CN108674631A - 在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，属于航空技术领域。将板翼机的平板翼作为下翼，在下翼的上方设置上凸下平翼型的上翼，将若干驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼的高度距离略大于驱动装置的螺旋桨或喷气孔半径，通过驱动装置沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，利用流过下翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，可以提高航空器的升力，并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。具有可充分发挥上翼和下翼的飞行效率，结构合理、工作可靠、安全稳定、成本低廉、飞行效率高等优点。

Description

在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法

技术领域

本发明涉及一种实现航空器垂直起降和飞行的方法，尤其是一种在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，属于航空技术领域。

背景技术

载人航空器可分为固定翼和旋转翼两大类，固定翼常见于水平起降航空器（如喷气式客机），而旋转翼常见于垂直起降航空器（如直升机）。就现有技术水平来说，固定翼航空器可以高速飞行，操作简便，但需依托跑道起降。旋转翼航空器可以垂直起降，不需依托跑道起降，适应性强，但是机理失调，操控复杂，飞行速度慢，燃油效率低。

目前，垂直起降航空器还存在一些无法克服的固有缺陷。一是效率低，现在使用的垂直起降航空器推重比普遍等于甚至大于1，飞行效率低下，与固定翼航空器普遍小于0.5的推重比相比差距十分明显；二是受翼尖绝对速度必须小于音速的限制，旋转翼航空器的理论速度不能超过420公里/小时，飞行速度有极限；三是旋翼桨叶的挥舞产生机械振动，增加了铰链的磨损使可靠性总是不如固定翼航空器，可靠性低；四是两侧旋翼升力不均匀会导致旋转翼航空器发生横滚，在几秒钟内就会倾覆失控，横滚稳定性差；五是直升机的旋翼既提供了飞行的机动性，同时也造成了飞行操控的复杂性，操控复杂，使得操控负荷远远大于固定翼飞机，加大了人为失误的概率；六是旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制，旋翼直径一般最大就是十几米，航空器尺寸受限，无法做大；七是直升机飞行机理内在的协调性差，充满了先天性的矛盾，飞行机理失调；八是很多新型复合式垂直起降航空器尝试采用固定翼，但是面临小面积固定翼效果有限而大面积固定翼会对垂直起降时的下洗气流造成遮挡的矛盾。

总之，垂直起降航空器的上述缺陷来源于机翼既要兼顾垂直起降又要满足水平飞行两种飞行模式而产生的矛盾。而利用翼面弦向吹气的方法实现垂直起降能够很好兼容垂直起降和水平飞行两种飞行模式，是垂直起降航空器新的发展方向，而在板翼机中增设上翼形成双翼结构以安装驱动机构、增强机翼结构刚性并提高航空器升力的方法可以使板翼机机翼更加紧凑、更加稳定、更加合理、更加高效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服板翼机机翼结构刚性不足和弦向吹气气流发散的弊端，提出一种在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，使板翼机机翼更加紧凑、稳定、合理、高效。

为解决上述技术问题，本发明提供一种在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，对于采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的板翼机，在板翼机平板机翼（即下翼）的上方设置上凸下平翼型的上翼、增强机翼的结构刚性并为驱动装置的安装提供便利（即可为驱动装置提供安装的底座），将若干驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼的高度距离略大于螺旋桨或驱动装置的喷气孔半径，通过螺旋桨（或驱动装置的喷气孔）沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，使上半部分气流快速流经上翼的上表面，同时下半部分气流均匀流经上翼的下表面与平板翼上表面围成的箱体，利用流过平板翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，提高航空器的升力（特别是垂直起降时的升力），并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。

所述下翼是主翼，面积较大；上翼是副翼，面积较小；上翼的后缘与下翼的后缘越接近，上翼下洗气流对下翼的干扰越小，下翼的升力越大；当上翼与下翼重合，即上翼的弦长l等于下翼的弦长L时，上翼与下翼共同产生的升力达到最大。

所述下翼上表面与上翼下表面均为平面且相互平行，一般而言，上翼下表面与下翼上表面之间的距离d等于驱动机构出风口高度的一半，即上翼位于驱动机构吹出气流的中部；在驱动机构吹出气流为层流的前提下，d的数值减小与上翼下翼共同产生的升力无关，极端情况下可以达到d=0，即上翼与下翼融合；当d >> 0时，可以实现驱动机构吹出气流的整流、增强机翼结构刚度和便于驱动机构的安装。在满足驱动机构安装的前提下，两个平行表面间的距离越小越好。

所述主翼翼型为平板翼型，翼形为菱形、三角形、矩形、梯形或其它形状中的任一种，具体根据实际需要选择使用；副翼翼型为上凸下平翼型，翼形为平直翼形、后掠平直翼形，或与下翼相似的三角形、矩形、梯形、菱形、六边形、圆形、椭圆形或其它形状中的任一种，具体根据实际需要选择使用。双翼翼型与现有的双翼完全不同，现有的双翼为大展弦比机翼，上翼和下翼翼型相同，一般均为上凸下平翼型；而本发明的双翼为小展弦比机翼，上翼和下翼翼型不相同，上翼为上凸下平翼型，下翼为平板翼型。

所述上、下翼板的两个平行表面之间，可以增设垂直扰流板以增强刚度，两个相邻的垂直扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体。

所述下翼为宽弦机翼，一般采用低翼载大面积连续表面机翼，机翼的翼型为平板翼型机翼时展弦比小于2（甚至小于1），使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降。

所述左、右机翼可以一定的上反角安装为V形、Y形或者T形等气动外形，使航空器在空中飘落时能够在气流作用下自动转正。V形、Y形或者T形等气动外形可以调整航空器在受气流作用时的平衡，从而使航空器飘落时能够在气流作用下自动转正。

所述机翼的数量可以增加，具体根据实际需要确定。对于无人机或者轻型载人航空器，一幅顶置式机翼即可满足要求；而对于中型或者大型载人航空器，机翼的数量可以按照横置式机翼左右机翼成对地前后串连的方式增加，以便在垂直起降时产生足够的升力。

所述若干驱动装置分左、右两组对称排列于左、右上翼的前缘上方，驱动装置的进气口或螺旋桨的前后位置位于下翼前缘上方的后部，距机翼前缘的距离大于进气口或螺旋桨的直径且小于五分之一弦长，上下位置在保证进气口或螺旋桨的回转半径的前提下尽量降低高度，接近下翼的上表面。

驱动装置距机翼前缘的距离在给定范围内根据实际需要确定；若干驱动装置的具体数目可以根据实际需要确定，每个机翼上一般可设置1-10个小型驱动装置，驱动装置的数目越多，滑流越扁平，越贴近翼面，增升的效果越好。

所述驱动装置可以是螺旋桨、涵道螺旋桨、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、吹气喷嘴或者是前缘吹气襟翼等，具体根据实际需要选择。吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。

本发明的板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。

本发明通过螺旋桨或驱动装置的喷气孔将高速气流沿弦向吹送，将气流平分到上翼的上下表面，由于上翼具有上凸下平的翼型，气流流经上翼上表面的速度高于气流流经上翼下表面的速度，产生一部分升力；同时由于两个相邻的扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体，故流经上翼下表面的气流速度与流经下翼上表面的气流速度相同；下翼为平板翼型，下翼上表面的气流为驱动气流，下翼下表面的气流为被动气流，速度与航空器的飞行速度相同（航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度为零），因此下翼上表面的气流速度必然大于下翼下表面的气流速度，也产生一部分升力；二者作用叠加，可以显著提高航空器的升力，特别是垂直起降时的升力。而上翼的气流下洗作用，可以迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。而在板翼机平板翼型下翼的上方设置上凸下平翼型的上翼，可以有效提高平板翼的结构刚度，并可以为驱动装置提供安装的底座，而且上翼的气流下洗作用还可以迫使高速气流更加贴近平板翼的上表面，起到提效增升的效果。

本发明可以完全排除双翼之间的相互干扰，充分发挥上翼和下翼的飞行效率，使板翼机的机翼更加紧凑、稳定、合理、高效，飞行效率可比单翼的板翼机提高20%以上，最高可以提高到80%；而且克服了现有旋翼类航空器受空间布局和翼尖音速的限制，可以采用多个旋翼或多排旋翼提高升力，使得垂直起降航空器能够突破尺寸和载荷的限制，更加大型化。与现有技术相比，具有结构合理、工作可靠、安全稳定、成本低廉、效率提高等优点。可以广泛应用于垂直起降的板翼机特别是普及型、轻便型航空器，同时也具有构建大型垂直起降航空器的潜力。

附图说明

图1是本发明板翼机增加上翼的机翼俯视示意图。

图2是本发明板翼机增加上翼的机翼侧视示意图。

图3是本发明机翼气流增升原理图。

图中：1-下翼，2-上翼，3-驱动装置，4-垂直扰流板，d-上翼下表面与下翼上表面之间的距离,l-上翼的弦长（宽度）,L-下翼的弦长（宽度）。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述。实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：如图1-3所示，本在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，是对于采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的小型板翼机，在板翼机平板机翼（即下翼）的上方设置上凸下平翼型的上翼，将下翼1作为主翼、上翼2作为副翼，在上、下翼板的两个平行表面间设置2块垂直扰流板4以增强刚度，由两个相邻的垂直扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体，增强机翼的结构刚性并为驱动装置的安装提供便利（为驱动装置提供安装的底座）；将4个小型螺旋桨驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼之间的高度距离大于螺旋桨回转半径1cm；通过驱动装置的喷气孔沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，使上半部分气流快速流经上翼的上表面，同时下半部分气流均匀流经上翼的下表面与平板翼上表面围成的箱体，利用流过平板翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，提高航空器的升力，特别是垂直起降时的升力，并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。

本方法中，下翼2采用展弦比小于1的低翼载大面积连续表面宽弦平板翼型、翼形为梯形，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降；上翼翼型采用上凸下平翼型、翼形为梯形，上翼1面积是上翼2面积的1/3，上翼2的后缘尽量接近下翼1的后缘，上翼2的下表面与下翼1的上表面相平行，上翼下表面与下翼上表面之间的距离d等于驱动机构出风口高度的一半；在驱动机构吹出气流为层流的前提下，d的数值减小与上翼下翼共同产生的升力无关，当d >> 0时，可以实现驱动机构吹出气流的整流、增强机翼结构刚度和便于驱动机构的安装。

本方法中，左、右机翼以一定的上反角安装为V形气动外形，使航空器在空中飘落时能够在气流作用下自动转正。驱动装置分左、右两组对称排列于左、右上翼的前缘上方，每个机翼上设置2个小型螺旋桨驱动装置，驱动装置的螺旋桨的前后位置位于下翼前缘上方的后部距离机翼前缘大于进气口或螺旋桨直径且小于五分之一弦长处、上下位置尽量接近下翼的上表面，吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。

实施例2：参见图1-3，本在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，是对于采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的大型板翼机，在板翼机平板机翼（即下翼）的上方设置上凸下平翼型的上翼、增强机翼的结构刚性并为驱动装置的安装提供便利（为驱动装置提供安装的底座），将下翼1作为主翼、上翼2作为副翼，在上、下翼板的两个平行表面间设置4块垂直扰流板4以增强刚度，由两个相邻的垂直扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体；将10个小型涡喷发动机驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼之间的高度距离大于发动机进气口半径3cm；通过驱动装置的喷气孔沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，使上半部分气流快速流经上翼的上表面，同时下半部分气流均匀流经上翼的下表面与平板翼上表面围成的箱体，利用流过平板翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，提高航空器的升力，特别是垂直起降时的升力，并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。

本方法中，下翼2采用展弦比小于1.5的低翼载大面积连续表面宽弦平板翼型、翼形为三角形，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降；上翼翼型采用上凸下平翼型、翼形为三角形，上翼1面积是上翼2面积的1/3，上翼2的后缘尽量接近下翼1的后缘，上翼2的下表面与下翼1的上表面相平行，上翼下表面与下翼上表面之间的距离d等于驱动机构出风口高度的一半；在驱动机构吹出气流为层流的前提下，d的数值减小与上翼下翼共同产生的升力无关，当d >> 0时，可以实现驱动机构吹出气流的整流、增强机翼结构刚度和便于驱动机构的安装。

本方法中，左、右机翼以一定的上反角安装为Y形气动外形，使航空器在空中飘落时能够在气流作用下自动转正。驱动装置分左、右两组对称排列于左、右上翼的前缘上方，每个机翼上设置5个小型涡喷发动机驱动装置，驱动装置的螺旋桨的前后位置位于下翼前缘上方的后部距离机翼前缘大于进气口直径且小于五分之一弦长处、上下位置尽量接近下翼的上表面，吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。

实施例3：参见图1-3，参见图1-3，本在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，是对于采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的中型板翼机，在板翼机平板翼机翼（即下翼）的上方设置上凸下平翼型的上翼，将下翼1作为主翼、上翼2作为副翼，在上、下翼板的两个平行表面间设置3块垂直扰流板4以增强刚度，由两个相邻的垂直扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体，增强机翼的结构刚性并为驱动装置的安装提供便利（为驱动装置提供安装的底座）；将6个小型涡扇发动机驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼之间的高度距离大于发动机进气口半径2cm；通过驱动装置的喷气孔沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，使上半部分气流快速流经上翼的上表面，同时下半部分气流均匀流经上翼的下表面与平板翼上表面围成的箱体，利用流过平板翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，提高航空器的升力，特别是垂直起降时的升力，并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。

本方法中，下翼2采用展弦比小于2的低翼载大面积连续表面宽弦平板翼型、翼形为菱形，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降；上翼翼型采用上凸下平翼型、翼形为菱形，上翼1面积是上翼2面积的1/2，上翼2的后缘尽量接近下翼1的后缘，上翼2的下表面与下翼1的上表面相平行，上翼下表面与下翼上表面之间的距离d等于驱动机构出风口高度的一半；在驱动机构吹出气流为层流的前提下，d的数值减小与上翼下翼共同产生的升力无关，当d >> 0时，可以实现驱动机构吹出气流的整流、增强机翼结构刚度和便于驱动机构的安装。

本方法中，左、右机翼以一定的上反角安装为T形气动外形，使航空器在空中飘落时能够在气流作用下自动转正。驱动装置分左、右两组对称排列于左、右上翼的前缘上方，每个机翼上设置3个小型涡扇发动机驱动装置，驱动装置的螺旋桨的前后位置位于下翼前缘上方的后部距离机翼前缘大于进气口直径且小于五分之一弦长处、上下位置尽量接近下翼的上表面，吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。

上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：在板翼机平板机翼的上方设置上凸下平翼型的上翼、增强机翼的结构刚性并为驱动装置的安装提供便利，将若干驱动装置排列设置于上翼的前缘中部，控制上翼与下翼的高度距离略大于驱动装置的螺旋桨或喷气孔半径，通过驱动装置的螺旋桨或喷气孔沿弦向吹送高速气流，将气流平分到上翼的上、下表面，使上半部分气流快速流经上翼的上表面，同时下半部分气流均匀流经上翼的下表面与平板翼上表面围成的箱体，利用流过平板翼上、下表面空气的流速差和流过上翼上、下表面空气的流速差，形成机翼升力，二者作用叠加，提高航空器的升力，并利用上翼的气流下洗作用，迫使高速气流更加贴近下翼的上表面，进一步提高效率和增加升力。

2.根据权利要求1所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述下翼是主翼，面积较大；上翼是副翼，面积较小；上翼的后缘与下翼的后缘越接近，上翼下洗气流对下翼的干扰越小，板翼机的升力越大；当上翼与下翼重合，上翼的弦长l等于下翼的弦长L时，上翼与下翼共同产生的升力达到最大。

3.根据权利要求1所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述下翼上表面与上翼下表面均为平面且相互平行，上翼下表面与下翼上表面之间的距离d等于驱动机构出风口高度的一半，即上翼位于驱动机构吹出气流的中部；在驱动机构吹出气流为层流的前提下，d的数值减小与上翼下翼共同产生的升力无关，极端情况下可以达到d=0，即上翼与下翼融合；当d >>0时，上翼与下翼构成的箱体可以整流驱动机构的吹出气流并增强机翼结构的刚度。

4.根据权利要求1所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述主翼翼型为平板翼型，翼形为菱形、三角形、矩形、梯形或其它形状中的任一种；副翼翼型为上凸下平翼型，翼形为平直翼形、后掠平直翼形，或与下翼相似的三角形、矩形、梯形、菱形、六边形、圆形、椭圆形或其它形状中的任一种。

5.根据权利要求1所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述下翼为低翼载大面积连续表面宽弦机翼，机翼的翼型为平板翼型机翼时展弦比小于2，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降。

6.根据权利要求1-5任一项所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述上、下翼板的两个平行表面间设有若干垂直扰流板以增强刚度，两个相邻的垂直扰流板与下翼的上表面和上翼的下表面围成一个矩形箱体。

7.根据权利要求1-5所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述左、右机翼可以一定的上反角安装为V形、Y形或者T形等气动外形，使航空器在空中飘落时能够在气流作用下自动转正。

8.根据权利要求1-5任一项所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述机翼的数量可以增加，对于中型或者大型载人航空器，机翼的数量按照横置式机翼左右机翼成对地前后串连的方式增加。

9.根据权利要求1所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述若干驱动装置分左、右两组对称排列于左、右上翼的前缘上方，驱动装置的进气口或螺旋桨的前后位置位于下翼前缘上方的后部，距机翼前缘的距离大于进气口或螺旋桨的直径且小于五分之一弦长，其上下位置在保证进气口或螺旋桨的回转半径的前提下尽量降低高度，接近下翼的上表面。

10.根据权利要求1或9所述的在板翼机平板机翼上增设上翼提高机翼刚性和升力的方法，其特征在于：所述驱动装置可以是螺旋桨、涵道螺旋桨、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、吹气喷嘴或者是前缘吹气襟翼等，吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。