CN1948084A - 一种新的旋翼风扇升力控制方法及可直升飞行汽车 - Google Patents

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Abstract

提出一种新的旋翼风扇升力控制方法及采用此法的可直升飞行汽车，属新型交通工具技术领域：采用旋转启闭双层开孔半球(半椭球)壳状气流阀直接控制涵道风扇空气流量以控制升力；在此法基础上设计一种简单实用的可直升飞行汽车(轿车)，反转双旋翼涵道风扇竖直置于车中部，底板有喷口组及气流调节栅片组；两侧有可折叠及伸缩的辅助机翼；车尾有双垂直翼(及方向舵)、平翼(及升降舵)、尾部喷口；引擎后置；驾驶、乘员仓前置，系列操纵机构。旋翼叶片迎角固定，与桨毂牢固结合，整体坚固，可高速旋转，直径较小，使得飞车结构简单紧凑，机翼缩合折叠后宽度可2米左右，适宜道路行驶，又可机动升空飞行(若底板附充气橡皮袋后还可降落水面)。

Description

一种新的旋翼风扇升力控制方法及可直升飞行汽车
技术领域
本发明涉及一种新的旋翼风扇升力控制方法及应用此法的涵道旋翼升力风扇和实用型可直升飞行汽车(轿车)，属于新型(家用、公用)陆、空(及水面)交通(游览)工具技术领域。
背景技术
现有直升机采用变距机构改变旋翼叶片迎角进而改变旋翼桨距的方法来控制升力，使得旋翼桨毂结构复杂，旋翼总结构强度、可靠度不高，不宜高速旋转(一般200转/分钟左右)，而为了获得大的升力只有采用大直径旋翼(现有载人直升机旋翼直径最小也要5米以上)，这决定了一般直升机(及把直升机式旋翼与汽车拼装组合的“直升飞行汽车”类)不能在地面道路行驶。一般飞机(甚至轻型载人飞机)由于宽展的机翼也不能在地面道路行驶。把飞机和汽车拼装组合的“飞行汽车”由于不能直升且需频繁麻烦地拆装也不实用。近些年一些外国专家研制的“飞行汽车”，如美国穆勒国际公司的M400等，结构复杂，造价昂贵，与汽车结构相去甚远，难以适应道路长途行驶，非一般可用，且可靠性安全性可疑。另外，采用改变油门来改变发动机转速进而改变升力风扇转速和升力的方法由于风扇响应滞后也不安全。
发明内容
本发明提供一种新的旋翼风扇升力控制方法，即通过直接控制涵道风扇进气流量(工质流量)控制升力[如采用旋转启闭双层开孔半球(半椭球)壳状气流阀1(图8)]，及应用此法的真正实用型可直升飞行汽车(图1)，既能机动垂直升降飞行，也能像一般飞机起降飞行，还能在地面道路(包括城市街道)行驶(且进而若在车底板下附加橡皮气囊，充气后也可在水面漂浮、行驶)。遇空中紧急危情时可用压缩空气(或燃药***)快速撑伞整体降落。结构简单，安全可靠，成本造价低廉。
具体实施方式
本发明的目的可以通过以下技术方案达到：
在互反转双旋翼涵道升力风扇筒5进风口上，(经可弯补偿接头12连接)安装可相对旋转双层(均开有等间隔气窗的以轻质金属、合金或复合材料制)半球壳(或半椭球壳)构成的进风量(气流)控制阀门1(图8)，通过作动机构23相对旋转半球壳(半椭球壳)启闭和调节气窗通风面积大小直接调节进风量(联动调节引擎油门)来控制风扇旋翼6(图13)产生的升力。壳顶中心有紧急降落伞仓2，降落伞折叠存放，紧急时可以压缩空气(或燃药***法)快速向上撑伞。风扇叶片(轻金属合金或复合材料制)与旋翼毂刚性连接，且约在直径2/3处环带连接加强，迎角从叶梢到叶根逐渐变大，上下两旋翼叶片产生迎角的扭转方向相反。各风扇旋翼6(图13)总桨距固定不变，结构紧凑坚固，可高速旋转(可选速度范围1000-4000转/分钟)。风扇涵道筒5下部夹壁内设螺旋环绕的细径薄壁不锈钢管(或铝等轻金属合金管)22，连接引擎汽缸水套，串接微型水泵以水循环给引擎散热。将此涵道旋翼风扇上下旋翼之间水平伸出管状力桥10的两头经轴瓦套在飞车中部两侧吊耳上，以吊篮方式竖直安装在车身中腹部。涵道风扇轴线与飞车纵轴线夹角可在一定范围(约75°-105°)变化。水平管状力桥内有传动轴11，中部动力机匣7内有互相啮合的4个伞状齿轮(图12)。管状力桥两端伸出传动轴头安有单向离合器8-三角皮带轮(链轮)9组合(图10)，与车后部复合变速器箱14输出端以三角皮带(链条)传动连接，机匣两侧两半轴反向旋转，带动上下两旋翼风扇反向旋转。半球壳(或半椭球壳)构成的进风量控制阀门1、上下可弯补偿接头12、13、反转双旋翼6、涵道风扇筒5及下述底板喷口组31、气流调节栅片组4可构成升力套件总成(图7)。下部可弯补偿接头13处设出气口分别与引擎进气口、尾喷管相连接。动力引擎15置车后部。车尾部两侧有带阀门的三通喷气管，两个向后主喷口20，左右侧向喷口21各一)。两垂尾16上有方向舵17，顶部平尾18上有升降舵19。驾驶、乘员室在车前部，前中为驾驶员座位，其两侧为(可前后小幅调整的)乘员座位。驾驶员座位前有仪表盘(地平仪、转弯侧滑仪、高度表、空速表、升降速度表、转速表、油量表、地面速度表、滑油压力表、引擎温度表等)，方向(机)盘24(控制地面和空中转弯)；下部及左右有离合器-刹车踏板、变速器操纵杆、方向舵机踏板(一对)、(俯仰、增升)操纵杆(控制两侧襟翼，尾部升降舵)、油门踏板、涵道风扇进气阀门(油门联动)操控手柄，辅助机翼展缩操控手柄等。车身中部两侧铰接有可折叠可伸缩(带锁定装置的)辅助机翼3，辅助机翼分内外两段(图3)，外侧段25可缩入内侧段26(图3)，内、外翼段外端头各有向下垂直伸出30-20cm的防翼尖涡流的气流挡板29、30。内侧段比外侧段宽出的部分有襟翼(兼副翼)27。为使外侧翼段伸展出后内侧翼段仍能承受上下气压力，将内侧翼段外壳结构适度加强，设带锁定装置的活动翼肋28可(随外翼段伸出)沿内翼梁滑动分散定位支撑。车中部底板有并列两组可调节喷气流中心位置的喷气口组31、可偏转叶栅组4，上罩有半圆弧面穹顶组32，各穹顶弧面均等间隔开有5-7长条形通气孔，气流调节栅片可联动旋转栅片上端似刮板贴穹顶下表面移动偏转，调节气流量和方向。喷口组前后各有2-4个滑动挡板33可在穹顶上表面前后滑动，阻挡前部或后部气流以调节喷流中心位置，调节前后俯仰平衡。车身前后悬架安装4个车轮，前面2个导向，后2个为驱动轮，后轴桥上有差速器，输入轮与复合变速箱经三角皮带(或链条、齿轮)连接。燃油箱可做成4个分布在涵道***，也可做成一个环套状夹层套在涵道下部***。车身纵截面为厚机翼型(中部车顶似飞碟形)(图1)。
地面停车状态时，复合变速器处于空档(0档)，两侧辅助机翼呈收缩并向下折叠状(锁定)，紧贴车身(如图6)。
在地面行驶时，两侧辅助机翼呈收缩并向下折叠状(锁定)，紧贴车身，此时车身总宽度可近于2米；变速杆位于地面挡范围某一档位，引擎驱动车后轮；中部底板上的喷气口气流调节栅片均向上关闭；中部车顶的半球(半椭球)壳状进气阀关闭，仅在前面留一进气口，以便向引擎供气；此时方向机(盘)仅控制2个前车轮；平尾的升降舵处于水平并稍向下弯一定角度，以在地面高速行驶时抵消车底板升力，保证前轮抓地，保证方向操纵性。
在停车状态下垂直升空时，在空档(0挡)发动引擎后，向下垂直打开底版上的喷气口气流调节栅片组，关闭两个尾喷口(及其边上的侧喷口)，脚踩离合器踏板将变速杆向前推到尽头，即挂上空中飞行挡(此时由于联动机构使得方向机与前轮脱离，转而控制尾部侧向喷口及两侧副翼)，待(涵道反向双旋翼)升力风扇转速达到额定值(及滑油压力达到正常值)后，拉动(联动)控制扳手，逐渐打开半球(半椭球)状气流阀，加大进气流量及引擎油门，随着进气量及从车底板喷气口组喷出气流加大，升力即逐渐加大。待半球(半椭球)壳状气流阀开度达全开度的约2/3时，升力即稍大于车重量，飞车开始慢速垂直升空，待离地2-3米时，稍推动扳手减小升力维持悬停一会儿，检查车身平衡状况(观察地平仪或水平仪)。若前或后偏重，则通过平衡调整扳手调整底版喷口组喷气流中心位置(关闭部分前部或部分后部喷口)，待平衡后再加大气流继续上升。升到某一高度时，可操纵机构平展(及伸展)开左右辅助机翼(图2)，增加侧向平衡能力。周围开阔时，也可以先展开机翼(或半展机翼，譬如只展内侧翼段不伸外侧翼段)再垂直升空
升到某一高度悬停时，控制气流阀扳手使得进气量(及油门开度)大小所产生升力大小与车重一致。若要较长时间悬停，除维持前后平衡外，在周围无障碍物时，可展开辅助机翼增加侧向平衡度。
升到预定高度准备平飞时，展开辅助机翼，操纵扳手一边加大进气量，一边使得底部喷口组气流调节栅片缓缓向后下方倾斜，即能改变喷出气流方向(向后下方喷出)，则对车身施加一个向前上方向的力，其垂直分量维持升力，水平分量为推动车向前加速运动的力。在一定允许范围内，向前水平分力(推力)随进气量增大及气流调节栅片向后倾斜度增大而增大(反之适度减小)，可控制车加速或维持匀速平飞。水平加力也可采用另一方法：维持底板喷口组气流叶栅下垂向下喷气，一边加大车顶气流阀进气量，一边(缓缓)打开尾部喷口向后喷气，即可产生向前推力。低速平飞时，也可只展开辅助机翼内侧翼段。
空中左、右转弯时，有几种情况：1、悬停时调转车头方向，可用尾部三通喷口的侧向喷口喷气，向左转可用尾部左边侧向喷口喷气，反之，向右转可用尾部右边侧向喷口喷气[操纵时只要向相应方向转动方向(机)盘即可]。2、低速平飞时转向，可用尾部三通喷口的侧向喷口喷气，辅以操纵尾部方向舵及机翼上的两侧副翼(兼襟翼)27。3、高速平飞时转向，可主要用操纵(脚蹬)尾部方向舵和两侧副翼(使转向侧的副翼向上偏转、另侧副翼向下偏转)的方法。
空中减速时(或倒飞时)，可关闭尾喷口，并一边适当加大进气流量增大升力(原高速时也可配合使两侧襟翼全放下)，一边操纵底板喷口组气流调节栅片向前下方偏转，产生反向喷气分量，使车空中减速。速度减至零(悬停)时改为向下喷气；继续向前下方(小流量)喷气一段时间可使车以低速倒飞一段距离。
空中边减速边下降降落时，可关闭尾喷口，操纵底板喷口组气流调节栅片向前下方偏转，产生反向喷气分量，使车空中减速，同时减小向下喷气分量，减小升力至稍小于车重。
空中悬停状态下下降、降落时，可减小顶部半球(半椭球)状进气阀开度，减小升力至稍小于车重，可垂直下降。接近(非开阔)地面时先收缩折叠辅助机翼，再着陆。
地面停车状态下(像一般飞机)常规起飞时，空档(0档)时发动引擎，关闭底板的喷气口组气流栅片，打开尾部喷口，完全展开两侧辅助机翼，脚踩离合器踏板将变速杆推到尽前头，挂上空中飞行档，准备起飞时可完全打开顶部进气阀(联动加大油门)，使车加速滑行，速度升至一定时，可操纵尾顶部升降舵及辅助机翼的襟翼升空。
升至某一高度，可操纵尾顶部升降舵及辅助机翼的襟翼改为常规平飞。常规平飞时平衡车重的升力为：1、辅助机翼升力；2、车底板产生的升力；3、平尾升力。
常规飞行降落时，可减小尾部喷口喷气量，使车减速，升力减小，逐步降低高度。降到一定高度时将两侧襟翼27向下偏转最大角度(一定程度增加升力)。接近地面时，操纵尾部升降舵稍微抬升车头使车尾部车轮先着地，继而前轮着地。完全着地后可使用刹车使车停下。
降落着地后欲即改为地面行驶时，可收缩折叠辅助机翼，在完全着地后将复合变速器档位调到地面行驶档。
在地面行驶状态下飞升时，譬如在一段笔直而开阔的高速公路上行驶时，左右及前后一定距离内均无其它车辆物体时，欲改为升空飞行，可打开尾部喷口，脚踏离合器将复合变速器档位调到空中飞行档，并缓缓展开机翼，待完全展开后，松开离合器，拉动扳手打开顶部进气阀并(联动)加大油门，继续加速至一定速度时，操纵尾平翼的升降舵(及两侧襟翼)可使飞车飞升。
若在车底板(除了两组喷口及4个车轮位置留孔)附加(一定容量)可充气橡皮袋，连接附加的小型打气/抽气泵，在陆地行驶及空中飞行时维持一定负压使得橡皮袋紧贴车底板；当飞到水面上空需要降落水上时，可用打气泵使橡皮袋充分充气(变成橡皮筏)，体积膨胀到其能排开水量足以支撑车重时，缓缓降落水面(充气橡皮袋接着水面时完全关闭底板喷口组栅片)。在水面可用尾喷口推进，尾两侧喷口控制转向。
附图说明
图1：应用控制涵道旋翼风扇进气流量方法以控制升力的可直升飞行汽车整体结构侧视(主视)简图(示意图)[1为双层半(椭)球壳涵道进气流量控制阀门，2为应急降落伞仓，3为可折叠可伸缩辅助机翼，4为底部喷口的可偏转叶栅组，5为涵道升力风扇筒，6为升力风扇旋翼，7为风扇动力机匣，12、13分别为上下可弯补偿接头，14为复合变速器箱，15为动力引擎，16为垂直尾翼，17为方向舵，18为平尾翼，19为升降舵，20为后主喷气口，21为侧向喷口，23为操控半(椭)球壳进气阀门的作动机构，24为方向(机)盘，25为辅助机翼外侧翼段(端头)，26为内侧翼段(端头)，27为襟翼兼副翼，28为内侧翼段中的可活动翼肋]。
图2：该可直升飞行汽车空中展翼飞行状态简图(俯视图)[25为伸出状态的可伸缩外侧翼段，26为内侧翼段，27为襟翼兼副翼，28为内侧翼段中的可活动翼肋，29为内侧翼段外端垂直朝下的气流挡板，30为外侧翼段外端垂直朝下的气流挡板]
图3：一侧辅助机翼伸展状态俯视简图。
图4：一侧辅助机翼缩合状态的简图，外侧翼段已缩入内侧翼段，内侧翼段的活动翼肋呈密集叠合状态。
图5：辅助机翼截面示意图[25为内侧翼段，26为缩入的外侧翼段，27为襟翼兼副翼，29为内侧翼段外端垂直朝下的气流挡板，30为外侧翼段外端垂直朝下的气流挡板]。
图6：为从迎面看的该可直升飞行汽车外观示意简图[3为呈向下折叠状态的缩合辅助机翼，18为尾部平翼]。
图7：可用于该可直升飞行汽车的可控升力套件总成(示意图)。
图8：双层半(椭)球壳涵道进气流量控制阀门(示意图)。
图9：可弯(环带状)补偿接头示意简图。
图10：涵道风扇筒及(沿直径方向穿过的)管状力桥[8为单向离合器，9为三角皮带轮(链轮)，10为力桥钢管，11为传动轴]。
图11：涵道筒及其夹壁内的密绕螺旋状散热(细径轻金属)管22。
图12：旋翼风扇动力机匣结构示意图。
图13：旋翼风扇结构示意图。
图14：底部喷口组上的喷气方向、流量调节装置示意图[4为可偏转调节叶栅片(组)，31为底部喷口组，32为开有条状通气孔半圆弧面穹顶组，33为半圆弧面滑动挡板]。

Claims (9)

1.一种新的旋翼风扇升力控制方法，原理上不同于变迎角变桨距，也不同于变转速，而是采用固定桨距和额定转速，通过调整气流阀门开度直接控制通过涵道风扇的空气流量(同时联动调节发动机油门维持恒定转速)来改变、调整和控制升力大小。
2.应用如权利要求1所述方法的气流控制阀门装置1，装在涵道风扇筒5进气口上，结构为可相对旋转滑动的内外双层半球壳(或半椭球壳)，两层壳上开有若干相同数量(沿圆周角均匀分布)的气窗(通气孔)，相邻气窗间的隔栅形状宽度(面积)与气窗大小一样，两层壳相对转动可改变通过气窗进入风扇涵道的空气流量。为便于旋转，双半球壳(椭球壳)与风扇涵道连接处装有轴承。(如图8)。作动机构23带动双层壳相对旋转。
3.应用如权利要求1和权利要求2所述方法、装置的可直升飞行汽车(轿车)(如图1)，总体结构布局为：车身用前2后2共4个车轮，经减振悬架支撑行走；后轴桥有差速器，车身前部为驾驶室(乘员室)，驾驶员座位在前中，其两边(可前后微调)为乘员座位；驾驶员座位前有仪表盘，方向盘24，下部及左右分别有(俯仰、增升)操纵杆，变速杆，离合器-刹车蹬，左右方向舵蹬，油门踏板，辅助机翼折叠-展开及伸缩操控手柄，旋转半球(椭球)壳气流阀控制杆(联动油门杆)等。车身后部装动力引擎15(活塞发动机，或转子发动机，或涡轮轴发动机)，离合器，复合变速器箱14，双垂尾翼16(上部有方向舵17)及其顶部水平尾翼18(后沿安有升降舵19)，后部中下部左右各一组三通喷气口20、21(内有阀门)，后下车轴桥上有差速器，发动机前的变速箱左右各伸出一带三角皮带轮(或链轮)的水平轴(转向相反)。车身中腹部竖直安装一套反转双旋翼的涵道风扇5(结构见图10)，每扇旋翼6(见图13)有数量超过4片的宽弦叶片，叶片从叶梢到叶根变迎角，旋翼固定总桨距，直径可在100-180cm左右选择，直径约2/3处以环带加强连接各叶片；上下两旋翼叶片产生迎角的扭转方向相反)，旋翼可高速反向旋转(允许固定转速可在1000-4000转/分钟范围选择)，进气口上装有如权利要求2所述双层半球壳(半椭球壳)进气阀(球壳阀顶部突出车顶一定高度，轮廓有点类似飞碟，图1、图6)，顶部有应急降落伞箱2和快速开伞装置，可在空中紧急状态时用压缩空气(或燃药***)向上快速张开伞，防止飞车坠毁和人员摔伤。车身两侧各安装一副可折叠可伸缩(辅助)机翼3(详见图3、图4)。
风扇涵道下部与车厢中部底板上两列纵向并排(矩形)喷气口组31相连，喷气口(组)安有气流调节栅片组4(见图14)。
4.如权利要求3中所述涵道风扇，涵道筒壳下部内外壁间为细径薄壁不锈钢管(或其他轻质合金管)密绕成的螺旋管22(图10、图11)，两端出口连接引擎汽缸水套用以引擎散热，且重量较上部稍大，可使涵道由于重力自然保持竖直。反转双旋翼中间为一四通状动力机匣7(详见图10、图12)，内有4个相互啮合的伞状齿轮，其中上下相对的两个分别安在上下两段带花键的短轴上，短轴上套有压力轴承和向心轴承，两短轴另端各自安装上下风扇旋翼6(图13)，轻质合金或复合材料制成，上下旋翼的叶片迎角扭向相反)。水平相对的两个伞齿轮分别安在左右两段动力传动轴连接短轴上，两传动轴内端头与连接短轴以花键连接，外端头各有一个单向离合器8，离合器外周是三角皮带轮9(图10)。传动轴11安在与四通机匣左右口连接的承重钢管(轴桥)10内(见图10)，钢管(轴桥)另端通过滑动轴承套在飞车两侧的吊耳上，使涵道风扇与飞车车身成吊篮式结构，车身轴线与风扇轴线夹角可在一定范围(75°-105°左右)变化。涵道风扇进气口与半球(椭球)壳气流阀间，以及涵道下出口与(位于车中部底板的)下喷口组间，各有管状可弯补偿接头12、13(图9)，下部管状可弯补偿接头13处有出气口分别与引擎进气口、尾喷管相连。
5.如权利要求3中所说的飞车中部底板上两侧并列喷口组31，两列之间隔有一定距离(20-80cm左右)，每列5-9个(矩形)喷口，喷口上罩以半圆柱壳穹顶32(图14)，每个穹顶上有5-7个等间隔长条形通气孔，下面矩形气流调节栅片组4的栅片可联动绕中轴(联动)旋转，栅片上边可如刮板紧贴穹顶下表面旋转，调节喷气流方向及大小。每列的前后各有2-4个穹顶上表面有滑动挡板33用以调节气流通过部位以调节前后俯仰平衡。
6.如权利要求3所说的后置复合变速箱14，输入轴接离合器，输出轴端两个，一端经链条或三角带或短轴与后轴桥差速器连接，另一端经齿轮连接箱外前左右两段同心短轴，使两短轴反向旋转，进而经三角皮带轮(或链轮)、三角带(链条)、三角皮带轮(链轮)9-单向离合器8组合，带动动力机匣左右的动力半轴反向旋转，使上下旋翼风扇反向旋转工作。复合变速箱内齿轮机构可设置8-9个档位：升空飞行档(1-2个)，空档(0档)，地面行驶档6个(一档，二档，三档，四档，五档，倒车档)，可方便地变换飞车(地面)运动速度和空地运动模式切换。
7.如权利要求3所说的飞车两侧可折叠、伸缩(辅助)机翼3，均为两段构成，外侧翼段25(图3)厚度及宽度(弦长)小于内侧翼段26(图3)，内侧翼段翼根与车身中部顶侧铰接，内侧翼段宽于外侧翼段的部分为可上下转动的简单襟翼(同时兼副翼)27。外侧段可缩入内侧段，缩入后(图4)(辅助)机翼可向下折叠(至紧贴车侧身)(图6)。(辅助)机翼向上展平后内侧段可伸出，伸出后，外侧段根部连接的(原密集的)可平移分散支点组件(如作为内侧翼段内部活动翼肋28)也平移展开，在外侧段内腔起支撑内侧段上下翼面作用。内、外侧翼段翼尖处各安有垂直伸出一定长度(20-30cm)的气流挡板29、30(图5)以防翼尖涡流。向下折叠后机翼大致成竖直，内外段气流挡板插在车身底板下面，车身紧凑，可使总宽度只有170-200cm左右，适宜城市道路行驶。机翼向上完全展开后可使飞车辅助机翼总翼展达470-800cm左右，翼弦宽150-200cm左右。
8.如上所述飞车，外表面做成光滑流型，中部车蓬顶突出的半截半球壳面(半椭球壳面)气流阀使上部看似飞碟样结构，车身中部两侧辅助机翼在空中平飞行状态时展开(图2)，既可稳定姿态，又可产生升力；涵道风扇在垂直升降时产生大于、等于、稍小于车重的升力，又可在平飞时产生部分升力。尾部双垂尾16具有平飞姿态方向稳定作用，垂尾上活动舵叶17可在高速飞行时控制方向。双垂尾顶部平尾翼18既可在高速飞行时产生小部分辅助升力，低速飞行时稳定姿态，又可用其后沿的升降舵19在飞车采用普通飞机飞行时控制俯仰操纵起降。尾部喷管20可在普通起飞模式时及空中加速、平飞时时产生推力。控制两边喷尾管气流量差别(或控制尾部两侧向喷口21)可在低速飞行时控制方向。引擎既可用活塞飞机引擎，也可用涡轮轴发动机，还可用普通大马力汽车汽油机改造(改装)。
9.如上所述飞车，还可在底板(除了喷口组及4个车轮处留孔)附加可充气橡皮袋，连接车上附加的打气/抽气泵，平时(维持负压)紧贴车底板，需要时充足空气变成橡皮筏，可使得飞车降落水面行驶。
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