CN106800091A - 气球辅助悬浮的固定翼飞机 - Google Patents

Abstract

气球辅助悬浮的固定翼飞机综合飞艇和固定翼飞机的特征，采用固定翼飞机执行巡航飞行，到达目标上方后弹出气球执行悬浮飞行，逐渐排空气体执行着陆。

Description

气球辅助悬浮的固定翼飞机

技术领域

本发明涉及气球辅助悬停的飞机，属于交通运输、通讯、巡查、监视和娱乐领域。

背景技术

国内外飞机相关技术飞速发展，飞机系统种类繁多、用途广特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度，任务等多方面都有较大差异。由于飞机的多样性，出于不同的考虑会有不同的分类方法：按飞行平台构型分类，飞机可分为固定翼飞机、直升机、浮空飞行器、无人飞艇、伞翼飞机、扑翼飞机等。按用途可分为侦察飞机、诱饵飞机、电子对抗飞机、通信中继飞机、无人机、靶机、巡查/监视飞机、农用飞机、气象飞机、勘探飞机以及测绘飞机等。

浮空飞行器是利用轻于空气的气体来提供升力的航空器。根据工作原理的不同，浮空器可分为飞艇、系留气球和热气球等。

固定翼飞机（Fixed-wing aeroplane）简称定翼机，常被再简称为飞机，是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。它是固定翼航空器的一种，也是最常见的一种。飞机按照其使用的发动机类型又可被分为喷气飞机和螺旋桨飞机。

直升机发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中，单旋翼直升机的主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨，机载陀螺仪能侦测直升机回转角度并反馈至尾桨，通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。双旋翼直升机通常采用旋翼相对反转的方式来抵消旋翼产生的不平衡升力。

发明内容

现代飞机的的一个主要发展方向是延长高空长航时间，尤其是在无人机领域。

目前的无人机大部分采用电池供能，由于机身体积和起飞重量的限制，电池容量也有限，飞行时间短，悬浮时间短。多轴旋翼飞机的升力通过旋翼高速运动提供，无论高速飞行、低速飞行或者悬停飞行都需要耗费大量能源，低端的玩具多轴旋翼飞机的连续飞行时间低于10分钟，最高端的民用无人机（大疆悟2 INSPIRE 2）的持续巡航时间也不超过30分钟，如此低的飞行时间根本无法完成巡查和运输工作。提高飞行时间需要提高电池容量或者采用内燃机，花费很大，技术难度大；本专利受到飞艇飞行原理启发，采用弹出浮空气球（1）提供的空气浮力支撑飞行器的重量，或者部分采用这种浮力，形成气球辅助悬浮的固定翼飞行器。可见本专利发明的飞行器在弹出气球或气囊（1）后就是一个飞艇，此时固定翼飞机处于气浮设备的充气状态。相对于水面舰艇和拥堵的地面交通来说，飞艇的速度是相当快的，而且飞艇相比速度更快的飞机在执行监视任务时更具有优势，它可以在目标地域上空悬停很长一段时间，这可使其上搭载的侦察仪器即精确又高效率的探测目标。另外，在低速情况下，飞艇上影像设备可以更容易的探测到小型目标。

但飞艇也有三大缺点：高昂的造价、过低的速度和操控性差。虽然飞艇的使用费用十分的低廉，但其造价却是个天文数字。飞艇的价格一般依据其外形尺寸的大小而不同，例如一个 40 米长的小型软式飞艇的价格约为 200 万美元。如果使用飞艇作为大型运输工具，就注定了其初期建造数量一定不会很多，最初运载货物的成本也将急剧增加。如果抛去其造价，现代工程材料和航空电子设备将使现代飞艇要比其半个世纪前的祖先先进了许多，但其速度仍然是个令人头痛的问题，普通螺旋桨飞机的速度至少是飞艇的 3 倍以上，旋翼直升机的速度是飞艇的2倍。而且飞艇体积庞大，受气流影响很大，基本上只要有气流运动，飞艇就失控处于随波逐流的状态，无法实现主动操作。本发明采用固定翼飞机执行巡航飞行任务，此时气浮设备处于收藏状态，飞机高速飞行，固定翼在空气中水平运动，根据流体力学的“伯努利原理”，机翼上下表面的压力差表现为升力。相比旋翼直升机，固定翼飞机具有飞行高度高、监视面积大、能连续获取信息、无情报“盲区”和操控性好的优点。相比飞艇，气球辅助悬停的固定飞机拥有大功率水平推进器（3），包括螺旋桨、喷气发动机、离子发动机，具有更强大的水平推进力，并且固定机翼（4）包含机翼、襟翼、缝翼、副翼、扰流板、方向舵、升降舵、垂直尾翼、水平安定面，为飞机提供了多种操作控制力，因此具有更强的操控性，即使在强气流中也有一定的操控能力。

可见本发明综合了飞艇和固定翼飞机的特征，高速飞行时为固定翼飞机；到达目的地后（包括起飞、降落时），弹出气球，通过充气阀门（2）填充氢气，转变成飞艇工作，气流扰动小的环境中，飞艇的操作性优于旋翼飞机很多，是理想的悬浮工作方式；需要重新进入高速飞行时，飞机可以采用两种方式转换成为固定翼飞行，一是下达指令脱开气球，此时飞机彻底和气球分开，独自飞行，如果需要再次悬浮工作，通过弹出另一气球，充气，再次转变成飞艇；二是放气后收藏气浮设备，通过放气阀门（5）放空氢气，再通过连接装置（6）回收气浮设备到机舱内，如果需要再次悬浮工作，通过再次弹出气球，再次充气转变成飞艇。

具体实施方式：

本发明主要针对小型救援机和无人巡查机，根据氢气球回收特点设计了两个实例：

实施例1，发生自然灾害时通讯中断，无人机基地可以迅速发射一个气球辅助悬浮的固定翼飞机，飞机起飞方式采用手抛起飞，最大巡航时间为45分钟，临时基站工作时间为24小时，最大起飞重量为5公斤，最大巡航空速为0.5马赫，可以覆盖半径100公里以内的地区。固定翼飞机到达灾害地点上空后弹出气球（1），充入压缩氢气，气球最大悬浮重量5公斤，回收时通过放气阀（5）排空部分氢气，控制飞机缓慢着陆。通过本发明的固定翼飞机搭载通讯转发器，能够在5到30分钟内完成对整个灾区的移动通讯恢复。

实施例2：

无人机执行大型人员密集型公众活动的巡视任务，例如马拉松比赛，开始前2小时在现场附近释放气球辅助悬浮的固定翼飞机，执行巡查任务。固定翼飞机在地面放出飞艇式气囊，压缩氦气充气，气球最大悬浮重量5公斤，起飞方式采用飞艇式的气浮起飞，最大巡航时间为45分钟。在气球辅助悬浮下，最大巡航时间为24小时，最大巡航地速为100km，可以覆盖半径80公里以内的地区。马拉松起跑和结束时，固定翼飞机在氦气球的浮力支持下，低速飞行执行高空巡查任务，发生紧急情况时，飞机松开系留管（6）转变成为固定翼飞机，最大巡航地速为400km，迅速赶到指令地点，如发现异常影像时，飞机弹出第二个气球，再次转变为飞艇飞行方式，执行持续监视工作，回收时通过放气阀（5）排空部分氢气，控制飞机缓慢着陆，地面更换电池和压缩气瓶后可以再次执行任务。通过本发明的固定翼飞机搭载影像设备，就能够在10分钟内巡视一遍公众活动场所，完成约20人的工作。

附图说明：

图1，气球辅助悬浮的固定翼飞机示意图。

Claims (6)

1.气球辅助悬浮的固定翼飞机的特征为：具备气浮设备、固定机翼、水平推进器。

2.权利要求1中，气浮设备包括气囊、气球、充气机身，充入比空气轻的氢气、氦气、氩气、热空气后提供浮力，辅助悬浮固定翼飞机。

3.权利要求1中，气浮设备包括收藏状态、充气状态、脱离状态，在收藏状态下不充气，充气状态为固定翼飞机提供浮力，脱离状态在固定翼飞机的指令下主动离开飞机。

4.权利要求2中，气囊数量包括一个和一个以上。

5.权利要求1中，固定机翼包含机翼、襟翼、缝翼、副翼、扰流板、方向舵、升降舵、垂直尾翼、水平安定面。

6.权利要求1中，水平推进器包括螺旋桨、喷气发动机、离子发动机。