CN1693102A - 一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机翼增升技术的三栖汽车的原理、装置以及两个实施例飞行汽车。汽车车身的纵向剖面选为具有大厚度、气动特性良好，极高升阻比的剖面形状。通过安装多元篷翼形成封闭涵道后，使展小比极小的汽车车身变成了能产生很大升力的“升力车身”。以“升力车身”为基础，进行全机设计，选用环形翼、涵道螺桨、滑流舵以及附面层吸除增升技术之后，设计出了第I种类型的飞行汽车。类似地，将“升力车身”和倒“V”尾翼组合成了第II种类型的飞行汽车。这两类飞行汽车都可借助辅助水翼和翻转引流小螺桨，在水中航行。本发明所设计的飞行汽车具有独特的无机翼特点，其公路行驶性能和空中飞行特性都能接近公路上跑的普通轿车和空中飞行的轻型飞机。

Description

一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车

技术领域

本发明涉及一种能在陆地行驶、空中飞翔和水中游弋的三栖飞行汽车，属于航空和汽车领域的多功能运输器。

背景技术：

自从人类发明了动力飞机100年以来，科技工作者一直致力于开发出一种同时具有飞机和汽车功能的多功能运输工具，国内外已有为数众多的与飞行汽车相关的发明专利或实用新型专利。至今，也有许多国家先后开发出了不少飞行汽车样机。例如，美国莫勒公司开发的M400飞行汽车、美国NASA的概念车(上班族的私人交通工具)Gridlock Commuter、波音飞机公司的车身带旋翼的飞行汽车、以色列的城市之鹰、荷兰的新世纪飞行号(PALV)和瑞士的RinspeedSenso等.国内一些单位和个人也有不少志士能人向飞行汽车挑战，但至今国内任尚未见到过概念车或模型车公诸与众。几十年来，虽然已有不少个人、机构或公司付出了大量的人力物力，企图攻克这个看起来不复杂的两用汽车，但至今收效有限。2004年9月，美国国防部研究院NASA和波音公司宣布他们已掌握了飞行汽车原理，但至少要到25年后才有可能投入实用。可见，目前世界上还是没有突破飞行汽车研制中的难关。到底根源在哪里呢？回顾世界上研发飞行汽车近一个世纪的历史经验和现状，似乎在研发思路上存在问题。最早期的飞行汽车表现为简单、机械、没有创意。发明者或制造公司简单地理解成将汽车车身安装上飞机的机翼，就成了能跑会飞的飞行汽车了。实际上，用这种简单的算术求和，两两相加的思路设计出来的所谓飞行汽车，是不伦不类的拼凑机械。在地面上跑，不如普通汽车快捷方便，在空中运动又不如飞机那么灵活、机动和安全。因此，很难推广。近年来，这种简单凑和的设计思想虽有改进，但不彻底，没有从根本上摆脱用飞机机翼加汽车车身拼凑出飞行汽车的老框框。只不过加上了现代控制技术而已。实际上，飞机和汽车是两种截然不同的、在两种根本不同的环境中运动的机械。本质的差别太大。要设计出兼有汽车和飞机功能的新东西，必须对两种运输器的原理和功能全部深刻理解，进行融汇贯通，互相渗透，才有可能性设计出两者性能兼备的、真正的飞行汽车。汽车的特点是公路上跑得快、安全、又便于驾驶。车身尺度要适合公路的尺度，特别是左右方向的宽度要控制在一条车道宽的范围内(1.6～1.8米左右)。另一方面，飞机在空中可自由飞翔。比地面上的汽车的速度要快，还可飞得高，飞得远、飞得稳，可在三维空间上6个自由度活动。汽车只能贴在地面的二维空间运动。主要是克服轮胎与地面之间的摩擦力。而飞机在空中飞行时，主要是克服空气阻力运动，但必须产生足够的升力，以支持整个飞机在空中不堕落。此外，两种运动机械的操纵方法也不同，汽车靠方向盘改变轮子的前进方向，飞机靠空气动力舵(升降舵、方向舵和副翼)来改变运动姿态。因此，必须致力于将两种运输器有机结合、互相渗透，你中有我，我中有你。之所以出现目前这种不能兼顾或顾此失彼的现象，是因为许多发明人对汽车车身研究甚少。他们孤立地处理无升力的汽车车身。把它当成地面的良性物体，空中的累赘和包袱。另外，一提到“飞”，就只想到普通的固定机翼(展弦比大于6以上)或直升机的旋翼，似乎非这两种具有大翼展的设备莫属！于是，为了缩小模向尺寸，就来一个折叠方法：地面行驰时，将大翼展机翼或旋翼收起来(转90°后)，纵向放置。升空时，再张开来，“横行霸道”。更有甚者，干脆放弃使用空气动力学的原理使飞行汽车获得升力，改用单纯的推力转向，获得法向力，类似于早期的垂直起降飞机，例如英国的“猎免狗”。美国的莫勒先生，正是基于这种轻视空气动力的设计思想，开发出M400飞行汽车，M400利用4～8台转子发动机，靠推力将汽车推上空中。从本实际上是一种火箭汽车，在设计上实在缺乏新意。结果是问题不少，成本太高。基于上述分析，本发明着重发挥先进空气动力设计技术的优势，在汽车车身上做好文章，将车身和机翼融为一体。要设法使车身能产生足够大的升力，避免采用横向尺寸过大的固定机翼或旋翼。当车身变成具有足够大的升力后，就为设计出性能优良的飞行汽车奠定了坚实的基础。

发明内容

本发明的主要内容在于应用本人的另一发明-“使小展弦比机翼增加升力的方法与装置”中的思路，将原先不产生升力的汽车车身，设计成能提供足够升力的“升力车身”。在不另外安装固定机翼或旋翼或只安装具有横向增稳作用的辅助小翼的情况下，设计出飞行汽车。这种飞行汽车具有良好的升阻特性，很高的升阻比。对动力装置的功率大小，没有特殊的要求。所要求的功率基本上和普通汽车一样，而飞行性能却能和轻型飞机篦美，地面行驶性能和普通的轿车无异。这是一种真正意义上的“飞行汽车”。

首先，将飞行汽车车体的纵向剖面设计成适当的翼型剖面，例如LeibeckL1300翼型剖面或经过改进的类似翼型剖面。其特点是相对厚度特大，但升阻比却特大(大于200)。可是，由于汽车车身的宽度不能大于一个车道的宽度的80％，通常在1.6～1.8米之间，而汽车车身长度约为5米，于是，汽车车身的展弦比大致为0.32～0.36，属于超短展弦比，根据空气动力学理论和实践的结果表明，在这么小的展弦比的情况下，由翼剖面形状构成的车身的升力系数(例如在10°迎角时)只有无限翼展情况下的15％左右。在10°迎角时，无限翼展(二维翼型)升力系数为1.1。而具有同样剖面形状的车身的升力系数却只有0.16左右。为了解决车身升力系数过小的问题，采用本人另一专利(02133862，PCT/CN/0301035)的原理，提出利用多元篷翼来进一步增加升力的方法，即，在翼型车体上面(上翼面)平行放置2～3片与上翼面曲率相同的篷翼片，左右两端密封，创造二维翼型的条件。结果可使升力极小的车身改变成具有高达2.8左右升力系数(对应10度迎角)的高升力体。满足了具有通常的车身宽度的飞行汽车，在不另外安装固定翼或旋翼的情况下，也可达到升空飞行的要求。

有了升力车体后，就可进行全机气动布局，选用发动机的功率，设计和安排稳定安定面和纵、侧向操纵***。按适航条例规范的要求，在满足静稳定裕度的条件下，确定水平层翼和垂直尾翼的布局和结构，最后，设计出符合操纵性和稳定性规范要求的飞行汽车。

不安装固定翼，只靠车身来产生升力，也会带来横滚方向的固有静不稳定问题。飞行汽车的抵抗横滚干扰的能力很差，必须解决这个问题。有多种方法可采取。例如，对静不稳定***加入人工阻尼，通常加装由垂直陀螺组成的负返馈控制回路来实现自动增稳。另一方法是采用滑流舵的局布，产生反应常数小，操纵力矩大的操纵效应，由飞行员感受横滚趋势，迅速用手动操纵机构进行纠编，提供有效的人工阻尼，使横向运动稳定。第三种方法是加装环形辅助机翼，上面带有横滚稳定翻板，在空中飞行时，横滚稳定翻板伸展开，可增加横向稳定性。尾部操纵机构形式也有多种选择，例如倒“V”双立尾叉动舵的布局和环翼、涵道螺旋桨和滑流舵布局等。

下面要通过附图进行详细的、具体的说明。

附图说明：

图1，用做飞行汽车车体的“升力车身”

图2，本发明的第一实施例-I型飞行汽车全机示意图

图3，I型飞行汽车前视图

图4，环形尾翼纵向剖面图

图5，抽吸与推进螺旋桨换向装置

图6，用于水中航行的水翼

图7，横向增稳自动器负反馈回路方框图

图8，控制涵道进气量的可滑动挡板及滑槽。

图9，本发明的第二实施例-II型飞行汽车全机示意图

图10，II型飞行汽车后视图

具体实施方式

结合图1至图10，详细说明本发明的两个实施例。

图1是本发明的飞行汽车车身，纵截面1是一种具有相对厚度、升阻比特大的翼剖面形状。车身上方安装有3片用于增升的篷翼2、3、和4。篷翼片平行于基准翼型的上翼面，结构上和基础翼型的本体(即车身)机械连结在一起。三片篷翼形成了三个左右密封的涵道。由于二维效应和篷翼的作用，这种车身具有很高的升力系数和大的升阻比。图2是本发明的第一实施例-第1型飞行汽车的原理示意图。其特征是升力车身1加上作为纵侧向稳定装置的尾部环翼2，再加上四个车轮14连接到车体下方。图3是I型飞行汽车的前视图。可以看到三片篷翼形成的三个左右封闭的涵道。图中的7是用于引导气流量控制板张合的导槽。图2中的环形翼2的纵向剖面绘于图4。由图4可见，飞行汽车的推进螺施桨3安置在环翼内最前沿，形成效率很高的涵道螺桨。环翼的后部安装了两对双双可以同步同向偏转和叉动偏转的滑流舵4(管纵向和横滚控制)和5(管升降和横滚控制)。由图1的后部，可见到三个小螺桨8、9、10置于篷翼形成的槽的后端出气口。空中飞行时，三个小螺桨工作，可吸除涵道四周的附面层，同时，可加快气流流动速度，以产生更大的负压区，起到主动增升的效果。图5表现出小螺桨的两种工作状态。当飞行汽车下到水中航行时，通过连杆16绕绞链轴17旋转180度后使小螺桨8翻转到车体的下方。为了使小螺桨在“水航”状态下可当作推动车体前进的推进器用，应通过控制电机经过皮带15，带动螺桨8反转，推动水流往后运动，使车体获得向前的推进力。图6表示出水翼11的结构型式。水翼安装于车身底部，不需要使用时，紧贴在车身下方。当飞行汽车进入水中航行时，水翼通过两组机械连杆12和13平行地向下推出。连杆12与液压作筒桶相连，可以控制其上下停留的位置，从而改变了水翼的迎角。图7是用于提供横滚稳定性的负返馈控制回路。图8表示了在飞行汽车前缘位置安装的一片涵道气流控制板6及导槽7。控制板可沿槽7上下滑动，使涵道口完全敞开、完全封闭或处于中间位置，从而达到控制升力的大小。

图9是本发明实施的第二个方案一II型使小螺桨的全机示意图。这个方案的车体同样是采用‘升力车体’1，但在两方面与I型飞行汽车完全不同。第一方面，增加了辅助环翼2。这种环翼会产生一定的升力。环翼的下半部份是可以张合的提供横滚阻尼的两块弧形板3。第二方面的区别是尾翼部份采用了倒“V”型的水平和纵向安定面4。安定面后部安装一对可以同向偏转也可做叉动的舵面5。图10表示了II型飞行汽车的后视图。由图可见，作为动力装置一部分的螺旋桨8安装在飞行汽车后部，置于倒‘V’之内。II型飞行汽车的横向稳定性是通过安装翼展较长的辅助翼板3的空气动力阻尼力短来保证，无须引入横滚稳定自动器。其缺点是增加了环形机翼后，全机重量会有所增加。方向舵和升降舵的效率不如滑流舵高。

本发明的实施例子，不限于这两个。应用本发明所提供的原理，还可以设计出许多种其他布局的飞行汽车。

Claims (10)

1、一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，由升力车身、环状尾翼、涵道螺旋浆、滑流舵、水翼和横滚稳定自动器加上四个车轮所组成。

2、一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，无固定机翼或旋翼，由升力车身、倒“V”尾翼、后置螺旋桨、辅助环翼及其横向稳定阻尼板、水翼加上四个车轮所组成。

3、根据权利要求1和2所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：所述升力车身，由一种具有大厚度，高升阻比气动特性的翼型的上表面安装几片互相平行的、两端密闭的篷翼所组成，篷翼与具有翼剖面形状的车身连结成一体。

4、根据权利要求1所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：尾部安定装置是由一个纵向剖面具有机翼剖面形状的环形翼组成。

5、根据权利要求1、所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：推进螺旋桨置于尾部环翼内，形成涵道螺桨。

6、根据权利要求1所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：方向舵和升降舵都安装在尾部环翼内的后部，各个舵面由安装在环翼内壁的两片可独立偏转的、能同向偏转和叉动的簿翼型结构所组成。

7、根据权利要求1所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：横滚稳定自动器是由垂直陀螺作为灵感元件，以横滚速率为控制变量组成的负返馈控制回路。

8、根据权利要求1和2所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：底部安装有可以向下垂直推出，可改变迎角的具有良好气动性能的矩形辅助小翼做为水上运动的水翼。用于吸气控制附面层的小螺旋浆可以向下翻转180度，成为飞行汽车水上航行的推进螺旋桨。

9、根据权利要求2所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：一个环形翼环包车体，安装在升力车身两侧和上方，环翼的下半部由两屋结构组成，外面一层可绕一平行地面的水平轴旋转向上张开到水平位置。在地面行驶时，这一层将收起，紧贴环翼。

10、根据权利要求2所述的一种基于机翼增升技术的三栖飞行汽车，其特征在于：尾部安定面由倒“V”型的两个翼面组成，每片安定面的后缘部份，安装有一个舵面，可以同方向偏转，也可做叉动。

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