双主涵道超轻型垂直起降单人飞行器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，包括机舱主体和对称设置在机舱主体左右两侧上部的主涵道，机舱主体的下部设置有起落架；其中，所述主涵道内设置有螺旋桨，发动机通过离心式减速器传动给螺旋桨并驱动其旋转；所述发动机设置在主涵道中轴线的下部，所述主涵道喷口处还设置有导流板。本实用新型的双主涵道飞行器净重小于116公斤，高度和长度均小于1.9米，其体积相当于普通轿车的一半左右，这样对于起降的场地要求极为简单，适合在拥挤的城市起降和飞行，同时便于控制。
【专利说明】双主涵道超轻型垂直起降单人飞行器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于涉及一种空中飞行交通工具，更具体的说，本实用新型涉及一种双主涵道超轻型垂直起降单人飞行器。
【背景技术】
[0002]主涵道飞行器具有普通固定翼飞机及直升机不具备的众多优点，在军用和民用航空领域发挥着重要的作用。目前国内外，主涵道飞行器的设计和制造较多见于无人飞行器，而相比之下载人主涵道飞行器技术报道较少。较著名的无人主涵道飞行器有美国的GoldenEye, Kestrel和iSTAR，国内产品见于哈尔滨盛世特种飞行器有限公司及部分科研院所。主涵道式载人飞行器设计方案众多且众多设计各自具有特点，但基本组成部分基本相同。主要由引擎驱动的叶片，控制飞行姿态的主涵道和气流调节装置以及飞行器机身部分组成。较典型的设计有美国的城市航空航天公司和Trek航宇公司的设计。
[0003]美国城市航空航天公司(URBAN AERONAUTICS LTD.)在2008设计开发的双主涵道载人飞行器。其机身包括可升降的主涵道，推进主涵道，机身，起落装置及发动机等十个部分组成，载人数目可根据需要进行设计。主涵道包括，一个前进和一个后退的导流板，侧导流板同时调节气流控制中心。其主涵道构造，有多个插槽在主涵道周围排布。机身采用采用曲线设计以减少推进阻力，机身在横轴上排布一对推进叶片，人员座舱分布升力推进器中间位置和机身纵轴平行。设计采用的横轴排布的主涵道升降叶片产生升力，在机身侧边装有稳定器。飞行器的空重达700千克，最大起飞重量可达1400多公斤，采用涡轮发动机其输出功率超过900马力。但由于该设计使用至少两对四个主涵道结构，机身结构大，所需动力要求常规引擎很难满足要求。另外相同的载重能力和尺寸要求上，该设计较常规的飞行器上没有优势，而主涵道式飞行器一个重要优点就是结构紧凑轻巧。显然该设计不能满足这一要求。与本实用新型较为相似的设计方案是美国Trek宇航公司设计的单人主涵道可垂直起降飞行器。该主涵道飞行器采用118马力转子单引擎，垂直起降目前该设计仍处于测试阶段，其共有7个主要部分组成。分别为控制导流板、发动机散热器、方向控制手柄、可调脚蹬、高度调节手柄、逃生服和主涵道及叶片装置。该主涵道飞行器机高2.5米，机宽2.7米，净重167千克，常规载重274千克，最大起飞重量320千克，最大载荷102千克，燃油体积40公升；最大飞行速度97千米/小时，巡航速度80千米/小时，平飞速度27千米/小时，悬停高度1097米，最远飞行距离117千米，滞空时间1.5小时，爬升速度555米/分钟。该飞行器设计简洁，结构简单制造成本低廉。由于采用CFD建模，以此为基础的软件优化使得主涵道发挥出最佳输出效率。另外该主涵道飞行器的控制采用智能化设计，主涵道可在三个自由度上改变，智能化控制使飞行器始终保持最佳飞行状态。内嵌式GPS导航，防撞及定位系统均作为智能控制的反馈参数。该设计同时采用了，新型材料作为基础的传动技术使得动力输出损失小，表现平稳。同时加上118马力的转子发动机使该飞行器具有优良的动力系统，为飞行器的优良表现提供了保证。需要说明的是，尽管该设计较为简洁轻巧，但是由于该飞行器空重为167公斤，而我国民航法规规定，超轻型飞行器材重量应低于116公斤。因而该飞行器在我国不能作为超轻型飞行器使用，个人购买和驾驶需要相关机构的审核和批准。同时，受国内发动机工艺水平的制约，单主涵道飞行器的设计在我国显得尤其困难。采用进口发动机一方面会增加飞行器的设计和制造困难，另外也大大增加整个开发过程的工期和成本。因此，开发出一种重量低于116公斤，组装有国内轻型发动机技术的超轻型主涵道个人飞行器，更适合我国的国情，有利于个人飞行器材在中国的普及和促进我国轻型航空技术的发展。
实用新型内容
[0004]为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器。首先较传统的飞行器，本实用新型的轻型主涵道飞行器结构更为简单和紧凑，适合在拥挤的城市起降和飞行，同时便于控制。
[0005]为了解决上述技术问题并且实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案:
[0006]一种双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，包括机舱主体和对称设置在机舱主体左右两侧上部的主涵道，机舱主体的下部设置有起落架；其中，主涵道内设置有螺旋桨，发动机通过离心式减速器传动给螺旋桨并驱动其旋转；所述发动机设置在主涵道中轴线的下部，所述涵的喷口处还设置有导流板。
[0007]其中，所述机舱主体内还具有控制杆，所述控制杆通过传动杆控制所述导流板的旋转。
[0008]其中，所述机舱主体下部两侧对称的设置有稳定涵道，稳定涵道内设置灵活十字翼。
[0009]其中，所述机舱主体的顶部设置有降落伞装置。
[0010]其中，还具有发动机舱，所述发动机舱具有容纳腔的主体和设置在主体上的舱盖，所述发动机设置在所述容纳腔内，并且所述的舱盖上设置有矩阵通风孔，在所述发动机舱容纳腔的后部设置有百叶舱。
[0011]其中，所述单人飞行器的结构材料采用碳纤维或碳纤维包铝合金复合材料。
[0012]其中，所述主涵道入口最大直径不超过750mm，螺旋桨紧贴内壁内径直径处不低于650mm;所述主涵道的主涵道展弦比为1.5 ;所述主涵道出口直径与主涵道内径比为1.15-1.2 ;螺旋桨位于距离主涵道入口 I / 3处。
[0013]其中，所述发动机为涡轮增压的水冷发动机，发动机水循环系统排入主涵道下风口，整体上减小能量损失。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0015](I)本实用新型的双主涵道飞行器净重小于116公斤，高度和长度均小于1.9米，其体积相当于轿车的一半左右，这样对于起降的场地要求极为简单。
[0016](2)与现有的主涵道式飞行器相比，设计的主涵道飞行器具有更小的重量，配备安全气囊和应急降落伞，从而更全方位多重保护人员的安全。
[0017](3)本实用新型能够借助国内现有发动机技术水平和工艺制造出一种净重量小于116公斤具有优良的气动性能的单人主涵道飞行器，能够在城市人口和建筑密集的地区，有效地起降和飞行。为城市人群出行提供一种更为简单快捷的选择，也使得城市空中交通更
为丰富。[0018](4)本实用新型采用主涵道动力飞行器，相较于传统的轻型直升机，具有更为简单紧凑的结构和制造成本，对起降地点的要求更为简单，停放就像摩托车一样简单方便。
[0019](5)螺旋桨被保护在主涵道之中，对周围事物人员没有安全性威胁。
[0020](6)在空中飞行时，遇到油料消耗殆尽与空中停车的紧急情况，本实用新型安装了应急降落伞，可以在以上情况下抛出，而且可以在机身和主涵道内安装安全气囊，对机体和操作人员做全方位保护，这样不仅能保证紧急降落时对机体和操作人员的安全，同时也能保证对落地时周围事物及人员安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1a为本实用新型所述双主涵道超轻型单人垂直升降飞行器的正视图。
[0022]图1b为本实用新型所述双主涵道超轻型单人垂直升降飞行器的侧视图。
[0023]图1c为本实用新型所述双主涵道超轻型单人垂直升降飞行器的俯视图。
[0024]图1d为本实用新型所述双主涵道超轻型单人垂直升降飞行器的立体图。
[0025]图2为本实用新型所述整体结构布局示意图。
[0026]图3a为本实用新型所述整体传动结构的立体图。
[0027]图3b为本实用新型所述整体传动结构的正视图。
[0028]图4为本实用新型所述主涵道喷口处导流板的结构示意图。
[0029]图5a为本实用新型所述稳定涵道内十字翼结构示意图。
[0030]图5b为本实用新型所述稳定涵道布局位置示意图。
[0031]图6为本实用新型所述主涵道最大横截面的各项尺寸标注图。
[0032]图中各附图标记所表示的含义分别为:1_主涵道、2-控制杆、3-可调式靠背、4-稳定涵道、5-起落架、6-发动机、7-油箱、8-机舱主体、9-总体重心、10-涡轮增压器、11-主轴、12-发电机与电池、13-离心式减速器、14-主涵道支撑件、15-输出轴、16-齿轮箱、17-倒流棒、18-螺旋桨、19-螺旋桨轴、20-导流板、21-轴向翼、22-自由翼。
【具体实施方式】
[0033]如附图1-3所示，本实施例涉及一种双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其包括机舱主体8和对称设置在机舱主体8左右两侧上部的主涵道1，机舱主体8的下部设置有起落架5，其中，主涵道I内设置有螺旋桨18，所述发动机6主输出轴通过离心式减速器13改变轴旋转方向，从而抵消主轴扭力，保持机身稳定，传动到齿轮箱16改变轴的传动方向将动力分配给螺旋桨轴19最后传动给螺旋桨18并驱动其旋转；所述发动机设置在机舱主体8中轴线的下部，所述主涵道I喷口处还设置有导流板20。本实用新型的飞行器只要改变主涵道气流的矢量流向，就能使飞行器做前飞、转弯、倒退等飞行动作。为了实现对气流的控制，如附图4所示，主涵道气流出口处可以采用类似于汽车空调出风口的导流板20的设计，这样就可以控制高速气流的矢量方向，进而实现飞行器做各种空中动作。当导流板20全向后转向时，高速气流向后喷出，推动飞行器做前飞的动作，实现飞行；当飞行器向前飞行想空中制动停车，做空悬停或倒车时，导流板向前旋转即可；当导流板一前一后，旋转角度相同时，可以在空中做瞬时和逆时原地转向。因为飞行器体积很小，所以旋转半径非常小，灵活性要远高于蚊子直升机，而且操作上也简单很多。为了保证可靠性，对导流板的控制将采用控制杆，所述控制杆通过手动操作并通过机械传动干控制所述导流板的旋转；如附图5所示，为了进一步保持前飞、转弯、倒车的稳定性，所述机舱主体下部两侧对称的设置有稳定函道，函道内设有轴向翼21和自由翼22，当航道高速气流流过，轴向翼21和自由翼22将产生向左右和向后的推力，左右方向的力可以保持机体主框架左右受力平衡，向后的力起到牵引机体重心向后下方倾斜从而使机体整体向后下方有一小角度的倾斜，有助于做向前飞行动作。稳定函道在机体两侧，共轴连接，保持整体联动性，可大大增加飞行器在做空中飞行动作时的稳定性，从而达到灵活飞行的目的。所述机舱主体的顶部设置有降落伞装置，当因发动机空中停车或是油料消耗殆尽主涵道不再提供动力等紧急情况时，操作人员只需打开降落伞开关，降落伞将喷出，使人员与飞行器安全降落。当然在主涵道内部和机舱主体前部、后部、底部还可以设置气囊，降落时气囊充气，落地时对机体和操作人员起保护作用，同时也保证了周围事物人员安全；在本实用新型中所述发动机设置在发动机舱中，所述发动机舱具有容纳腔的主体和设置在主体上的舱盖，所述发动机设置在所述容纳腔内，并且所述的舱盖上设置有矩阵通风孔，在所述发动机舱容纳腔的后部设置有百叶舱；从而可以将发动机工作时产生的热量排出。为了使得飞行器重量达到设计目标，本实用新型的所述单人飞行器的结构材料采用碳纤维或碳纤维包铝合金复合材料，如果采用蚊子式超轻型直升机相同的69磅发动机在不添加燃料的情况下，可以将机体控制在100千克以内。采用碳纤维为主体材料的好处在于结构强度比传统金属材料要高，抗拉强度是钢的7到9倍，而重量是同体积钢材的I / 4。在本实用新型中双主涵道是单人飞行器的升力装置，是本实用新型所述单人飞行器的关键部件。通过对现有技术多年的研究、实验和模拟仿真，本实用新型的发明人设计出适合本单人飞行器的主涵道气动外形；图6为本实用新型所述主涵道最大横截面的各项尺寸标注图。其中，所述主涵道入口最大直径不超过750mm,螺旋桨紧贴内壁内径直径处不低于650mm，如此才能保证整体尺寸和升力的设计要求。所述主涵道的主涵道展弦比为1.5 ;所述主涵道出口直径与主涵道内径比为1.15-1.2 ；螺旋桨位于距离主涵道入口约I / 3。主涵道展弦比为1.5时主涵道自身提供的升力最大；加大主涵道唇口半径可以改善主涵道入口处的绕流环境和静压分布，从而提高主涵道升力；增大主涵道锥角β可以改善主涵道内部的绕流环境，增大主涵道有效升力面积，进而提高主涵道升力，但增大β的同时主涵道自身对桨盘尾流的阻塞也在增加，因此在设计过程中需选定β的最佳值；增大主涵道壁厚可以提高主涵道有效升力面积，从而提高主涵道升力，但是同时也会增加主涵道的结构重量，在设计中应权衡两者的关系；主涵道出口直径D与主涵道内径d之比对主涵道升力有较明显的影响，但影响是非线性的，计算的最优结果是1.15?1.2;螺旋桨位于距离主涵道入口约I / 3处时，主涵道产生的升力最大；增大桨盘与主涵道内壁的间隙会使主涵道增升效应降低，在设计中应尽可能的减小螺旋桨与主涵道之间的间隙。为了达到主涵道推力的要求，以及传动装置的有效功率传导，将选用功率/质量比较高的成熟发动机。可以选用与蚊子直升机相同的64马力Compact RadialEngine’ S-MZ202发动机。为了确保功率输出，增大主轴的扭力与转速，将对发动机做必要的简单改装，我们采用的方法是采用现有的技术，即将发动机的进气方式改用涡轮增压的方法，在其他结构不变的条件下，增加发动机的功率输出。使用轴流涡轮，增加气缸内的压强与含氧量。采用涡轮增压的好处在于，不但可以提高发动机的功率，还可以提高发动机的燃油率，这样就能起到比蚊子发动机更省油的目的。[0034]在本实用新型中，所述的主涵道几何形状采用圆柱坐标系(ξ，σ , y)来表示空间，ξ，σ，Y分别为轴向、轴向角、径向坐标,无穷远方来流速度Va，沿ξ轴的正方向，Ca为Y的函数；其中主涵道长度为a，主涵道特征半径(桨盘面处主涵道内壁半径)为Rd，桨盘面离主涵道导边距离ap，螺旋桨半径为Rp。置主涵道导边与ξ=0的平面上，ξ轴与桨轴中心线重合，主涵道尾缘位于l=a;所述主涵道内、外两侧表面方程式为:r=RinU)，r=R0U( ξ )，导边处有=Rin(O)=Rou(O)=R1 ;Rin (a) =Rw (a) =Rt ；
[0035]则主涵道剖面鼻尾线的攻角a有:
[0036]
【权利要求】
1.一种双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，包括机舱主体和对称设置在机舱主体左右两侧上部的主涵道，机舱主体的下部设置有起落架；其特征在于:所述主涵道内设置有螺旋桨，发动机通过离心式减速器传动给螺旋桨并驱动其旋转；所述发动机设置在主涵道中轴线的下部，所述主涵道的喷口处还设置有导流板。
2.根据权利要求1所述的双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其特征在于:所述机舱主体内还具有控制杆，所述控制杆通过传动杆控制所述导流板的旋转。
3.根据权利要求1所述的双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其特征在于:所述机舱主体下部两侧对称的设置有稳定涵道，稳定涵道内设有自由灵活的十字翼。
4.根据权利要求1所述的双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其特征在于:所述机舱主体的顶部设置有降落伞和救生装置。
5.根据权利要求1所述的双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其特征在于还包括冷却系统:所述冷却系统为风冷与水冷，风冷具有发动机舱，所述发动机舱具有容纳腔的主体和设置在主体上的舱盖，所述发动机设置在所述容纳腔内，并且所述的舱盖上设置有矩阵通风孔，在所述发动机舱容纳腔的后部设置有百叶舱；水冷通过泵将循环的热水排入主涵道下风口进行冷却。
6.根据权利要求1所述的双主涵道超轻型垂直起降双主涵道单人飞行器，其特征在于:所述主涵道入口最大直径不超过750mm，螺旋桨紧贴内壁内径直径处不低于650mm ;所述主涵道的主涵道展弦比为1.5 ;所述主涵道出口直径与主涵道内径比为1.15-1.2 ;螺旋桨位于距离主涵道入口 I / 3处。
【文档编号】B64C27/20GK203544371SQ201320270039
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2013年5月17日
【发明者】谷承露 申请人:谷承露, 王海庆, 花中秋, 张建华