翼进行高速旋转这一方法以获得升力，在能耗方面较为经济，但这一方法目前存在以下难以解决的问题：1、因对旋翼材料的强度性能和抗疲劳性能要求极高，导致制造难度和维护成本都很高。2、与固定翼飞机相比，因有更多的机械活动部件，传动机构复杂，因此故障率也较高。3、旋转翼旋转时噪声较大。4、旋转翼飞机没有滑翔能力，飞行中发生故障时不能滑翔迫降，坠落速度较快，乘员也无法采用弹射跳伞的方法逃生，乘员死亡率高。

中国专利申请“碟形飞行器”(申请号为200410022108.7)中，公开了一种飞行器，根据其公开的各项文件及附图，其工作时：“飞行器的总重量通过主机翼飞行时产生的向上推力支持”，意味着其不能实现垂直起降；中国专利申请“飞碟形飞行器”(申请号为03135808.X)中，提及一种飞行器，是利用各个“动力仓”、“平衡仓”产生的“反冲力”来产生升力和推进飞行。

本发明所采用的飞行器获得升力的方法、飞行器的工作原理、结构、及实现的功能都与上述已公开的专利和技术完全不同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构更简单，性能更可靠、噪音更低、且可安全迫降、可替代现有旋转翼飞机的固定机翼飞行器垂直起降的方法及飞行器。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

一种固定机翼飞行器垂直起降的方法，其特征是：由机身向外喷射出对称扩散的层状喷射气流；围绕飞行器机身，安装对称的固定机翼，机翼前缘朝内，迎向喷射气流的来向；固定机翼处于喷射气流层内。

一种可垂直起降的固定机翼飞行器，包括引擎、涡轮风扇或涡扇喷气引擎、机仓、飞行控制系统、外壳、起落架、上部的降落伞、底部的迫降救生气囊等，其特征是：在飞行器机身的中部安装有喷气室，喷气室上部开有进气口，周围外缘开有喷射口，内部有由引擎驱动的涡轮风扇或安装涡扇喷气引擎；在喷射口外有处于喷射气流层内的固定机翼，机翼前缘对准喷射口；择一地采用以下方法控制飞行器进行空中转体和抵消飞行器的自转力矩：1、在机翼上安装一个或中心对称地安装若干个垂直翼，垂直翼上安装有由飞行控制系统控制偏转的垂直附翼；2、在喷射口内均匀间隔安装若干块与喷射口平面相垂直、由飞行控制系统控制偏转的偏流板；飞行器在空中的飞行姿势和飞行方向由在机翼上的若干个由飞行控制系统控制上下偏转的水平附翼控制。

以上所述的固定机翼，其特征是：由一块或若干块机翼组合而成，整体为中心对称的形状，各机翼前缘朝向对称中心。

以上所述的固定机翼，其特征是：两块机翼分别安装于机身两侧，左右镜像对称，两边机翼的前缘朝向对称中轴。

以上所述的喷气室，其特征是：上部开有进气口，内部有由引擎驱动的涡轮风扇或涡扇喷气引擎，周围外缘开有狭缝状喷射口。

以上所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：固定机翼安装于喷射口外，机翼前缘对准喷射口。

以上所述的偏流板，其特征是：在喷射口内均匀间隔安装，板身与喷射口平面相垂直，可作一定角度的偏转。

以上所述的偏流板，其特征是：偏流板的横截面形状包括但不限于翼形。

以上所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：机翼上安装有一个或中心对称地安装有若干个垂直翼，垂直翼上安装有可偏转的垂直附翼。

以上所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：在机翼上安装有若干个可上下偏转的水平附翼。

本发明已有的旋转翼技术和利用喷射气流的反冲力实现垂直起降的技术相比，具有以下突出的优点：

1、结构更简单：由于采用固定机翼产生飞行器垂直起降所需升力，避免了采用旋转翼的复杂传动和控制机构；

2、性能更稳定可靠：牢固的固定机翼、成熟的涡轮风扇技术和相对简单的结构，意味着更为稳定可靠的性能；

3、噪音更低：涡轮风扇本身的噪音较低，并且被安装在机身的内部，因此避免了高速旋转翼或高速喷射气流扰动外界空气而带来的巨大噪音；

4、对下方的环境干扰较小：本发明飞行器产生的喷射气流为向水平方向扩散，不会产生巨大的向下气流；

5、更安全：可以安装迫降用降落伞、迫降用救生气囊等完备的安全迫降设备，能应对飞行器突发在高空、陆地、水面等的多种情况的安全迫降，因此更安全；

6、经济：使用固定机翼获得升力，与旋转翼方式和利用喷射气流反冲力获得升力方式相比，耗油量较少，留空时间更长。

附图说明

图1是空气流经机翼的表面时产生升力和阻力的原理图。图中表示气流124在遇到机翼前缘110后，分成上、下两股气流，分别沿机翼111上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合后向后流去，此时机翼上产生升力F1和阻力f1。

图2是采用由中部向外的对称气流和机翼前缘朝向内的对称固定机翼结构时，机翼产生的升力和阻力示意图。图中表示：对称的气流224同时向外，遇到机翼前缘210，分别沿机翼211上、下表面流过，由于气流和机翼皆为对称，因此在飞行器上只有升力F1和F2的合力F，而阻力f1和f2因大小相等方向相反而抵消。

图3是本发明的第一个实施例的部分剖视立体视图。

图4是本发明的第二个实施例的外观示意图。

图5是本发明的第三个实施例的外观示意图。

图6是本发明的第四个实施例的外观示意图。

具体实施方式

图3给出了本发明的第一个实施例。在本实施例中飞行器采用环形固定机翼，图3为部分剖视立体视图。为使图面清晰、整洁、明确，图中未绘出引擎、机仓、飞行控制系统、降落伞、迫降气囊、起落架等附属结构。

由图3可见：在飞行器机身的中部，安装有外壳331和332，外壳内部安装有喷气室322，其上部开有与外界连通的进气口321，周围外缘开有狭缝状的喷射口324；喷射口内均匀间隔安装有若干块偏流板313；喷气室内部安装有由燃油或电动引擎驱动的涡轮风扇320，在喷射口平面外的一定距离的位置，安装有环形固定机翼311，环形固定机翼311上安装有若干个可上下偏转的水平附翼312，机翼前缘310对准喷射口324，使固定机翼处于喷射气流层325内；环形固定机翼311与飞行器机身之间由若干个桁架333相连接，使环形固定机翼311与飞行器机身形成一个整体。

本实施例是这样实现垂直起降、空中悬停、飞行和安全迫降等功能的：由引擎驱动的涡轮风扇320进行高速旋转，空气由上部的进气口321被吸入，由于离心作用，空气被驱往喷气室的四周，并由于喷气室腔体的形状，被进一步压缩，从喷气室外缘的狭缝状喷射口324高速喷出，依喷射口形状形成一个由中部向外扩散的、方向和强度为中心对称的层状喷射气流325；喷射气流遇到环形固定机翼311前的缘310，被分为两层，分别沿机翼311的上下表面经过，在机翼的各部分上产生升力，而各部分上产生的阻力因大小相等方向相反而相互抵消；通过控制涡轮风扇320的转速，即可控制喷射气流325的喷射速度，进而控制在机翼上产生的升力的大小，从而实现飞行器垂直起降或空中悬停；另外，由于空气被位于飞行器机身上部的进气口321不断地吸入，因而在飞行器机身上部，相对于飞行器机身下部形成一个负压区，这也能为飞行器提供一定的辅助升力；通过控制环形固定机翼311上安装的若干个水平附翼312的上下偏转，可以使飞行器保持飞行姿势，或向某一方向倾斜，当飞行器向某一方向倾斜时，升力将在该倾斜方向产生一个分力，飞行器即可向该方向飞行；本实施例中，在喷射口内安装若干块偏流板，各偏流板由飞行控制系统控制进行偏转，偏转的偏流板使喷射气流325产生一个沿喷射口324的法线方向的夹角，使喷射气流325的反冲力偏离飞行器的轴心，因而产生一个力矩，该力矩方向与飞行器的自转力矩相反，调整偏流板的偏转角度可以调节该力矩的大小，从而使飞行器可以抵消因涡轮风扇的旋转而产生的飞行器反向自转，并实现飞行器的空中转体；万一飞行器在高空出现故障需要迫降时，首先安装在飞行器机身上部的降落伞将打开，减缓飞行器的坠落速度；在接近地面时，安装在飞行器机身下部的迫降气囊将弹出，使飞行器在接触地面时得到缓冲保护，如果是迫降在水面上，还可以使飞行器能够漂浮。

图4给出了本发明的第二个实施例。在本实施例中飞行器采用采用左右两块对称固定机翼布局，由机翼411提供垂直起降的升力，其主要部分如喷气室、涡轮风扇、偏流板结构及安装方式等与第一个实施例相类似，因此未详细绘出，为使图面清晰、整洁、明确，图中亦未绘出引擎、飞行控制系统、降落伞、迫降气囊、起落架等附属结构。图中绘出的主要结构为：外壳431，进气口421，喷射口424，两块弧形固定机翼411，机翼前缘410，飞行器头部450，驾驶仓451，飞行机翼417，水平尾翼414，水平尾翼附翼415，垂直尾翼416，附加引擎460。

本实施例实现的垂直起降、空中悬停、飞行和安全迫降等功能的方式与本发明的第一个实施例相类似，在此不再赘述。本实施例与第一个实施例相比，特点是能转变飞行方式，以较高的速度飞行。它是这样实现的：当飞行器按照第一个实施例的方式起飞后，飞行器的附加引擎460启动，推动飞行器逐渐加速，飞行器的升力逐渐改由飞行机翼417提供，在此过程中，涡轮风扇逐渐减速，直到飞行器达到一定的飞行速度后，涡轮风扇停止工作，飞行器的升力完全改由飞行机翼417提供。飞行器也可以设计增加两个活门，在高速飞行时，活门分别将进气口421、固定机翼411与外壳431之间的空隙封闭，或者可以将固定机翼411设计成可以向机身内收缩，将喷射口封闭的形式，以获得更好的空气动力外形，减少空气阻力，提高飞行速度。

图5是本发明的第三个实施例的外观示意图。在本实施例中飞行器采用三块对称的固定机翼布局，其主要部分如喷气室、涡轮风扇、偏流板结构及安装方式等与第一个实施例相类似，因此未详细绘出，为使图面清晰、整洁、明确，图中亦未绘出引擎、飞行控制系统、降落伞、迫降气囊、起落架等附属结构。图中绘出的主要结构为：外壳531，进气口521，喷射口524，三块弧形固定机翼511，水平附翼512，机翼前缘510，桁架533。本实施例实现垂直起降、空中悬停、飞行和安全迫降等功能的方式与本发明的第一个实施例相类似，在此不再赘述。

图6给出了本发明的第四个实施例。在本实施例中飞行器采用多边形对称的固定机翼布局，其主要部分如喷气室、涡轮风扇、偏流板结构及安装方式等与第一个实施例相类似，因此未详细绘出，为使图面清晰、整洁、明确，图中亦未绘出引擎、飞行控制系统、降落伞、迫降气囊、起落架等附属结构。图中绘出的主要结构为：外壳631，进气口621，喷射口624，五块弧形固定机翼611，水平附翼612，机翼前缘610，桁架633。本实施例实现垂直起降、空中悬停、飞行和安全迫降等功能的方式与本发明的第一个实施例相类似，在此不再赘述。

在上述实施例中，使用由引擎驱动的涡轮风扇产生喷射气流，本行业的工程人员依据本发明提供的基本方法、飞行器基本结构和原理，可以根据实际需要设计出各种变型，例如将本发明与汽车结合，设计成可飞行的汽车，或可以设计成使用若干个对称的涡扇喷气引擎产生喷射气流，以抵消飞行器自转，并获得更大、更高速的喷射气流，或将喷射口和固定机翼的形状设计成弧形以外的其它形状，或将喷射口和固定机翼设计成一定的上、下反角，将进气口设计在不同的位置、将固定机翼设计成可折叠收放的形式，以节约空间等，以满足工程实际的需要。

Claims (10)

1、一种固定机翼飞行器垂直起降的方法，其特征是：由机身向外喷射出对称扩散的层状喷射气流；围绕飞行器机身，安装对称的固定机翼，机翼前缘朝内，迎向喷射气流的来向；固定机翼处于喷射气流层内。

2、一种可垂直起降的固定机翼飞行器，包括引擎、涡轮风扇或涡扇喷气引擎、机仓、飞行控制系统、外壳、起落架、上部的降落伞、底部的迫降救生气囊等，其特征是：在飞行器机身的中部安装有喷气室，喷气室上部开有进气口，周围外缘开有喷射口，内部有由引擎驱动的涡轮风扇或安装涡扇喷气引擎；在喷射口外有处于喷射气流层内的固定机翼，机翼前缘对准喷射口；择一地采用以下方法控制飞行器进行空中转体和抵消飞行器的自转力矩：1、在机翼上安装一个或中心对称地安装若干个垂直翼，垂直翼上安装有由飞行控制系统控制偏转的垂直附翼；2、在喷射口内均匀间隔安装若干块与喷射口平面相垂直、由飞行控制系统控制偏转的偏流板；飞行器在空中的飞行姿势和飞行方向由在机翼上的若干个由飞行控制系统控制上下偏转的水平附翼控制。

3、根据权利要求1或2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：固定机翼由一块或若干块机翼组合而成，整体为中心对称的形状，各机翼前缘朝向对称中心。

4、根据权利要求1或2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：固定机翼两块机翼分别安装于机身两侧，左右镜像对称，两边机翼的前缘朝向对称中轴。

5、根据权利要求2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：喷气室上部开有进气口，内部有由引擎驱动的涡轮风扇或涡扇喷气引擎，周围外缘开有狭缝状喷射口。

6、根据权利要求2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：固定机翼安装于喷射口外，机翼前缘对准喷射口。

7、根据权利要求2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：偏流板在喷射口内均匀间隔安装，板身与喷射口平面相垂直，可作一定角度的偏转。

8、根据权利要求7所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：偏流板的横截面形状包括但不限于翼形。

9、根据权利要求2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：固定机翼上或机翼外安装有一个或中心对称地安装有若干个垂直翼，垂直翼上安装有可偏转的垂直附翼。

10、根据权利要求2所述的可垂直起降的固定机翼飞行器，其特征是：在固定机翼上安装有若干个可上下偏转的水平附翼。

Images