CN103407444B - 基于垫升起降技术的固定翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于垫升起降技术的固定翼飞行器，该飞行器针对现有固定翼飞行器起降技术存在的不足，将垫升原理应用于固定翼飞行器，从而有效降低其在起降过程中对跑道质量的要求。具体包括气垫产生装置、机身和气垫控制模块，其中气垫产生装置由四个圆柱形气室组成，采用四角分散式布局安装在机身的底部。气垫控制模块通过控制气室中涵道风扇的转速和转向来控制飞行器在起降过程中的姿态，从而保证其在起降过程中的稳定性。

Description

基于垫升起降技术的固定翼飞行器

技术领域

本发明涉及一种固定翼飞行器，具体涉及一种基于垫升起降技术的固定翼飞行器，属于航空领域。

背景技术

世界航空技术迅速发展，固定翼飞行器的起降方式也各有不同。但是到目前为止，现有的起降方式仍存在很大的局限性，并不能很好的应对各式各样的突发状况。在军事野战中，无论是丛林、草地，还是沙漠、沼泽，在这些地形中自由起降一直是固定翼飞行器未能突破的瓶颈。现有的固定翼飞行器起降方式在很大程度上需要对跑道质量（长度，宽度，硬度，平整度，材料，保养程度等）做严格的要求，如何有效地提高其起降性能成为亟待解决的问题。

目前，美国和俄罗斯采用推力矢量技术对飞行器的飞行进行实时控制，推力矢量技术是发动机推力通过喷管或尾喷流的偏转产生的推力分量来替代原飞行器的操纵面或增强飞行器的操纵功能。该项技术对战斗机的隐身、减阻、减重都十分有效。但此技术依靠计算机、电子技术、自动控制技术、发动机制造技术、材料和工艺等技术的一体化发展，美军V-22鱼鹰倾转旋翼飞行器即为这一先进技术的代表机种。美军V-22鱼鹰倾转旋翼飞行器严格意义上讲并不属于固定翼范畴，该机种的准确名称应该是“采用倾转发动机技术”的直升飞行器。但它实现了以垂直起降和悬停为目的的操作功能，是一项非常先进的技术。同时，它也存在严重缺陷；V-22“鱼鹰”要保证位于翼尖的大功率、大负荷的发动机和螺旋桨同步转动，它在操纵与控制上是相当困难的。为了克服这些“品质”上的缺陷，“鱼鹰”不得不采取许多复杂的、非常规的技术措施，从而使全机的重量、性能和生产成本都受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于垫升起降技术的固定翼飞行器，将垫升原理应用于固定翼飞行器的起降过程，从而降低其在起降时对跑道质量的要求，且结构简单易实现。

该固定翼飞行器包括：气垫产生装置、机身和气垫控制模块；所述气垫产生装置包括四个气室，所述四个气室以机身的重心为中心，对称分布在机身的底面，保证所述四个气室的支撑力相同时其合力作用点与机身的重心重合；所述气垫控制模块位于机身内部。

所述气室包括刚性围裙、柔性围裙、涵道风扇和旋转阀；其中刚性围裙和柔性围裙均为筒形结构，刚性围裙底部与柔性围裙同轴连接，顶部通过安装座固接涵道风扇，所述涵道风扇的旋转中心与刚性围裙的中心轴在同一直线上。在所述气室刚性围裙的外圆周开孔，并在开孔处安装旋转阀；其中位于机身左侧的两个气室的开孔方向向左，位于机身右侧的两个气室的开孔方向向右；所述涵道风扇的动力装置为电机，以对角线上两个电机为一组，保证每组中两个电机的转向一致，且两组电机的转向相反。

所述气垫控制模块用于控制四个涵道风扇中电机的转速和转向；气垫控制模块包括三轴角速率陀螺传感器、主控模块、模拟信号调理模块和电机驱动模块；其中三轴角速率陀螺传感器用于检测飞行器的俯仰、滚转和偏航姿态，并将检测到的姿态信号发送给模拟信号调理模块，模拟信号调理模块与主控模块相连，主控模块分别控制四个涵道风扇中的电机。

位于机身宽度方向上两个气室中心点之间的距离为飞行器翼展的15%-30%；位于机身长度方向上两个气室中心点之间的距离为机身长度的20%-50%。

所述气室的直径D为：其中m为航行器机身的重量，P₁=（1%-5%）P，P为大气压强；所述气室的高度H为：0.8D≤H≤1.5D。

所述刚性围裙的材料为PVC管，柔性围裙的材料为橡胶尼龙。

有益效果：

本发明将垫升技术与固定翼飞行器有效结合，在固定翼飞行器的底部合理布置气垫产生装置，从而在机身与其支撑面间形成增压室式气垫，有效降低飞行器在起降时对跑道质量的要求，且整体结构简单易实现。

同时对气垫产生装置的布局及气室的尺寸进行合理的设计，保证气垫的可靠性。

附图说明

图1为气垫产生装置的整体布局；

图2为单个气垫的结构示意图；

图3为电机转速方向及旋转阀的位置示意图。

其中：1-气室、2-机身、3-刚性围裙、4-柔性围裙、5-旋转阀、6-涵道风扇、7-矢量口

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种基于垫升起降技术的固定翼飞行器，该飞行器针对现有固定翼飞行器起降技术存在的不足，将垫升原理应用于固定翼飞行器，从而有效降低其在起降过程中对跑道质量的要求。

所述垫升是指在物体与原支撑面之间制造一个高于大气压的空气层，使得物体被抬起，从而脱离或部分脱离原支撑面的过程；这层被增压的空气层称为“气垫”。按照气垫的形成和维持方法，气垫可分为周边射流式和增压室式两种。

1）周边射流式气垫是用风扇驱动空气进入气道，由周边的喷口喷出并拐折向外，形成射流式气幕，使内侧压力高于外侧压力，将物体抬升起来。气幕依靠射流的动量变化对气垫起封闭作用。被封闭的气垫的压力大小同气幕喷射的速度、垫升高度和喷射角度有关。

2）增压室式气垫是在物体与其原支撑面间形成一个较大的气室（增压室），空气经风扇驱动，进入气室，在底部周围泄出，气流流过气室后受到阻滞，空气由动压头转化为静压头，产生增压效应。

本实施例中将上述垫升技术应用到固定翼飞行器中，摒弃传统固定翼飞行器中的起落架结构，将增压室式气垫和飞行器合理而有效地融合到一起。由此设计的固定翼飞行器包括气垫产生装置、机身2和气垫控制模块。其中本实施例中的气垫产生装置包括四个圆柱形气室1，每个气室1内采用一个涵道风扇6作为增压装置。所述气垫产生装置安装在机身2的底部，气垫控制模块通过控制涵道风扇6中电机的转速和转向来控制飞行器在起降过程中的姿态，从而保证其在起降过程中的稳定性。

所述气垫产生装置采用四角分散式布局，即四个圆柱形气室1以机身2的重心为中心点，前后对称、左右对称的分布在机身2底面的四个角，以保证四个气室在支撑力相同时其合力作用点在机身2的重心上，如图1所示。以航行器机身2的长度方向为纵向，宽度方向为横向，其中左右两个气室的横向距离为翼展的15%-30%（气室距离太近则不能保证横向的稳定性，太远则对机身2宽度有较高的要求）。前后两个气室的纵向距离为机身2长度的20%-50%（气室距离太近则不能保证纵向稳定性，太远则气室的干扰力矩太大，不利于飞行器起飞和降落）。本实施例中机身2的长度为1.8m，翼展为2.4m，四个气室采用正方形布置，即左右两个气室的横向距离和前后两个气室的纵向距离均为0.4m。

单个气室1的结构如图2所示，包括刚性围裙3、柔性围裙4、涵道风扇6和旋转阀5。在进行气室1设计时，单个气室1的直径是影响其性能的重要因素。气垫产生装置需在飞行器与其运行表面（地面或水表面）之间制造一个高于大气压1%～5%的空气层，从而通过垫升的作用来支撑整个飞行器。本实施例中设定此空气层高于大气压3%（大气压的值为1.01×10⁵Pa），并设单个气室1的直径为D。为保证飞行器有优异的地面灵活度和起降性能，要求气垫产生装置产生的支撑力大于航行器机身2重力的两倍（本实施例中航行器机身2的重量为4.5kg）。则有：

其中P为大气压强，m为航行器机身2的重量；则有：

$3\%\×1.01\×{10}^5\×4\×\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\≥2\×4.5\×9.8$

由此可得：D≥0.096m

因此，本实施例中选取单个气室1的直径为100mm。

基于此，采用外径100mm、厚度2mm、长50mm的PVC管材作为刚性围裙3，氧气袋（橡胶尼龙）作为柔性围裙4的材料，将其粘附于刚性围裙3的外圆周并向下同轴延伸50mm作为柔性围裙4，所述刚性围裙3和柔性围裙4共同形成气室1，所形成的气室1为直径10mm、高100mm的空心圆柱体。涵道风扇6为增加装置，在每个气室刚性围裙3的顶部同轴安装直径为72mm的涵道风扇6。所述四个涵道风扇中电机的旋转方向的设置如图3所示，设位于机身2左前方涵道风扇中的电机为电机A，位于机身2右前方涵道风扇中的电机为电机B，位于机身2左后方涵道风扇中的电机为电机C，位于机身2右后方涵道风扇中的电机为电机D；则电机A逆时针旋转，电机B顺时针旋转，电机C顺时针旋转，电机D逆时针旋转。电机这样的转向分布，避免了陀螺效应和空气动力扭矩效应。同时通过调整四个电机的转速，能够实现飞行器俯仰和滚转姿态的调整。其中俯仰姿态调整是通过增大（或减小）电机A和电机B转速的同时，减小（或增大）电机C和电机D的转速。滚转姿态调整是通过增大（或减小）电机A和电机C转速的同时，减小（或增大）电机B和电机D的转速。

为获得良好的地面控制性能，使飞行器能够进行偏航姿态调整，在每个气室1刚性围裙3的外圆周增加矢量口7，通过控制每个矢量口7的开合或开合的大小来获得良好的控制力矩。其中左侧两个气室1上的矢量口开口方向向左，机身2右侧两个气室1上的矢量口开口方向向右，如图3所示。在每个矢量口7安装旋转阀5来实现其开合的控制，本实施例中每个矢量口7内半径为r=20mm，则每个矢量口7吹出来的空气速度为25m/s，由此所产生的推力F为：

F=ρπr²V²=0.96N

飞行器在地面偏航或原地旋转时，将同时开启两个对角线上的矢量口，即飞行器左转时打开电机B和电机C所在气室的矢量口，右转时打开电机A和电机D所在气室的矢量口；由此地面可获得大约2N偏航力。

所述气垫产生装置的工作原理为：

涵道风扇6在达到一定的功率后，将电能转化为气流的动能，使外部气体高速流入气室1内部，以增加气室1内部的压强。当气室1内部压强大于外界环境压强时，气室1内部气体通过柔性围裙4向外界喷出，从而使飞行器与支撑面之间形成一个气体层，这个气体层便是前面所述的气垫。在形成气垫后，持续给涵道风扇6能量，让其保持运转，便会有持续不断的气体流入气室1内部，从而使气室1内部压强始终高于外界环境压强。这时，便会有气体持续不断地从气室1中流出，从而一直保持当初形成的那一层气垫。这样，由于气垫的持续存在，飞行器将一直保持垫升状态，从而达到垫升的目的。

气室1设计在基于垫升技术的固定翼整体设计中占有重要的作用，气垫产生装置的好坏直接影响飞行器的起飞功率。因此，本实施例中采用GAMBIT来对单个气室进行了二维建模，运用FLUENT对气室的内流场进行数值分析。分析结果表明，压力在底部最大，最底层两边的压力分布几乎一致；有效气室区的压强约为1.06Pa×10⁵，大约比标准气压大5%，验证结果恰好落在1%～5%区间内，这一结果符合气室的垫升原理，证明了该技术在固定翼飞行器中运用的有效性。

所述气垫控制模块包括三轴角速率陀螺传感器、主控模块、模拟信号调理模块和电机驱动模块。主控模块为DSP控制器，三轴角速率陀螺传感器用于检测飞行器俯仰、滚转和偏航姿态，并将检测信号发送给模拟信号调理模块，模拟信号调理模块与主控模块相连，主控模块分别控制四个涵道风扇中的电机，通过调节相应电机的转速和转向来恢复稳定姿态。本实施例中四个涵道风扇中的电机均采用无刷直流电机，无刷直流电机具有体积小、重量轻、启动力矩大等特点。

上述基于垫升起降技术的固定翼飞行器的起飞过程为：起飞前，飞行器静止在地面上，当电机驱动模块接收到主控模块发送的起飞指令后，同时驱动四个气室中的电机及飞行器的动力装置，飞行器开始滑跑的同时气垫产生装置开始工作，产生气垫。飞行器滑跑过程中，三轴角速率陀螺传感器实时检测飞行器俯仰、滚转和偏航姿态，并将检测后的姿态信息发送给输入模拟信号调理模块，输入模拟信号调理模块将接收到的模拟信号转换为电信号后发送给主控模块，主控模块分别控制四个电机的转速使其满足姿态要求。当飞行器滑跑到设定速度后，飞行器起飞，开始爬升；爬升到设定高度后，主控模块向电机驱动模块发送关闭气垫产生装置的指令，电机驱动模块停止对四个气室中电机的驱动。飞行器起飞成功后进入平飞阶段。

降落过程为：当电机驱动模块接收到主控模块发送的降落指令后，驱动四个气室中的电机，气垫产生装置开始工作，产生气垫。飞行器下降并贴近地面后贴地滑跑并逐渐减速，由于此时飞行器的机身2与地面间存在气垫，可降低飞行器对跑道的要求。当飞行器降低到设定速度后，主控模块向电机驱动模块发送关闭气垫产生装置的指令，电机驱动模块停止对四个气室中电机的驱动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于垫升起降技术的固定翼飞行器，包括：气垫产生装置、机身和气垫控制模块，其特征在于，所述气垫产生装置包括四个气室，所述四个气室以机身的重心为中心，对称分布在机身的底面，保证所述四个气室的支撑力相同时其合力作用点与机身的重心重合；所述气垫控制模块位于机身内部；

所述气室包括刚性围裙、柔性围裙、涵道风扇和旋转阀；其中刚性围裙和柔性围裙均为筒形结构，刚性围裙底部与柔性围裙同轴连接，顶部通过安装座固接涵道风扇，所述涵道风扇的旋转中心与刚性围裙的中心轴在同一直线上；在所述气室刚性围裙的外圆周开孔，并在开孔处安装旋转阀；其中位于机身左侧的两个气室的开孔方向向左，位于机身右侧的两个气室的开孔方向向右；所述涵道风扇的动力装置为电机，以对角线上两个电机为一组，保证每组中两个电机的转向一致，且两组电机的转向相反；

所述气垫控制模块用于控制四个涵道风扇中电机的转速和转向；气垫控制模块包括三轴角速率陀螺传感器、主控模块、模拟信号调理模块和电机驱动模块；其中三轴角速率陀螺传感器用于检测飞行器的俯仰、滚转和偏航姿态，并将检测到的姿态信号发送给模拟信号调理模块，模拟信号调理模块与主控模块相连，主控模块分别控制四个涵道风扇中的电机；

位于机身宽度方向上两个气室中心点之间的距离为飞行器翼展的15％-30％；位于机身长度方向上两个气室中心点之间的距离为机身长度的20％-50％。

2.如权利要求1所述的基于垫升起降技术的固定翼飞行器，其特征在于，所述气室的直径D为：其中m为航行器机身的重量，P₁＝(1％-5％)P，P为大气压强；所述气室的高度H为：0.8D≤H≤1.5D。

3.如权利要求1所述的基于垫升起降技术的固定翼飞行器，其特征在于，所述刚性围裙的材料为PVC管，柔性围裙的材料为橡胶尼龙。