TWI608858B - 彈射折翼無人飛機裝置及方法 - Google Patents

Description

彈射折翼無人飛機裝置及方法

本發明係關於一種攜帶便利可快速起飛之可折收固定翼無人飛機裝置；特別關於一種可折主機翼之飛機，以及利用水火箭發射起飛裝置。

習知先期固定翼無人飛機需要在地面跑道動力加速，以獲得足夠速度後方能產生升力帶動飛機重量起飛，因此必須具備機場跑道方能起飛。同時，固定翼飛機之主機翼翼展必須有一定長度以獲得足夠之升力，但因為主機翼翼展過大，不易攜帶搬運且容易折傷，不具機動性。

已知的固定翼飛機飛行模式限於數項理論功能：飛機在一定重量飛行時必須獲得比本身重量大之升力，飛機升力公式為L=W=0.5 ρ AC_LV²(L=升力、W=飛機重量、ρ=空氣密度、A=機翼面積、C_L=升力係數、V=飛行速度)。飛機必須有空氣密度之相對風下飛行、足夠機翼升力面積、產生升力之翼型與機翼與相對風之攻角統稱為升力係數，以及與飛行速度的平方乘積比率。然而，飛機起飛前飛機與相對風之風速為零，若飛機需飛行起飛時必須從零速度加速至大於飛機重量升力起之飛速度方能離地飛 行。因此，飛機起飛必須在一定長度之跑道加速起飛，同時固定翼飛機起飛時必須具有足夠展開之相對風機翼面積、一定之飛行攻角及足夠之空氣密度方能起飛。此外，該習知技術之固定翼之飛機因為有較長之機翼翼展寬度，攜帶不易，較不具機動性。最後，該習知技術之飛機裝置工作起飛需一定長度之飛機跑道加速至可以提起飛機重量知飛行速度，跑道之位置及場所限制飛機之起飛條件；同時必須顧及飛機機翼翼展大攜帶及儲存空間不易。

因此，需要發展一成本低，能提供可攜帶式隨時隨地飛機起飛之發射加速安全加壓水火箭裝置；以及可折式飛機主翼及起飛後展開飛機主翼的機構。其不僅能提高飛機起飛機動性、攜帶性，並兼具安全性、輕量化、亦可減少飛機起飛跑道之需求。

依據本發明一觀點，提出一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含具有一瓶口的一瓶身、一氣壓源以及一導管。該瓶身裝載一液體；該氣壓源提供一高壓氣體；該導管具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口，其中該第一端口透過該瓶口配置於該瓶身之中，該第二端口連接於該氣壓源，當該飛行器處於一起飛過程中，該導管引導一推進方向，且當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身脫離該飛行器。

依據本發明之另一觀點，提出一種使用拋棄式一飛行器推進裝置起飛的方法，包含下列步驟：提供一飛行器；提供 具有一開口的一瓶身；在該瓶身中配置一液體；提供一導管，該導管具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口；將該導管之該第一端口穿過該開口配置於該瓶身之中；提供一氣壓源，其中該氣壓源供應一高壓氣體；將該第二端口連接於該氣壓源；將該瓶身配置於該飛行器；啟動該氣壓源；當該飛行器處於一起飛過程中，由該導管引導一發射方向；以及當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身受風阻而脫離該飛行器。

依據本發明之另一觀點，提出一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含：一瓶體、一氣壓源和一導管。該瓶體具有一瓶口及一瓶身，並裝載一液體；該氣壓源提供一高壓氣體；該導管將該高壓氣體導入該瓶身，且引導該飛行器之起飛方向。

該裝置係利用空氣壓力加速水火箭推動飛機加速獲得起飛速度而起飛，起飛同時利用彈簧力量展開飛機主機翼。本發明是經濟、攜帶便利、以及無須跑道起飛之固定機翼無人飛機。

1‧‧‧機身

2‧‧‧機身上下固定主翼蓋板

3‧‧‧機尾段

4‧‧‧主機翼

5‧‧‧主襟翼

6‧‧‧垂直尾翼

7‧‧‧垂直尾舵

8‧‧‧水平尾翼

9‧‧‧水平尾舵

10‧‧‧螺槳

11‧‧‧螺槳整流罩

12‧‧‧主翼支撐塊

13‧‧‧主翼轉軸

14‧‧‧主翼轉動連桿

15‧‧‧主翼轉動彈簧

16‧‧‧主翼轉動路徑

17‧‧‧壓力瓶體

18‧‧‧發射鎖勾

19‧‧‧發射鎖控制環

20‧‧‧發射導管

21‧‧‧主翼扣環

22‧‧‧發射架導軌

23‧‧‧調壓器

24‧‧‧加壓氣瓶

25‧‧‧水火箭推進座

26‧‧‧導軌托架

30‧‧‧加壓氣體

31‧‧‧液體

171‧‧‧壓力瓶身

172‧‧‧瓶口

本案得藉由下列圖式之詳細說明，俾得更深入之瞭解：第1圖係依據本發明一實施例之折翼無人飛機彈射裝置的示意圖；第2圖係本發明的飛行器起飛推進裝置的一實施例示意圖；第3A-3D圖是一組示意圖，顯示本發明使用拋棄式飛行器推進裝置起飛的一實施例； 第4A-4C圖是一組示意圖，顯示本發明可折固定翼無人飛機裝置的一實施例。

本發明將可由下列實施例說明而得到充分瞭解，使熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態。

請參閱第1圖，其係依據本發明一實施例之折翼無人飛機彈射裝置的示意圖。本發明之無人飛機裝置包括一具螺槳動力之遙控固定翼飛機包含機身1及機尾段3、機身上下固定主翼蓋板2、一對彈簧力量展開之可折式主機翼4、以及主翼回折機構包含：主翼轉軸13、主翼轉動連桿14和主翼轉動彈簧15。飛機起飛前，主翼扣環21配置於主機翼4的外緣以限制其向外伸展，主機翼4各配置一主襟翼5。此外，機尾段3連接垂直尾翼6和水平尾翼8，分別配置有垂直尾舵7和水平尾舵9。機身1預設為提供配置發射推進裝置的位置前方具有水火箭推進座25，用以抵頂配置於其後方的水火箭壓力瓶體17，接收並傳遞來自發射推進裝置的推進力。

飛機彈射裝置包含有：可調角度之發射架導軌22、安裝在發射架導軌22上之水火箭發射鎖勾18及發射鎖勾控制環19，一滑動導軌及一導軌托架26，水火箭壓力瓶體17，發射導管20，加壓氣瓶24及調壓器23。如圖，飛機機身1上下配置有機身上下固定主翼蓋板2，飛機機身1連接到飛機機尾段3，飛機主機翼4可向後折。起飛前，飛機主機翼4向後折收，並以主翼扣環21固定。 飛機機身1裝置於發射架上並連接氣壓彈射水火箭，水火箭由壓力瓶體17、發射導管20，發射鎖勾18、調壓器23及加壓氣瓶24組成。

當水火箭發射鎖控制環19釋放發射鎖勾18，加壓氣體以兩段式噴射水推力推動飛機加速後起飛。飛機沿導軌托架26運動，並釋放主翼扣環21而由主翼轉動彈簧15展開主機翼4，並啟動引擎(未顯示)轉動螺槳10帶動機身1繼續飛行，壓力瓶體17於起飛後因具有風阻構型而自動脫離機身1。飛機折翼可減小體積，並由水火箭推動不需跑道起飛，折翼減少空間便於攜帶，不須飛行跑道增加飛機起飛機動性。

請再參閱第1圖，遙控無人飛機裝置包括：飛機機身1、機身上下固定主翼蓋板2、飛機機尾段3、飛機主機翼4及主襟翼5、飛機垂直尾翼6及垂直尾舵7、飛機水平尾8及水平尾舵9、動力螺槳10及螺槳整流罩11、飛機主翼支撐塊12。飛機是由動力馬達或引擎啟動螺槳後正常飛行，可加速、爬升、轉彎等運動。飛機主機翼4提供主升力並有主襟翼5控制飛機滾轉運動，飛機左右對稱主翼由主翼支撐塊12、主翼轉軸13、主翼轉動連桿14以及主翼轉動彈簧15構成。飛機起飛前由人力將主機翼4以主翼轉軸13為中心向後折收，並前推左右主翼轉動連桿14及拉伸主翼轉動彈簧15張開預力，主機翼後收後由主翼扣環21扣緊。折收主機翼後之飛機與水火箭發射裝置結合，可裝置於輕便箱中收藏及攜帶。

請參閱第2圖，火箭發射導管20一端透過瓶口插入水火箭壓力瓶身17中，並由發射鎖勾18扣緊壓力瓶體17，發射鎖控 制環19可滑動地套設於發射鎖勾18，向前推後可鎖上發射鎖控制環19並扣緊水火箭壓力瓶體17。水火箭壓力瓶體17及其發射裝置以及無人飛機可裝置在可調角度之發射架導軌22上，水火箭壓力瓶身171可選用輕質PET保特瓶材料，內先灌充約0.12倍~0.25倍的液體31(例如水)，並由連接於加壓氣瓶24(如高壓二氧化化碳/氮氣瓶或空壓機空氣)的調壓器23調壓或加壓至40psi~120psi壓力，透過穿過瓶口172的發射導管20傳送加壓氣體30進入壓力瓶身171。起飛發射前可預先調整第1圖中之發射架導軌22至適當發射角度。水火箭藉由推動第1圖中之水火箭推進座25，使飛機獲得向前之推力向前起飛。

請參閱第3A-3D圖，水火箭發射方式是用加壓氣體30推動液體31質量加速以兩段式噴射水向後快速加速運動產生作用推力，並藉由牛頓第三運動定理，水火箭獲得向前之反作用推力，由於水質量約為空氣1000倍，故可產生較大反作用力，反作用推力R=F=m×dv/dt(R=反作用力，F=作用推力，m水質量，v=速度，t=時間)。該推力可持續推動飛機加速向前運動後起飛。為使一定質量之飛機能持續穩定加速向前推進，本發明採用兩段式噴射水方式產生加速作用推力。

如第3A-3C圖所示，壓力瓶體17內插入火箭發射導管20之延伸部分，發射初期發射導管20可導入加壓汽體30於水火箭壓力瓶身171內。發射前發射鎖控制環19前推鎖上發射鎖勾18並扣緊水火箭壓力瓶。如第3B圖所示，當水火箭發射鎖控制環19後拉 並釋放發射鎖勾18後，加壓氣體30推動壓力瓶身內的液體31經由發射導管的外徑和壓力瓶體17的瓶口172內徑之間的出口噴出，發射導管20外徑小於壓力瓶體17的瓶口172內徑，管徑間保留可噴出水之出口面積及噴嘴形狀，因噴嘴面積為漸縮致使高壓水質量被後方壓力空氣推動加速噴出。

如第3C圖所示，第一階段噴水方式，由水火箭壓力瓶與發射導管間出口噴射水推進並延著發射導管加速，因出口面積較小可產生較快噴水速度以小排水量產生較大推力，壓力瓶體17並可以由發射導管20持續補充氣壓而維持推力，水火箭壓力瓶體17並可以固定延著發射導管20的方向前進，以導正發射方向。

如第3D圖所示，當空氣壓力瓶體17脫離發射導管20後已獲得一定之初速度，進入第二階段全壓力瓶出口直徑之大口徑噴射水方式，持續噴水產生大水量加速之作用推力，直到水火箭壓力瓶體17內的液體31用盡。

起飛前，無人飛機及水火箭裝置均安裝於可調角度之發射架導軌22上，調整整體飛機適當發射角度，加入水火箭適當水，以及由壓力瓶填充水火箭空氣壓力後等待發射。水火箭是藉發射鎖控制環19後拉釋放發射鎖勾18後，加壓氣體30推動下方液體31噴射推進，以兩段式噴射水推力推動水火箭推進座，飛機加速後起飛。飛機沿第1圖中之導軌托架26運動，並釋放主翼扣環由彈簧展開主翼並啟動引擎離地起飛，第2圖中之壓力瓶身171的構型使得壓力瓶體17受到較大的風阻，於起飛用盡水後因失去推 力及風阻而自動脫離。飛機離開發射架導軌22後之瞬間或起飛前由人工遙控啟動飛機馬達協助加速飛機起飛，以及持續提供起飛後飛行操作運動動力。

如第4A圖所示，無人飛機主機翼4提供飛機升力，飛機機身1連接左右折收主機翼4，其裝置包括：飛機機身1、機身上下固定主翼蓋板2、飛機主翼支撐塊12、主機翼4及主襟翼5。起飛前固定翼飛機之左右主翼支撐塊12以主翼轉軸13為中心，延主翼轉動路徑向後折收主翼。起飛前飛機主翼由主翼轉動連桿14及其主翼轉動彈簧15，將機翼折收機構產生彈簧回收拉力。主翼扣環21將左右折收後之主機翼4固定，且主翼扣環21一端固定於第1圖之導軌托架26上。

如第4B圖所示，當水火箭發射鎖控制環19後拉，起動水火箭推力後推動飛機向前運動，同時固定於導軌托架26上之主翼扣環21即可滑動鬆脫解鎖。在飛機離開導軌時，機翼折收機構之主翼轉動彈簧15提供拉力帶動由一對主翼轉軸13、主翼支撐塊12和主翼轉動連桿14所構成的對稱的四連桿機構，將左右主機翼4向外展開。圖中虛線顯示以主翼轉軸13為軸的主翼轉動路徑16。

如第4C圖所示，當主機翼4展開時，左右主翼轉動連桿14會因為主翼轉動彈簧15回收的拉力及慣性力拉至止檔位置，左右主翼轉動連桿14與主機翼4會呈一直線及被拉過機械中心產生自鎖效應。飛機主翼支撐塊12夾接於機身上下固定主翼蓋板2 中，由飛機主翼轉軸13及主翼轉動連桿14固定機翼結構，展開後之固定主機翼4可由線控伺服馬達控制主襟翼5作可操縱之飛行運動。

實施例

1.一種可折主翼飛機裝置，該飛機包括：一螺槳動力飛機機身及機尾段，可折飛機主機翼，機身上下固定主翼夾板，飛機主翼支撐塊，飛機主翼轉軸，主翼轉動連桿，主翼轉動彈簧，主翼回收扣環。

2.一種可協助飛機起飛之兩段式噴嘴加壓水火箭及其發射機構，包括：水火箭壓力瓶，水火箭發射鎖勾，水火箭發射鎖控制環，水火箭發射導管，氣體加壓及調壓機構，可調角度之發射架導軌。

3.如上述實施例之可折主翼飛機裝置，其中用以四連桿控制左右二對稱可折主翼，主翼起飛前呈現向後折縮狀態位置，並以一條彈簧或彈性繩帶連接至中心連桿呈預力張開狀態，兩主翼尖以主翼回收扣環固定防止展開。當飛機發射起飛後回收扣環向後拉出離開解鎖，兩主翼可由彈簧拉繩預力展開機翼，機翼完全展開後，四連桿並以機械過中心自鎖固定機翼於展開飛行位置。

4.如上述實施例之水火箭及其發射機構裝置，本發明採用兩段式噴射水方式產生加速作用推力：水火箭壓力瓶內插入水火箭發射導管，壓力瓶加入水且發射導管導入高壓空氣於水火箭壓力瓶內。第一階段噴水方式，由水火箭壓力瓶與發射導管間出口高壓 噴射水，水火箭延著發射導管加速。第二階段為水火箭離開發射導管後，以全壓力瓶出口直徑之噴射水方式噴射推進。

5.如上述實施例之水火箭及其發射機構裝置，飛機可於發射導管及可調角度之發射架導軌上穩定由水火箭推動噴射加速起飛，起飛後水火箭自動脫離。

6.一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含：具有一瓶口的一瓶身，並裝載一液體；一氣壓源，提供一高壓氣體；以及一導管，具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口，其中該第一端口透過該瓶口配置於該瓶身之中，該第二端口連接於該氣壓源，當該飛行器處於一起飛過程中，該導管引導一推進方向，且當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身脫離該飛行器。

7.如實施例6的裝置，更包含：一發射鎖，配置於該開口處，其中該開口具有一內徑，該導管具有一外徑，且該內徑大於該外徑；以及一發射鎖控制環，可滑動地套設於該發射鎖，俾使該發射鎖處於一閉鎖狀態和一開鎖狀態的其中之一。

8.如實施例6或7所述的裝置，其中該液體包括水，該氣壓源為一高壓氣瓶和一空壓機其中之一，且該高壓氣體包括空氣、二氧化碳或氮氣。

9.如實施例6或7的裝置，其中該飛行器包含：一機身，具有相對的一第一側和一第二側以及一固定點； 一第一主翼，樞接配置於該第一側；一第二主翼，樞接配置於該第二側；一第一連桿；一第二連桿；以及一彈性元件，其中該第一連桿的一端樞接配置於該第一主翼，另一端和該第二連桿的一端樞接，該第二連桿未樞接於該第一連桿的另一端樞接配置於該第二主翼，該彈性元件的一端連接於該第一連桿和該第二連桿樞接處，且該彈性元件的另一端連接於該固定點。

10.一種使用拋棄式一飛行器推進裝置起飛的方法，包含下列步驟：提供一飛行器，提供具有一開口的一壓力瓶身；在該瓶身中配置一液體；提供一導管，該導管具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口；將該導管之該第一端口穿過該開口配置於該瓶身之中；提供一氣壓源，其中該氣壓源供應一高壓氣體；將該第二端口連接於該氣壓源；將該瓶身配置於該飛行器；啟動該氣壓源；當該飛行器處於一起飛過程中，由該導管引導一發射方向；以 及當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身受風阻而脫離該飛行器。

11.如實施例10的方法，更包括下列步驟： 將一發射鎖配置於該開口處；以及將一發射鎖控制環可滑動地套設於該發射鎖，俾使該發射鎖處於一閉鎖狀態和一開鎖狀態的其中之一，其中當該發射鎖處於該閉鎖狀態時，該發射鎖封住該開口與該導管之間的一間隙，而當該發射鎖處於該開鎖狀態時，該液體受到該高壓氣體的推擠而通過該間隙。

12.一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含：一瓶體，具有一瓶口及一瓶身，並裝載一液體；一氣壓源，提供一高壓氣體；以及一導管，將該高壓氣體導入該瓶身，且引導該飛行器之起飛方向。

本案雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本案的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內所作之變動與修飾，皆應屬本案之涵蓋範圍。

1‧‧‧機身

2‧‧‧機身上下固定主翼蓋板

3‧‧‧機尾段

4‧‧‧主機翼

5‧‧‧主襟翼

6‧‧‧垂直尾翼

7‧‧‧垂直尾舵

8‧‧‧水平尾翼

9‧‧‧水平尾舵

10‧‧‧螺槳

11‧‧‧螺槳整流罩

12‧‧‧主翼支撐塊

13‧‧‧主翼轉軸

14‧‧‧主翼轉動連桿

15‧‧‧主翼轉動彈簧

16‧‧‧主翼轉動路徑

17‧‧‧壓力瓶體

18‧‧‧發射鎖勾

19‧‧‧發射鎖控制環

20‧‧‧發射導管

21‧‧‧主翼扣環

22‧‧‧發射架導軌

23‧‧‧調壓器

24‧‧‧加壓氣瓶

25‧‧‧水火箭推進座

26‧‧‧導軌托架

Claims (9)

1. 一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含：具有一瓶口的一瓶身，並裝載一液體；一氣壓源，提供一高壓氣體；以及一導管，具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口，其中該第一端口透過該瓶口配置於該瓶身之中，該第二端口連接於該氣壓源，當該飛行器處於一起飛過程中，該導管引導一推進方向，且當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身脫離該飛行器，其中，該飛行器包括：一機身，具有相對的一第一側和一第二側以及一固定點；一第一主翼，樞接配置於該第一側；一第二主翼，樞接配置於該第二側；一第一連桿；一第二連桿；以及一彈性元件，其中該第一連桿的一端樞接配置於該第一主翼，另一端和該第二連桿的一端樞接，該第二連桿未樞接於該第一連桿的另一端樞接配置於該第二主翼，該彈性元件的一端連接於該第一連桿和該第二連桿樞接處，且該彈性元件的另一端連接於該固定點。
2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包含：一發射鎖，配置於該瓶口處，其中該瓶口具有一內徑，該導管具有一外徑，且該內徑大於該外徑；以及 一發射鎖控制環，可滑動地套設於該發射鎖，俾使該發射鎖處於一閉鎖狀態和一開鎖狀態的其中之一。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的裝置，其中該液體包括水，且該高壓氣體包括空氣、二氧化碳或氮氣。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述的裝置，其中該氣壓源為一高壓氣瓶和一空壓機其中之一。
5. 一種使用拋棄式一飛行器推進裝置起飛的方法，包含下列步驟：提供一飛行器，提供具有一開口的一壓力瓶身；在該瓶身中配置一液體；提供一導管，該導管具有一第一端口和相對於該第一端口的一第二端口；將該導管之該第一端口穿過該開口配置於該瓶身之中；提供一氣壓源，其中該氣壓源供應一高壓氣體；將該第二端口連接於該氣壓源；將該瓶身配置於該飛行器；啟動該氣壓源；當該飛行器處於一起飛過程中，由該導管引導一發射方向；以及當該瓶身已無助飛效應時，該瓶身受風阻而脫離該飛行器，其中，該飛行器包括：一機身，具有相對的一第一側和一第二側以及一固定點； 一第一主翼，樞接配置於該第一側；一第二主翼，樞接配置於該第二側；一第一連桿；一第二連桿；以及一彈性元件，其中該第一連桿的一端樞接配置於該第一主翼，另一端和該第二連桿的一端樞接，該第二連桿未樞接於該第一連桿的另一端樞接配置於該第二主翼，該彈性元件的一端連接於該第一連桿和該第二連桿樞接處，且該彈性元件的另一端連接於該固定點。
6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，更包括下列步驟：將一發射鎖配置於該開口處；以及將一發射鎖控制環可滑動地套設於該發射鎖，俾使該發射鎖處於一閉鎖狀態和一開鎖狀態的其中之一，其中當該發射鎖處於該閉鎖狀態時，該發射鎖封住該開口與該導管之間的一間隙，而當該發射鎖處於該開鎖狀態時，該液體受到該高壓氣體的推擠而通過該間隙。
7. 如申請專利範圍第5或6項所述的方法，其中該液體包括水，且該高壓氣體包括空氣、二氧化碳或氮氣。
8. 如申請專利範圍第5或6項所述的方法，更包含下列步驟：將一氣壓閥配置於該第二端口和該氣壓源之間，以控制該高壓氣體之一流量。
9. 一種脫卸式飛行器起飛推進裝置，係配置於一飛行器上，包含： 一瓶體，具有一瓶口及一瓶身，並裝載一液體；一氣壓源，提供一高壓氣體；以及一導管，將該高壓氣體導入該瓶身，且引導該飛行器之起飛方向，其中，該飛行器包括：一機身，具有相對的一第一側和一第二側以及一固定點；一第一主翼，樞接配置於該第一側；一第二主翼，樞接配置於該第二側；一第一連桿；一第二連桿；以及一彈性元件，其中該第一連桿的一端樞接配置於該第一主翼，另一端和該第二連桿的一端樞接，該第二連桿未樞接於該第一連桿的另一端樞接配置於該第二主翼，該彈性元件的一端連接於該第一連桿和該第二連桿樞接處，且該彈性元件的另一端連接於該固定點。