CN105667759A - 柔性起飞降落的活动翼大飞机 - Google Patents

Abstract

一种“柔性起飞降落的活动翼大飞机”，其特征是长方扁平且纵剖面为机翼剖面形状的机身在空中巡航飞行时能产生很大升力与机翼升力共同抬举飞机。在机场起降时机翼可相对机身前后移动的同时还能上下翻转，使机身能以2-3度小迎角而机翼则同时以8-15度大迎角在机场滑跑，使得飞机在较低的速度时也能产生足够大的升力飞离或降落地面。另外飞机起降时机身迎角小，加之采用了柔性的气动起落架，所以飞机降落触碰地面瞬间气动起落架汽缸内的空气可吸纳飞机部分动能后再进入机场滑跑，使乘客享受“软着陆”的舒适。再由于起飞降落时机翼迎角大，升力和阻力都很大，本飞机在机场滑跑距离将比现有飞机缩短20-30％，因此冲出机场跑道的事故也相应减少。

Description

柔性起飞降落的活动翼大飞机

技术领域

本发明涉及一种“柔性起飞降落的活动翼大飞机”，(为了描述简便明了，本说明书简称其为“本发明飞机”)。这种飞机突破了传统大飞机的总体气动设计布局，其机翼不是固定安装在机身上，而是相对飞机机身机翼可以移动和翻转，从而使飞机在起飞和降落时实现机身迎角较小而机翼迎角却很大情况下，飞机就可以得到足够大的升力来满足飞机起降的要求。因为飞机起飞时机身迎角较小，所以乘客感到很舒适。加之采用柔性的气动起落架，飞机降落触地的瞬间和滑跑过程可以实现实际的“软着陆”，所以乘客更感到舒适。这样本发明飞机不但较大改善了乘客的起降时的舒适度，还减少了起降时对飞机整体结构的冲击和震动，从而可以延长民航飞机的使用年限，一举多得。本发明技术是属于航空工业制造技术领域。

背景技术

现有民航飞机机身都是圆柱形，即使目前最大和最先进空客A380客机，其机身还是圆柱形，只是要搭载500多乘客，客舱采用了二层客舱。但是就其飞机的总体气动设计而言基本没有什么大的突破。根据空气动力学原理，其圆柱形机身在空中飞行时，机身不产生任何升力，只是装人载物的容器，全机重量全靠机翼产生的升力来抬举，因此效率低下。针对空客A380客机所存在的缺点，本发明人在2009年完成的发明“不要登机梯的水陆两用大飞机”(专利号：ZL200910060955.5)，将传统民航飞机细长圆柱形机身做成扁平长方形状，再将机身纵剖面做成机翼剖面形状，这样机身在空中飞行时机身就可以产生升力，所以飞行效率可以提高30-40％。因机身宽一倍，所以起落架不在机翼根部，而安装在机身中部两侧，消除了现有飞机下方外鼓的主起落架舱；另外，将机身尾部的尖细段兼作水平尾翼，解决了平整机身底板后部擦地的问题。因为机身底板平整，且发动机安装在尖细机身后部上方，机翼也在机身上方，所以该飞机可以水陆两用更安全。此发明技术出现已经过去6年了，现在又发现该飞机虽然比现有传统民航飞机技术进步较大，但是飞机起飞和降落时与现有民航飞机基本一样，飞机的机翼都是固定安装在机身上方或下方，即所谓固定翼飞机。因为机翼是固定安装机身上，当飞机在机场起飞加速滑跑时，因为起飞速度较小，机翼产生的离地升力不够，所以不得不采用加大机身和机翼的迎角起飞来增大离地的升力。通常起飞迎角达到10-12度之多，客舱倾斜很厉害，所以起飞时很多乘客感到不舒服。另外当飞机降落时为了防止着陆时冲击过大，机身和机翼迎角只能3度左右，虽然客舱倾斜不是很厉害，但迎角小升力也小又导致进场速度较大和滑跑距离远，造成主起落架刚刚触地那瞬间冲击力大和滑跑过程中需要不断地气刹主起落架的轮胎，不仅轮胎磨损厉害，飞机客舱震动也较大，很多乘客感觉有一点“硬着陆”而很不舒服。不仅如此，在飞机降落时若驾驶员操控欠妥，导致进场速度较大或降落点选择偏后，这样飞机发生冲出机场跑道的事故也时有发生。

发明内容

为了克服上述现有民航飞机和现有相关专利技术的缺点，本发明提供了一种改进的柔性起飞降落的活动翼大飞机。这也是在对本人2009年发明的“不要登机梯的水陆两用大飞机”飞机总体气动设计技术基础上的再创新。传统民航飞机因为机翼是固定安装在机身上，使得飞机在起飞时采用滑跑到一定速度后，必须使机身头部上扬加大飞行迎角，即机身和机翼同时加大迎角到到10度左右，还将襟翼尽量向后向下延伸来增大起飞的升力。但是飞机降落时不能采取那么大的迎角获得最大升力来降落，因为这样大的迎角降落，飞机着陆瞬间地面对飞机的反冲作用太大，所以在飞机快着陆时，机身要放平一些，一般采用3度迎角着陆飞行，使飞机着陆瞬间地面对飞机的反冲作用是在一般乘客所能接受的程度之内。这样一来，着陆的飞行速度还是比较大，所以民航飞机着陆后，尽管对起落架的橡胶轮采取不断刹车，飞机还是要滑跑很长一段距离，鉴于这种情况，本发明首要增大飞机起降时的升力至关重要。为此本发明首先考虑在飞机起降时只容许增大飞机机翼的迎角达到10-12度，但是飞机机身的迎角却仍然保持在2-3度，这样飞机既可以可以获得最大升力，而坐在客舱内的乘客又会感觉舒适。当然这是矛盾的，矛盾的结果就是必须打破飞机传统设计，使机翼不能固定不动安装在机身上，而必须机翼相对机身其位置可以变化。传统飞机因为机身是圆柱形，这样改变几乎不可能，但是本发明人2009年的专利技术“不要登机梯的水陆两用大飞机”的机身扁平长方形，机身纵剖面客舱上部的机翼安装中心体的形状和位置刚好满足本发明的需要。于是将位于机翼安装中心体的机翼改为与其机身下方的客舱做成可以分离的形式，并且使机翼前面和后面既可以相对机身上下翻转，机翼又可以整体相对机身而前后移动，这样就可以根据飞行功能需要改变机翼相对机身的各种位置和角度。当飞机起飞和降落时使机翼整体后移一点距离，同时又让它可以向上整体翻转而离开客舱顶板一段距离。还要求机翼前部可以离开较多，而机翼后部离开较少，使机翼相对机身平面能形成0-9度的迎角变化。这样一来，当本飞机起降时，机身相对机场地面跑道采取3度迎角起降时，则机翼相对地面的迎角可以在3-12度之间变化，从而整机照样可以获得最大升力，既有利飞机起飞时尽快升空，也有利飞机降落时减少进场速度，缩短在机场降落滑跑的距离，减少飞机降落时冲出跑道的事故。同时由于机身无论是起飞还是降落，机身都是2-3度迎角，使客舱内的乘客都感到比较舒适。

仅仅改进机翼为活动机翼还不够，为了使乘客乘坐飞机感觉更舒服，还应该避免现有飞机降落着陆瞬间触地时那种有点“硬着陆”的现象。现有大型民航飞机的主起落架结构是：起落架立柱是刚性的，只有轮胎有一点弹性，所以飞机降落时全靠轮胎的弹性缓冲地面对飞机的反冲力，这种缓冲作用很有限，所以飞机降落时有部分乘客感觉很不舒服。为此本发明将所有起落架改成气动起落架，尤其是主起落架要改进，因为主起落架承担全机约90％荷载，

本发明解决此问题的技术方案如下：

在本发明飞机主起落架舱中，根据总荷载计算分摊在每个气动主起落架所需要承担的荷载重量，然后根据荷载计算确定每个气动主起落架的直径，再根据飞机起飞和停放地面所需要的伸缩高度确定采用几节活塞，活塞下方仍然安装轮胎。活塞缸体则固定在主起落架舱的上方结构部件上。当飞机要停放在机场地面时，打开气动主起落架最上方的排气口，几节活塞同时被压缩直至机身底板下方的条板架已经触地承担飞机全部重量为止，此时就可以同时关闭排气口，维持汽缸内保持一定的压力。而当飞机要起飞时，则打开进气口，高压空气进入汽缸，使几节活塞同时升高，直至被活塞环挡阻止不能再升高为止，此时气动主起落架的长度达到最大，这也就是飞机起飞时机身底板离地应该达到的设计高度。本飞机降落触地瞬间，地面对飞机的冲击力最大，但由于起落架内充满压缩空气，这些压缩空气很有弹性，必然可以充分缓冲地面对飞机的冲击力。另外，由于几个气动主起落架的活塞缸体顶部是有联通管彼此相通的，所以几个气动主起落架可以自动调配压力而平衡，它们可以很快同时受力而且受力均匀。由于本发明气动主起落架的特殊结构而产生特殊的缓冲性能，就会使得坐在客舱内的乘客有感觉很舒服的体验。另外由于本飞机降落时机翼的迎角可以达到12度，相对现有民航飞机降落时机翼3度的迎角，本发明飞机机翼此时产生的阻力大很多倍，所以气动主起落架下方的轮胎在机场地面滑跑不需要气刹，也就不会产生轮胎与地面硬摩擦而在机场地面跑道上画出一道道黑色的刹车痕迹，既不破坏轮胎的使用期限，又使乘客不会有飞机降落滑跑刹车时那种震动难受的感觉。

当然，这种气动起落架体积较大，因此制造材料不能选钢质，可以选用高强铝合金，甚至可以考虑复合材料制造。以便减轻气动起落架体的总重量。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明飞机的机身纵剖面图。

图2是本发明飞机的机身平面布置图。

图3是本发明飞机的机身两侧经过前后起落架舱的2-2纵向剖面图。

图4本发明飞机的机翼向上翻起离开机身的示意图。

图5是本发明飞机的机身横剖面图。

图6是本发明飞机的气动主起落架局部与机翼相互关系的放大剖面图。

图7是本发明飞机的机翼向上翻转和起落架向下伸长准备起飞的状态图。

图8至图11是本发明飞机的气动主起落架结构图。

图12至图15是本发明飞机的气动前起落架结构图。

图16至图19是本发明飞机的条板架的结构和安装位置图。

图中，

1.驾驶舱，2.机身，3.气动前起落架，4.客舱，5.前起落架舱，6.活动翼，7.作用筒，8.气动主起落架，9.联通管，10.铰座，11.摇杆，12.发动机，13.垂尾，14.机身尾，15.转轴，16.行李舱，17.条板架，18.立柱，19.主起落架舱，20.摇杆舱，21.加强撑杆，22.机身横骨架，23.电磁阀，24.进气口。25.排气口，26.安装圆盘，27.气动主起落架活塞缸体，28.活塞，29.活塞横挡，30.导管，31.导管孔，32.密封圈，33.环形盖板，34.提耳，35.橡胶轮，36.螺栓，37.起落架舱门，38.储气罐，39.橡胶条，40.汽缸，41.连杆，42.摇臂，43.顶架，

具体实施方式

在图1所示本发明飞机实例中，机身2的纵剖面是机翼剖面形状，所以它在空中飞行时，机身2能够产生升力。从图中还可以看出，此机身纵剖面除了机身后部的机身尾14可以绕转轴15转动而兼作水平尾翼外，机身2上方的顶架43后面、客舱4上方的活动翼6是处于紧贴客舱4顶板的位置，这样上述几个部件紧贴在一起，组成了一个完整的机翼剖面形状，图中还表示了飞机此时气动主起落架8和气动前起落架都压缩了，并且使整个飞机都通过条板架17支撑而停放在地面上。

在图2所示本发明飞机实例的平面图中，机身2平面是长方矩形，驾驶舱1安排在客舱4的最前部，本发明的气动前起落架3安装在前起落架舱5内，4个气动主起落架8安装在主起落架舱19内，并且其分别安装在客舱4的左右两侧。其中主起落架舱19位于飞机重心略靠后处。操控活动翼6前部运动的两个作用筒7分别安放在主起落架舱19内，而操控活动翼6后部运动的几个摇杆11和作用筒7方便安放在几个摇杆舱20内，摇杆舱20位置对准机身2内的立柱18的纵列位置。

图3表示本发明飞机的气动前起落架3和几个气动主起落架8都升高到最高的位置，飞机处于准备起飞的状态。

图4表示本发明飞机已经在机场滑跑起飞的状态，此时气动前起落架3已经离开地面，4个主起落架都升高到最高的位置，且都处于支撑飞机全部重量状态，受力也很均匀。机身尾14已经绕转轴15向上翻转几度，使机身抬头约3度。而客舱上方的活动翼6已经向上翻转离开了机身客舱4，因为活动翼6相对机身向上转动了约8度，所以活动翼6与地面的迎角达到3+8＝11度，这样活动翼6将会产生很大的升力使飞机飞离地面。而机舱4内的乘客不会像现有民航飞机那样向后仰坐11度，他们仅仅向后仰坐3度，因此乘客在飞机起飞过程中会感觉比较舒适。

图5表示本发明飞机机身2的横剖面图，图中气动主起落架8全部升起到最大高度。气动主起落架8比较粗壮，刚度大，有利承受飞机着陆时地面对飞机的强大冲击力。在机身横骨架22底板下安装了三个条板架17，其中两个安装在两侧，一个安装在中心线位置。这三个条板架17是当飞机需要落地停放时，将所有气动主起落架8和前起落架3的排气口25打开，这些气动主起落架的汽缸40内的压缩气体即可排放到位于顶架5内低压的储气罐38中去。本发明飞机的机身即可向下运动，直至三个条板架17触地而支撑起飞机全部重量，此时应该再通过电磁阀23关闭气动主起落的排气口25。条板架17的作用除了飞机停放地面时支撑飞机外，还兼有本发明飞机在空中飞行时阻碍机身下方的空气流向机身顶部，以便尽可能维持机身上下表面的压力差而获得更大的升力。条板架17的高度必须大于起落架舱门37放下后的高度。因为条板架17的高度不大，所以只要将客舱门做成放下后即成楼梯的那种舱门，那么乘客上下飞机也不需要等专门的登机梯车，因此乘客上下飞机还是很方便快捷。事故逃生时也不需要充气滑梯，乘客逃生更快捷安全。

图6放大表示了本发明飞机在飞机起飞时，气动主起落架8的功能动作过程是通过电磁阀23关闭排气口25，然后再通过电磁阀23打开进气口24，则高压的储气罐38的压缩气体就会经过联通管9同时进入四个气动主起落架8的汽缸40内，使各个活塞向下伸长，将本发明机身顶起到最高位置。再通过位于摇杆舱20内的作用筒7将摇杆11顶起活动翼6的后部离开客舱4的顶面。同时还通过位于主起落架舱19前端的作用筒7顶起活动翼6的前部离开客舱4的顶面，并且要比活动翼6后部高很多，使活动翼6形成约8度的迎角，这样本发明飞机就进入准备起飞的状态。

图7中放大表示了本发明飞机飞到高空进入巡航飞行时的状态。此时通过与图6表示的相反操作，使活动翼6返回紧贴客舱4的顶面状态，此时因为飞机以很高的巡航速度向前飞行，不需要活动翼6有迎角飞行，即活动翼6和机身2可以零迎角飞行，因为其产生的升力已经足够维持飞机的巡航飞行，这样也有利减少飞行阻力。

图8至图11是本发明飞机的气动主起落架8放大结构图，从图中可以看出气动主起落架8主要由活塞缸体27、两节活塞28和一个橡胶轮35这四部分组成。其中活塞缸体27上端设有进气口24，通过安装圆盘26将气动主起落架8固定安装在主起落架舱19的顶面，其下端有加强撑杆21将几个气动主起落架8连接在一起，再与主起落架舱19后端的结构构件连接，从而增加几个主起落架舱19的组合整体刚度。两个活塞28相互套接，其下端都有安装导管30的导管孔31，通过导管30和导管孔31的组合装配，导管30只能在导管孔31内上下滑动，不能横向移动，从而限制两个活塞和他们下端安装的橡胶轮只能上下运动不能水平随便转动来确保橡胶轮的滚动方向。图8是活塞全部缩进的情况。而图9则是两个活塞全部伸展开来的情况。图9和图10表示了汽缸内活塞相互叠合情况，及导管30和导管孔31的相互贯穿的状态。

图12至图15是气动前起落架3放大结构图，从图中可以看出其内部结构与气动主起落架8的结构和气动控制原理基本一样，区别仅仅在顶部。因为气动前起落架3的橡胶轮功能是用来控制飞机在地面移动方向的，所以在其顶部设有控制活塞缸体27转动的作用筒7和摇臂42。因为需要气动前起落架3来控制本发明飞机在机场地面跑道行驶的方向。

图16至图19是本发明飞机的条板架17结构和安装剖面图。条板架17的作用是飞机停放在机场地面时支撑机身全部重量，还有是阻碍飞机飞行中机身上下表面的空气串流，维持上下表面更大的压差而使飞机机身产生尽可能大的升力。另外还一个作用是当飞机发生气动主起落架8事故放不下来时，条板架17下方几百个小橡胶轮35能帮助飞机化解事故而安全降落。条板架17所受的荷载是静荷载，所以虽然飞机重量很大，但是条板架17下方安装有几百个小橡胶轮35，每个橡胶轮35受力并不大。当然为了减轻自重，可采用复合材料制造条板架17的骨架。图16表示从机身侧面看条板架17。从图17中可以看出条板架17的高度必须大于起落架舱门37放下后的高度，同时条板架17的左右安装位置也不能影响起落架舱门37的开閉和气动主起落架8的上下收放运动。当飞机要起飞时，气动主起落架8的活塞向下伸展而使其下方的橡胶轮35支撑机身上移，则此时条板架17全部离开地面而悬空。

图18表示安装在机身横剖面中心线的条板架17，它与两边的区别是其骨架做成对称形状而已。图19是表示另外一种更简单的条板架17，其简单处是将橡胶轮35改成固定安装橡胶条39，这样结构简单，飞行阻力小一点，但是当飞机发生气动主起落架8事故放不下来时，也不能帮助飞机降落，所以两种形式的条板架17各有优缺点。

另外说明，本发明技术是属于航空飞行器的基础理论研究，因此虽然本发明飞机说明书描述的是大飞机，但是其基本原理也适合各种中小型飞机的总体气动设计。只是因为现在的民航大飞机的总体气动设计几十年没有什么变化，为了保护地球，节约燃油和减少空气污染，所以大飞机的改进创新更为重要，所以本说明书以大飞机作为实施例来描述更为现实和必要。

Claims (5)

1.一种柔性起飞降落的活动翼大飞机，它包括机身、驾驶舱、客舱、机身尾、活动翼、发动机、垂尾和气动起落架有序组成，其特征是：机身呈平面长方形，机身纵剖面与活动翼和机身尾组合成为机翼剖面形状；其中驾驶舱布置在机身最前端，机身后端是机身尾，机身尾可以绕转轴上下旋转而兼作平尾；活动翼通过摇杆和作用筒协同运动可以从客舱顶部向上分离一段距离并倾斜；机身两侧安装有气动前起落架和气动主起落架，气动前起落架安装在前起落架舱内，若干个气动主起落架安装在主起落架舱内；机身底板下方纵向平行安装几个条板架。

2.根据权利要求1所述的柔性起飞降落的活动翼大飞机，其特征是：活动翼前部通过铰座与安装在主起落架舱内的作用筒连接，作用筒的伸缩运动使活动翼绕摇杆上端的铰座转动而改变活动翼相对机身平面的倾斜角；活动翼后部也通过铰座与安装在摇杆舱内的摇杆连接，摇杆上端又与作用筒的上端铰接，作用筒的伸缩运动使摇杆上下摇转而改变活动翼后部与客舱顶板的距离；通过前后两种作用筒的协同组合运动，既可以使活动翼离开客舱顶板一段距离并倾斜产生迎角，又可以反之运动使活动翼收缩回到紧贴客舱顶板的位置。

3.根据权利要求1所述的柔性起飞降落的活动翼大飞机，其特征是：气动主起落架由活塞缸体、若干个活塞、提耳和橡胶轮有序组合而成；活塞可以在活塞缸体的汽缸内上下运动，下方的活塞也可以在上方的活塞内上下运动，但是上下运动的距离受到活塞环挡的限制，使气动主起落架的总高度是一个限定的最大高度，活塞环挡通过螺纹与活塞缸体下圆环和上方活塞的下圆环连接；活塞还受到安装在导管孔的导管的约束，它们只能上下运动而不能水平旋转，从而保障气动主起落架下方的橡胶轮的转动方向不变。汽缸与活塞之间、活塞与活塞之间的密封是通过采用密封圈而实现；下方活塞的下面设有提耳，橡胶轮通过螺栓安装在提耳内；整个气动主起落架是通过活塞缸体上方的安装圆盘再用螺栓安装固定在主起落架舱的上边结构上，而且几个气动主起落架的加强撑杆必须通过螺栓安装固定在一起，增强承受飞机降落时承受地面反冲击的整体刚度。

4.根据权利要求1所述的柔性起飞降落的活动翼大飞机，其特征是：气动前起落架下部结构与气动主起落架相同；不同之处是气动前起落架上部是通过环形盖板压装在安装圆盘上，安装圆盘再通过螺栓安装固定在主起落架舱的上边结构上，整个气动前起落架可以在环形盖板内水平旋转，但不能上下运动；通过安装在活塞缸体顶面的摇臂用连杆再与作用筒活塞连接，作用筒内活塞的水平伸缩运动就能控制整个气动前起落架的水平旋转，即控制气动前起落架下方的橡胶轮的转向。

5.根据权利要求1所述的柔性起飞降落的活动翼大飞机，其特征是：长条形的条板架下方通过螺栓安装若干个橡胶轮，也可以简易安装简易长长的橡胶条。几个条板架分别安装在机身底板下方的两侧边缘处和纵向中心线上。