CN217022882U - 一种电动涵道风扇及电动垂直起降混合翼小型载人飞机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动涵道风扇及电动垂直起降混合翼小型载人飞机，所述电动涵道风扇包括中间具有涵道的涵道筒体、设于涵道中间的电机以及与电机传动连接的螺旋桨，涵道筒体的内部设有中空的腔体，腔体内间隔设有若干环绕所述涵道设置的隔音棉。本实用新型中在涵道筒体的内部装设有隔音棉，可有效减弱该涵道风扇在传播时的噪音，大大的减少了飞行器飞行时所产生的噪音污染；而提供的载人飞机，将传统固定翼飞行器的高效巡航能力和旋翼机的任意场地垂直起降能力相结合，不仅能够实现复杂条件下的快速起降，而且能够高效地执行飞行任务，在海岛、山地、城市等无固定起降场地的特殊条件下，完成较大范围的空中运输服务，并且实现零碳排放。

Description

一种电动涵道风扇及电动垂直起降混合翼小型载人飞机

技术领域

本实用新型涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种电动涵道风扇及电动垂直起降混合翼小型载人飞机。

背景技术

当今，世界上约有50％人居住在城市，联合国预计到2050年，世界上将有近70％的人居住在城市。大城市扩展地面基础设施、道路和桥梁的时间跨度太长且成本太高并不可持续，大城市的交通越来越堵塞。Instant Flight 建造一架高性能、低成本、高安全性和低噪音的电动飞机，解决大城市人们对快捷、舒适的出行需求，提供城际之间绿色、快捷和可负担得起的服务。 Instant Flight电动飞机，可以便捷降落在大城市商业中心楼顶的小型机场，源源不断快速把人们运送至郊区的家、高铁站、机场等地方。与从内燃机转向电动汽车时发生的情况类似，转向电动飞机在成本、噪音和安全性方面创造了几个优势，这些都是实现城市空中交通的网络的基本领域。我们的目标是让大众能够负担得起我们的服务，这意味着将运营成本降低到叫网约车的价格。电动飞机的维护成本类似电动汽车，成本低廉。例如：维护是传统直升机的最大成本，通常约为直接运营成本的30％，由大量移动和关键部件驱动，改用电动动力总成可移除数千个零件和数百个关键组件，从而大大减少维护量(例如：氢能汽车在头三年的维护维护成本是燃油汽车的平均维护成本的30％)；而能源是传统飞机最大的运营成本支出。在城市低空内，直升机飞行的噪音太大(110分贝)，直升机噪音是由响亮的涡轮发动机和高转子尖端速度驱动产生的(直升机转子尖端的运动速度接近音速，产生大量噪音)。

垂起混合翼飞行器是当今飞行器设计领域的一大热点，已经出现了以鹞式、鱼鹰和F-35B等具有代表性的型号。其中，鹞式是垂起混合翼飞行器的早期代表，鱼鹰和F-35则是现役的比较优秀的垂起混合翼飞行器。

鹞式战斗机是世界上第一种实用型垂直/短距起降战斗机。它通过一台有 4个矢量喷口的涡扇发动机来提供垂直起降、水平巡航和模式转换所需推力。然而鹞式飞机也存在一些问题，矢量喷口不仅对喷管热防护提出了很高要求，还造成了发动机的燃烧不稳定，发动机熄火事故频发。此外，四个矢量喷口大大增加了飞机的控制难度，因稳定性问题发生的事故也不在少数。

鱼鹰(V-22)作为一种倾转旋翼机，能够完成几乎直升机所能够完成的所有任务；而由于其巡航性能与固定翼飞机相近，巡航速度快，航程远、有效载荷大，飞机机动性很好，十分有利于执行既缺乏起降条件又有较大控制范围要求的应急任务。虽然鱼鹰能够满足垂直起降和高效高速巡航能力的要求，但是也存在一些致命问题。为了减小巡航时的迎风阻力，鱼鹰采用了比一般直升机的桨径小的螺旋桨，在飞机垂直下降过程中，一旦下降速度超过一定值就很容易进入“涡流环”状态，螺旋桨发生失速，大多数的鱼鹰坠机事故都是这个原因。

F-35B战斗机是短距/垂直起降型，采用涵道风扇垂直推力系统实现垂直起降，在垂直起降过程中，通过滚转控制喷管差动地打开或关闭来实现滚转控制，通过矢量喷管的偏转实现偏航控制，通过涵道风扇和发动机的推力分配调节实现俯仰控制。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有的技术缺陷，提供一种电动涵道风扇及电动垂直起降混合翼小型载人飞机，在涵道筒体的内部装设有隔音棉，可有效减弱该涵道风扇在传播时的噪音，大大的减少了飞行器飞行时所产生的噪音污染；另外该电动垂直起降混合翼小型载人飞机，将传统固定翼飞行器的高效巡航能力和旋翼机的任意场地垂直起降能力相结合，不仅能够实现复杂条件下的快速起降，而且能够高效地执行飞行任务，在海岛、山地、城市等无固定起降场地的特殊条件下，完成较大范围的空中运输服务，并且实现零碳排放。

第一方面，为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电动涵道风扇，包括中间具有涵道的涵道筒体、设于涵道中间的电机以及与电机传动连接的螺旋桨，所述涵道筒体的内部设有中空的腔体，所述腔体内间隔设有若干环绕所述涵道设置的隔音棉。

进一步的，所述电机通过支架固定于所述涵道筒体上。

第二方面，提供了一种具有上述电动涵道风扇的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，包括：

机身，所述机身的内部设有供人乘坐的客舱；

两个机翼，对称设于所述机身的两侧；

三个带轮子的起落架，通过三角分布的方式转动设于所述机身的底部；

两个倾转涵道风扇，分别转动安装于两个机翼上，且两个倾转涵道风扇在两个机翼上的位置对称设置；所述倾转涵道风扇可在提供垂直升力的水平位置和提供水平推力的竖直位置之间进行转动；

一个升力涵道风扇，水平嵌入安装在所述机身的头部；

涵道罩，安装在所述升力涵道风扇的上部和/或下部，并可相对所述升力涵道风扇打开或关闭；

其中，所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇均为如上述所述的电动涵道风扇。

进一步的，所述电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括设于所述机身内的动力装置，所述动力装置包括为所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇供电的储能电池和氢燃料电池系统，所述氢燃料电池系统包括反应堆以及至少一个与反应堆连通的储氢罐，所述储能电池分别与所述反应堆和电机电连接。

进一步的，所述电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括设于所述机身内的两个第一驱动装置和一个第二驱动装置，两个第一驱动装置分别用于驱动两个所述倾转涵道风扇进行转动，所述第二驱动装置用于驱动所述涵道罩的打开或关闭，且所述第一驱动装置和第二驱动装置分别与所述储能电池电连接。

进一步的，所述第一驱动装置包括与所述储能电池电连接的驱动电机以及与驱动电机传动连接的蜗轮蜗杆减速机，所述蜗轮蜗杆减速机通过传动杆与所述倾转涵道风扇传动连接。

进一步的，所述动力装置还包括控制器和与控制器电连接的升压DC-DC 转换器，所述升压DC-DC转换器分别与所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇电连接，所述控制器分别与所述储能电池和反应堆电连接。

进一步的，所述电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括为所述储能电池充电的太阳能充电器以及设于所述机身表面的太阳能薄膜电池，所述太阳能薄膜电池与太阳能充电器电连接。

进一步的，所述机身的头部还设有驾驶舱，所述驾驶舱内设有控制台和飞行控制系统，所述飞行控制系统用于控制所述氢燃料电池系统、倾转涵道风扇、升力涵道风扇和涵道罩的工作状态。

进一步的，所述机身的尾部上端设有用于容纳降落伞的伞舱。

进一步的，所述储氢罐为超高压碳纤储氢罐。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型中的电动涵道风扇在涵道筒体的内部装设有隔音棉，可有效减弱该涵道风扇在传播时的噪音，当涵道内的螺旋桨开始旋转时，叶片产生的噪音会向四周扩散，当声波通过涵道筒体内部具有多纤维结构的隔音棉时，会经过无数纤维的反射、相互叠加和碰撞，声波能量转化为热能，声波强度减弱，最终声音消失，只有风口会有噪音传出，大大的减少了飞行器飞行时所产生的噪音污染。

另一方面提供的电动垂直起降混合翼小型载人飞机除了具有上述降低噪音的效果外，还通过采用氢燃料电池系统作为提供电能的装置，氢燃料电池启航加速快，充氢时间短，续航里程大，能量密度及功率密度均具有更优异性能优势，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其原理是将氢气和氧气发生反应来供能，最后化成水排放到外部，氢燃料电池有着污染小、噪声低、效率高的特点；采用的储氢罐，可以通过充气或者直接更换储氢罐的方式进行加氢，充气的便捷和高效有效降低了运营成本。

另外该飞机使用了垂直起降固定翼的构型，大展弦比机翼和优化的气动布局，让它在有条件的机场短距离滑翔起降，使该电动垂直起降混合翼小型载人飞机具备垂直起降和滑翔起降两种起降方式，以适应不同的场地需求，当加氢站设定在郊区机场，并在机场建设有短距离跑道时，优选使用滑翔起降，降低能耗；在城市中心的机场，优选使用垂直起降，降低对场地的要求，另外可将氢气储存在可直接运送到飞机上的标准化可再填充储氢罐中进行直接罐体更换；还在机身表面设置太阳能薄膜电池，作为氢燃料电池系统的补充，除了零碳排放和环保，能源支出成本可降低25％以上。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为实施例中电动涵道风扇的分解示意图；

图2为实施例中电动涵道风扇局部的剖视图；

图3为实施例2中电动垂直起降混合翼小型载人飞机巡航时的示意图；

图4为实施例2中电动垂直起降混合翼小型载人飞机垂直起降时的示意图；

图5为实施例2中电动垂直起降混合翼小型载人飞机的顶部透视图；

图6为实施例2中电动垂直起降混合翼小型载人飞机的底部透视图；

图7为实施例2中动力装置的分解示意图；

图8为实施例2中动力装置与倾转涵道风扇连接的示意图；

图9为实施例2中第一驱动装置与倾转涵道风扇连接的示意图；

图10为在一具体实施例中在机身上铺设太阳能薄膜电池的示意图；

图11为在一具体实施例中在机身上设置伞舱的示意图；

图12为在一具体实施例中降落伞打开后的示意图。

具体实施方式

为了更充分的理解本实用新型的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步介绍和说明；需要说明的是，正文中如有“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的部件等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

涵道风扇是一种在自由螺旋桨的外围设置涵道的推进装置，具有比自由螺旋桨效率更高，噪音更小的优点。由于涵道风扇的叶尖与涵道的间隙非常小，相比与自由螺旋桨，涵道风扇运转时叶尖形成的翼尖涡流会少许多，诱导阻力更小，动力效率更大，在同样功率消耗下,涵道风扇较同样直径的孤立螺旋桨,会产生更大的推力，更小的诱导阻力会减少涵道风扇叶片对外界气流产生冲击造成的噪声。

如图1至图2所示，本实施例所示的一种电动涵道风扇1，包括中间具有涵道10的涵道筒体11、设于涵道10中间的电机12以及与电机12传动连接的螺旋桨13，电机12通过十字型的支架16固定于涵道筒体11上，涵道筒体11的内部环设有中空的腔体14，腔体14内间隔设有若干环绕涵道10 设置的隔音棉15；通过装设的隔音棉，可有效减弱该涵道风扇在传播时的噪音，当涵道内的螺旋桨开始旋转时，叶片产生的噪音会向四周扩散，当声波通过涵道筒体内部具有多纤维结构的隔音棉时，会经过无数纤维的反射、相互叠加和碰撞，声波能量转化为热能，声波强度减弱，最终声音消失，只有风口会有噪音传出，大大的减少了飞行器飞行时所产生的噪音污染。

实施例2

如图1至图9所示，本实施例所示的一种具有上实施例1所述的电动涵道风扇的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，包括机身2、两个一体成型并对称分设于机身2中部两侧的机翼3、三个通过前一后二呈三角分布的方式转动设于机身2底部并带有轮子的起落架30、两个倾转涵道风扇4和一个升力涵道风扇5；其中，倾转涵道风扇和升力涵道风扇均为如实施例1所述的电动涵道风扇，从而可有效降低该飞机在飞行时所产生的噪音污染。

在机身的尾部上端设有一垂直尾翼20，在机身2的内部设有供人乘坐的客舱21、驾驶舱22和放置行李的行李舱28，在客舱21中设有多个乘客座椅 23，在机身的两侧设有供客舱向外观察的透明窗户24，在机身的一侧还设有供乘客进出的舱门25；在机翼3的后侧设有一曲线形风扇凹槽31，两个倾转涵道风扇分别转动安装于两个机翼上的曲线形风扇凹槽31内，且两个倾转涵道风扇4在两个机翼上的位置沿机身的中轴线对称设置，倾转涵道风扇4可在提供垂直升力的水平位置和提供水平推力的竖直位置之间进行转动，升力涵道风扇5水平嵌入安装在机身2的头部，从而在倾转涵道风扇4处于水平状态时，与升力涵道风扇配合实现该载人飞机的垂直起降，或者只启用两个倾转涵道风扇4并使其位于竖直状态时，与起落架30配合，实现该载人飞机的滑翔起降，以适用不同的场地需求，另外还可通过调整两个倾转涵道风扇和升力涵道风扇的倾转角度和推力等变化，提供倾转力矩，实现俯仰控制和飞行方向的调节，从而达到改变飞行姿态的目的；其中，在飞机起降时向下转动放下起落架，而在巡航时向上转动收起起落架。

具体的，还在升力涵道风扇5的上部和下部均安装有用于封闭其涵道的涵道罩6，即涵道罩可相对升力涵道风扇5打开或关闭，在垂直起降阶段时涵道罩6打开(如图4所示)，使气流通过，水平飞行阶段时涵道罩6关闭 (如图3所示)，无气流通过，从而在飞机巡航过程中可有效降低飞机飞行时风阻，提高效率和续航里程。

上述中，该电动垂直起降混合翼小型载人飞机的整体外形构成结构固定且简单的非对称Y3涵道气动布局，大展弦比机翼和优化的气动设计让它有条件根据情况切换垂直起降或固定翼滑翔起降模式，增强续航能力；采用电动涵道风扇作为推进器，则因为涵道风扇能够以相比于开放螺旋桨更小的尺寸产生更大的推力，可在满足垂直起降的推力需求的前提下有效减小巡航时的迎风阻力，两个可倾转矢量的倾转涵道风扇和一个固定的升力涵道风扇同时提供升力实现垂直起降，且驱动使用降噪、高性能的电动涵道风扇使飞行更稳定、高效。

本实施例中，该电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括设于机身2内的动力装置，动力装置包括为倾转涵道风扇4和升力涵道风扇5供电的储能电池7和氢燃料电池系统，氢燃料电池系统包括反应堆71以及至少一个与反应堆71连通的储氢罐72，储能电池7分别与反应堆71和三个涵道风扇上的电机电连接，储氢罐72用于储存氢气并为反应堆4供给氢气，从而氢气在反应堆中与空气中的氧气混合后发生化学反应产生电能，并将电能传输至储能电池中储存并驱动电机和螺旋桨转动，避免电能浪费；采用氢燃料电池系统作为提供电能的装置，具有能量转换率高和节能环保的优势，氢燃料电池系统排放物只有水；另外加氢时间短，续航里程长，燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机相比，摆脱了马达的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小；采用的储氢罐，可以通过充气或者直接更换储氢罐的方式进行加氢，充气的便捷和高效有效降低了运营成本。

本实施例中，该电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括设于机身1内的两个左右对称设置的第一驱动装置和一个第二驱动装置(图中未示出)，两个第一驱动装置分别用于一一对应驱动两个倾转涵道风扇4进行转动，第二驱动装置用于驱动涵道罩6的打开或关闭，且第一驱动装置和第二驱动装置分别与储能电池7电连接。

如图9所示，第一驱动装置包括与储能电池7电连接的驱动电机81以及与驱动电机81传动连接的蜗轮蜗杆减速机82，蜗轮蜗杆减速机82通过传动杆83与倾转涵道风扇4传动连接，从而通过驱动电机来驱动两个倾转涵道风扇4进行倾转转动工作状态。

具体的，动力装置还包括控制器74和与控制器74电连接的升压DC-DC 转换器73，升压DC-DC转换器分别与倾转涵道风扇4和升力涵道风扇5电连接，控制器74分别与储能电池7和反应堆71电连接；利用控制器控制氢燃料电池系统、倾转涵道风扇和升力涵道风扇的工作，利用升压DC-DC转换器来调节输出的电压大小。

在一具体的实施案例中，在驾驶舱22内设有控制台(控制台)26和飞行控制系统27，用于控制氢燃料电池系统、倾转涵道风扇、升力涵道风扇和涵道罩的工作状态；具体的，飞行控制系统与控制器电连接，以控制电能的产生、输入和输出，在储能电池储存的电量低于设定值时，飞行控制系统控制氢燃料电池系统工作产生电能，并将产生的电能输入到储能电池；该飞行控制系统还与各驱动装置和飞机上的其它电气设备电连接，以通过控制各驱动装置和电气设备的工作状态；另外，该飞行控制系统还用于在起飞、巡航、降落等阶段全自主对飞机的动力系统、安全系统等起到协同控制，同时与飞机上的其它电气设备(如惯性测量单元(IMU)、气压计、磁罗盘等航电元器件)共同组成自动智能飞行控制系统，并在飞机飞行过程中，飞控感知飞行器的飞行高度、速度、角度及位置信息，按照预先设定好的飞行计划或临时接收的飞行指令，控制飞行器的不同系统做出相应的动作，对于固定翼状态是调整舵面等，对于多旋翼状态是调整各个涵道风扇的输出功率等，从而达到改变飞行姿态的目的，最大程度避免了飞行员操作失误引发的紧急情况。

在一具体的实施案例中，如图7和图10所示，该电动垂直起降混合翼小型载人飞机还包括为储能电池7充电的太阳能充电器75以及铺设于机身2 表面的太阳能薄膜电池9，太阳能薄膜电池9与太阳能充电器75电连接，用于通过将太阳能转化为电能并为储能电池进行充电；其中，该太阳能薄膜电池9为柔性三结砷化镓太阳能电池，采用MOCVD逆向外延生长方法，生长倒装GaInP/GaAs双结子电池及GaInP/GaAs/Graded Buffer/GaInAs三结IMM 外延结构；采用IMM更加合理的分割太阳光谱，优化各子电池的电流匹配，减少电池的热能损失，增加开路电压；通过外延层Epitaxial layer剥离技术，将电池转移到柔性衬底上，可大幅度降低电池自重(预计10倍以上)，提高电池单位重量输出功率，产品光电转换效率高(35％+)，柔性可弯曲，体积小，功重比高；当阳光照到太阳能电池，光电二极管就会产生电流，把太阳的光能变成电能，并储存在锂电池以备使用。

在一具体的实施案例中，如图11所示，机身2的尾部上端设有用于容纳降落伞100的伞舱28；该降落伞为弹道降落伞，通过在飞机的顶部放置一个足够大小的弹道降落伞，当飞行控制系统发现飞行器出现失火，电路短路等问题而导致了涵道风扇无法运行以支持飞行器到达目的地，或者出现坠机的风险时，飞行器会打开弹道降落伞(如图12所示)，控制可运作的涵道风扇对飞行器进行减速以保证飞行器能安全迫降，同时通过远程网络发送求助信息。

于其它实施例中，储氢罐为超高压碳纤储氢罐，具有安全防爆的特点。

于其它实施例中，机身和机翼采用碳纤复合材料，具有强度高和重量轻的特点。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种电动涵道风扇，包括中间具有涵道的涵道筒体、设于涵道中间的电机以及与电机传动连接的螺旋桨，其特征在于，所述涵道筒体的内部设有中空的腔体，所述腔体内间隔设有若干环绕所述涵道设置的隔音棉。

2.根据权利要求1所述的电动涵道风扇，其特征在于，所述电机通过支架固定于所述涵道筒体上。

3.一种电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，包括：

机身，所述机身的内部设有供人乘坐的客舱；

两个机翼，对称设于所述机身的两侧；

三个带轮子的起落架，通过三角分布的方式转动设于所述机身的底部；

两个倾转涵道风扇，分别转动安装于两个机翼上，且两个倾转涵道风扇在两个机翼上的位置对称设置；所述倾转涵道风扇可在提供垂直升力的水平位置和提供水平推力的竖直位置之间进行转动；

一个升力涵道风扇，水平嵌入安装在所述机身的头部；

涵道罩，安装在所述升力涵道风扇的上部和/或下部，并可相对所述升力涵道风扇打开或关闭；

其中，所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇均为如权利要求1或2所述的电动涵道风扇。

4.根据权利要求3所述的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，还包括设于所述机身内的动力装置，所述动力装置包括为所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇供电的储能电池和氢燃料电池系统，所述氢燃料电池系统包括反应堆以及至少一个与反应堆连通的储氢罐，所述储能电池分别与所述反应堆和电机电连接。

5.根据权利要求4所述的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，还包括设于所述机身内的两个第一驱动装置和一个第二驱动装置，两个第一驱动装置分别用于驱动两个所述倾转涵道风扇进行转动，所述第二驱动装置用于驱动所述涵道罩的打开或关闭，且所述第一驱动装置和第二驱动装置分别与所述储能电池电连接。

6.根据权利要求5所述的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，所述第一驱动装置包括与所述储能电池电连接的驱动电机以及与驱动电机传动连接的蜗轮蜗杆减速机，所述蜗轮蜗杆减速机通过传动杆与所述倾转涵道风扇传动连接。

7.根据权利要求6所述的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，所述动力装置还包括控制器和与控制器电连接的升压DC-DC转换器，所述升压DC-DC转换器分别与所述倾转涵道风扇和升力涵道风扇电连接，所述控制器分别与所述储能电池和反应堆电连接。

8.根据权利要求7所述的电动垂直起降混合翼小型载人飞机，其特征在于，还包括为所述储能电池充电的太阳能充电器以及设于所述机身表面的太阳能薄膜电池，所述太阳能薄膜电池与太阳能充电器电连接。

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