一种用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法与流程

本发明涉及一种实现航空器垂直起降和飞行的方法，尤其是一种在板翼下方安装驱动机构并把板翼分为多段以便打开进气通道增强垂直起降的升力并兼顾水平飞行的方法，属于航空技术领域。

背景技术：

载人航空器可分为固定翼和旋转翼两大类，固定翼常见于水平起降航空器（如喷气式客机），而旋转翼常见于垂直起降航空器（如直升机）。就现有技术水平来说，固定翼航空器可以高速飞行，操作简便，但需依托跑道起降。旋转翼航空器可以垂直起降，不需依托跑道起降，适应性强，但是机理失调，操控复杂，飞行速度慢，燃油效率低。

目前，垂直起降航空器还存在一些无法克服的固有缺陷。一是效率低，现在使用的垂直起降航空器推重比均小于1，飞行效率低下，与固定翼航空器普遍大于5的推重比相比差距十分明显；二是受翼尖绝对速度必须小于音速的限制，旋转翼航空器的理论速度不能超过420公里/小时，飞行速度有极限；三是旋翼桨叶的挥舞产生机械振动，增加了铰链的磨损，可靠性低；四是两侧旋翼升力不均匀会导致旋转翼航空器发生横滚倾覆，横滚稳定性差；五是直升机的旋翼既提供了飞行的机动性，同时也造成了飞行操控的复杂性，操控复杂，使得操控负荷远远大于固定翼飞机，加大了人为失误的概率；六是旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制，旋翼直径一般最大就是十几米，航空器尺寸受限，无法做大；七是直升机飞行机理内在的协调性差，充满了先天性的矛盾，飞行机理失调；八是很多新型复合式垂直起降航空器尝试采用固定翼，但是面临小面积固定翼效果有限而大面积固定翼会对垂直起降时的下洗气流造成遮挡的矛盾。

总之，垂直起降航空器的上述缺陷来源于机翼既要兼顾垂直起降又要满足水平飞行两种飞行模式而产生的矛盾。将板翼分为多段以便打开进气通道增强垂直起降的升力并兼顾水平飞行的方法，能够很好兼容垂直起降和水平飞行两种飞行模式，是垂直起降航空器新的发展方向，可以使板翼机运行更加高效、飞行更加安全、结构更加合理、性能更加稳定。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有垂直起降航空器飞行效率低下、推重比小、操控复杂、安全性差、水平飞行模式和垂直起降模式转换不够平顺自然，以及现有板翼机机翼阻力过大、垂直升力不足和弦向吹气气流发散等问题，提出一种用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法，将板翼分为多段以便打开进气通道增强垂直起降的升力并兼顾水平飞行，在活动条状板翼旋转打开进气通道增大升力实现垂直起降以后，又可以将活动条状板翼旋转关闭，与固定条状板翼合拢为一个整体的板翼，从而减小阻力实现高速飞行，使板翼机更加安全、高效、紧凑、稳定、合理。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法，对于机翼采用大面积板状机翼的航空器，将大面积板状机翼设计为组合式，沿横向分割为若干活动条状板翼和固定条状板翼，活动条状板翼与固定条状板翼像斑马线一样交替设置（具体数目和密度可以根据需要灵活选择），通过活动条状板翼的倾转，既可以将活动条状板翼和固定条状板翼组合为整体板状的机翼适应水平飞行，又可以将活动条状板翼像百叶窗一样沿横向打开而形成条状进气孔实现垂直起降；在活动条状板翼的下方并排固定一段驱动装置（例如螺旋桨、喷气发动机等），每段驱动装置左右对称呈偶数设置（即每段驱动装置的数量可以是2、4、6、8或者更多，具体根据实际需要确定），每段驱动装置连同其正上部的活动条状板翼一起均可绕横向的转轴纵向倾转，各段活动条状板翼间设有同步机构保证所有分段的驱动装置之间可以像百叶窗一样同步旋转；水平飞行时，将每段活动条状板翼连同其下方的驱动装置均旋转至水平位置，使其与固定条状板翼拼拢为一个板状整体机翼，各段驱动装置前后串联，通过驱动装置在板状整体机翼下部沿弦向往机翼后方吹送高速气流推动航空器向前飞行；垂直起降时，将每段活动条状板翼连同其下方的驱动装置旋转至垂直位置，使驱动装置上方的活动条状板翼沿横向打开，露出条状进气孔，各段驱动装置前后并联，驱动装置从机翼的上方吸气往机翼下方排气，在机翼上方形成负压区，在机翼下方形成正压区，利用负压区和正压区形成的压差升力，实现垂直起降。

通过横向分段倾转组合式大面积板状机翼，兼顾了水平飞行和垂直起降的不同要求，从而在进一步提高垂直起降能力和飞行效率的同时，实现水平飞行和垂直起降飞行模式的平稳转换，有效克服水平飞行模式和垂直起降模式相互转换时操控突变的难题。实现连续平滑无缝过渡，操纵机构的操控方式过渡自然，操控参数变化平顺，操控效果不产生突变，降低了垂直起降航空器的操控难度，飞行效率显著提升，工作稳定，操作直观，安全可靠，简便易行。

所述大面积组合式板状机翼最前端的条状板翼和最后端的条状板翼均设置为活动条状板翼，在最前端的活动条状板翼和最后端的活动条状板翼之间可以设置若干活动条状板翼和固定条状板翼，活动条状板翼的下部一般均与驱动装置固定连接，使驱动装置与活动条状板翼可以共同转动；固定条状板翼位于前后两个活动条状板翼之间，与机身刚性连接，无运动部件；活动条状板翼和固定条状板翼之间交替设置，固定条状板翼的数目可以根据需要在0至n之间灵活设置，当固定条状板翼的数目大于等于1且为n时，活动条状板翼的数目应等于n+1，具体数量根据实际需要确定。

所述分段底驱式板翼至少应有一个设有可以纵向转动的水平副翼的前端活动条状板翼控制板翼机的上下俯仰，同时至少应有一个设有可以横向转动的格栅状垂直尾翼的后端活动条状板翼控制板翼机的左右偏航；所述大面积组合式板状机翼的最前端为活动条状板翼，在该前端活动条状板翼的前方下部设置可以纵向转动的水平副翼，即将最前端的活动条状板翼设计为一种带水平副翼的特殊活动条状板翼，水平副翼与前端活动条状板翼通过铰链连接，使水平副翼可以相对于前端活动条状板翼纵向转动，水平副翼在与前端活动条状板翼连为一体同步纵向倾转的同时，通过水平副翼的纵向转动控制板翼机的上下俯仰；所述大面积组合式板状机翼的最后端为活动条状板翼，在该后端活动条状板翼的后方下部设置可以横向转动的格栅状垂直尾翼，即将最后端的活动条状板翼设计为一种带垂直尾翼的特殊活动条状板翼，使格栅状垂直尾翼与活动条状板翼连为一体同步纵向转动，通过格栅状垂直尾翼相对于后端活动条状板翼的横向转动控制板翼机的左右偏航；无论是在水平飞行模式下还是在垂直起降模式下，水平副翼向下转动均可控制板翼机的下俯，水平副翼向上转动均可控制板翼机的上仰，格栅状垂直尾翼的顺时针转动均可控制板翼机向左偏航，格栅状垂直尾翼的逆时针转动均可控制板翼机向右偏航，从而实现操控方式的自然过渡和操控参数的平顺变化，克服飞行模式转换时操纵机构的操控效果突变问题。

作为优选，所述各段活动条状板翼和驱动装置间的同步机构可以采用曲柄摇杆机构（亦可采用其它的机械同步机构或电子同步机构），每段活动条状板翼连同驱动装置均固定在同一个曲柄摇杆上，通过摇杆铰链与摇杆直杆连为一体，所有驱动装置与活动条状板翼均同步转动，通过推拉摇杆直杆可控制所有驱动装置与活动条状板翼的转动角度；推拉摇杆直杆必须可控制所有驱动装置与活动条状板翼的转动角度达到90°以上，保证活动条状板翼可以与板翼拼合为一个整体实现水平飞行，也可以同步转动到垂直位置打开为条状进气孔实现垂直起降，同步机构的转动角度需要保证驱动装置轴线转到垂直位置以后，还可以向后再转5°以上，以便实现向后飞行。

所述大面积组合式板状机翼的左右两侧还可设置大型下反翼梢小翼，从而减少翼稍扰流、克服诱导阻力，发挥垂直尾翼的稳定调控作用，同时加强机翼支撑、提高机身刚性。

所述驱动装置在水平飞行模式下，各段驱动装置之间为串联关系，共同驱动气流向板翼后方流动，同段驱动装置之间可以密集排列；在垂直起降模式下，各段驱动装置之间为并联关系，各自驱动气流向机翼下方流动；所述相邻两段（两组）驱动装置之间的距离，即两个相邻活动条状板翼之间的距离须大于驱动装置进气孔直径d的3倍以上，具体根据实际需要确定。

所述活动条状板翼在水平飞行模式下处于水平状态，在垂直起降模式下纵向旋转为垂直状态，旋转为垂直状态的活动条状板翼宽度较小且前后错开分布，故整个板状机翼的主体在垂直起降模式下仍然呈水平状态，使大面积组合式板状机翼的主体无论是在水平飞行模式下还是在垂直起降模式下均可保持水平状态，从而有效抵抗侧风的影响，克服倾转机翼垂直起降航空器存在的“门板效应”，提高垂直起降的稳定性和安全性。

所述活动条状板翼除了最后端的活动条状板翼的宽度需要考虑偏航需要和压差升力适当加宽以外，其余活动条状板翼的宽度不宜太大，以满足进气需要为准；所述固定条状板翼的宽度则可适当加宽，以满足压差升力的需要为准；最后端的活动条状板翼的宽度一般为其长度的1/1-1/6，其余活动条状板翼的宽度一般为其长度的1/4-1/10，固定条状板翼的宽度一般为其长度的1/2-1/8，具体根据实际需要确定。

所述大面积组合式板状机翼为薄壳结构，由高强度复合材料或者高强度轻金属材料制成；板状机翼的轮廓线为低速翼型的上表面曲线，水平飞行时，在板状机翼的上表面将空气气流通过翼型下洗产生升力的同时，在板状机翼的下表面还可将驱动气流强制下洗产生升力，得到比一般固定翼更大的升力，可以使垂直起降的推重比大于1，水平飞行时的推重比大于5。

本发明将大面积组合式板状机翼设计为条状分段组合以后，可以很好地兼顾水平飞行和垂直起降的不同要求，进一步提高垂直起降能力和飞行效率；同时，将每段驱动装置连同其正上方的条状板翼设计为像百叶窗一样沿横向的转轴同步纵向旋转，可以实现水平飞行模式和垂直起降模式之间的连续平滑无缝过渡，有效地克服了水平飞行模式和垂直起降模式相互转换时操控突变的世界级难题，操纵机构的操控方式过渡自然，操控参数变化平顺，操控效果不产生突变，兼顾了水平飞行和垂直起降的不同要求，解决飞行模式转换难题，降低垂直起降航空器的操控难度，飞行效率显著提升，工作稳定，操作直观，安全可靠，简便易行。

本发明中，板翼机的机身可采用高宽比大于4的片状机身，板翼、副翼与翼梢小翼围成了一个较大的箱体，水平飞行时可以增加稳定性，垂直起降时下反的板翼与所述箱体形成一个气流涵道将驱动装置的喷气气流引导向下，地效作用明显，可以在起飞和降落时加大空气的弹性，缓和起飞和降落的冲击；无动力故障迫降时，上升气流会强迫活动条状板翼强制改平，与固定条状板翼拼拢为一个大面积板状机翼的整体，大面积板状机翼与片状机身，副翼，翼梢小翼围成了一个较大的箱体，犹如一个降落伞，确保板翼机能够缓降着陆，提高了板翼机的安全性；此外，前方进气，后方排气的垂直起降方式，理顺了气流的运动路径，比起垂直向下排气（如直升机）的起降方式，气流的运动路径更加科学合理，避免了地面风沙扬尘对视线的遮挡和对机器的损伤。

本发明使板翼机可以完全兼垂直起降和高速飞行两种飞行工况，具有模式转换自然、飞行效率高、机翼翼载低、安全稳定、结构简单、操控简便、成本低廉、易于普及等优点。

附图说明

图1是本发明分段底驱式板翼水平飞行状态侧视示意图。

图2是本发明分段底驱式板翼水平飞行状态俯视示意图。

图3是本发明分段底驱式板翼水平飞行状态后视示意图。

图4是本发明分段底驱式板翼垂直起降状态侧视示意图。

图5是本发明分段底驱式板翼垂直起降状态俯视示意图。

图6是本发明分段底驱式板翼垂直起降状态后视示意图。

图7是naca4412翼型示意图。

图8是本发明分段底驱式板翼薄壳结构板翼示意图。

图9是本发明分段底驱式板翼水平飞行上仰运动控制原理示意图。

图10是本发明分段底驱式板翼水平飞行下俯运动控制原理示意图。

图11是本发明分段底驱式板翼水平飞行向右运动控制原理示意图。

图12是本发明分段底驱式板翼水平飞行向左运动控制原理示意图。

图13是本发明分段底驱式板翼垂直起降上仰运动控制原理示意图。

图14是本发明分段底驱式板翼垂直起降下俯运动控制原理示意图。

图15是本发明分段底驱式板翼垂直起降向右运动控制原理示意图。

图16是本发明分段底驱式板翼垂直起降向左运动控制原理示意图。

图17是本发明分段底驱式板翼同步倾转摇杆后拉转平示意图。

图18是本发明分段底驱式板翼同步倾转摇杆前推下垂示意图。

图19是本发明分段底驱式板翼同步倾转摇杆后拉前推叠加示意图。

图中：1-水平副翼，2-水平副翼铰链，3-驱动装置，4-最前端的活动条状板翼，5-固定条状板翼，6-片状机身，7-立柱，8-活动条状板翼，9-最后端的活动条状板翼，10-格栅垂直尾翼，11-大型翼梢小翼，12-座舱，13-后轮，14-前轮，15-横杆，16-拉绳，17-活动条状板翼转轴，18-摇杆曲柄，19-摇杆铰链，20-摇杆直杆，21-后轮轴，22-naca4412翼型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述，实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：如图1-19所示，本发明用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法是：对于机翼采用大面积板状机翼的片状机身（机身的高宽比为5）航空器，将大面积板状机翼设计为组合式，沿横向分割为3段活动条状板翼和2段固定条状板翼，活动条状板翼与固定条状板翼像斑马线一样交替设置，通过活动条状板翼的倾转，既可以将活动条状板翼和固定条状板翼组合为整体板状的机翼适应水平飞行，又可以将活动条状板翼像百叶窗一样沿横向打开而形成条状进气孔实现垂直起降；在活动条状板翼的下方并排固定一段（一组）螺旋桨驱动装置，每段驱动装置左右对称呈偶数设置（每组驱动装置的数量为4个），每段驱动装置连同其正上部的活动条状板翼一起均可绕横向的转轴纵向倾转，各段活动条状板翼间设有同步机构保证所有分段的驱动装置之间可以像百叶窗一样同步旋转；水平飞行时，将每段活动条状板翼连同其下方的驱动装置均旋转至水平位置，使其与固定条状板翼拼拢为一个板状整体机翼，各段驱动装置前后串联，通过驱动装置在板状整体机翼下部沿弦向往机翼后方吹送高速气流推动航空器向前飞行；垂直起降时，将每段活动条状板翼连同其正下方的驱动装置旋转至垂直位置，使驱动装置上方的活动条状板翼沿横向打开，露出条状进气孔，各段驱动装置前后并联，驱动装置从机翼的上方吸气往机翼下方排气，在机翼上方形成负压区，在机翼下方形成正压区，利用负压区和正压区形成的压差升力，实现垂直起降；通过沿横向分段倾转组合式大面积板状机翼，兼顾水平飞行和垂直起降的不同要求，从而在进一步提高垂直起降能力和飞行效率的同时，实现水平飞行和垂直起降飞行模式的平稳转换，有效克服水平飞行模式和垂直起降模式相互转换时操控突变的难题。

大面积组合式板状机翼沿横向分割为若干段条状板翼，最前端的条状板翼和最后端的条状板翼均设置为活动条状板翼，在最前端的活动条状板翼和最后端的活动条状板翼之间设置1段活动条状板翼和2段固定条状板翼，活动条状板翼的下部均与驱动装置固定连接，使驱动装置与活动条状板翼可以共同转动，固定条状板翼位于前后两个活动条状板翼之间，与机身刚性连接，无运动部件；活动条状板翼和固定条状板翼之间交替设置。最后端的活动条状板翼的宽度为其长度的1/2，其余活动条状板翼的宽度为其长度的1/8，固定条状板翼的宽度为其长度的1/4。

大面积组合式板状机翼的最前端为活动条状板翼，在该前端活动条状板翼的前方下部设置可以纵向转动的水平副翼，即将最前端的活动条状板翼设计为一种带水平副翼的特殊活动条状板翼，使水平副翼与前端活动条状板翼连为一体同步纵向转动，同时水平副翼可以通过铰链围绕前端活动条状板翼纵向转动，通过水平副翼的纵向转动控制板翼机的上下俯仰；大面积组合式板状机翼的最后端为活动条状板翼，在该后端活动条状板翼的后方下部设置可以横向转动的格栅状垂直尾翼，即将最后端的活动条状板翼设计为一种带垂直尾翼的特殊活动条状板翼，使格栅状垂直尾翼与活动条状板翼连为一体同步纵向转动，同时栅状垂直尾翼可以通过铰链围绕后端活动条状板翼横向转动，通过格栅状垂直尾翼的横向转动控制板翼机的左右偏航；无论是在水平飞行模式下还是在垂直起降模式下，水平副翼向下转动均可控制板翼机的下俯，水平副翼向上转动均可控制板翼机的上仰，格栅状垂直尾翼的顺时针转动均可控制板翼机向左偏航，格栅状垂直尾翼的逆时针转动均可控制板翼机向右偏航，从而实现操控方式的自然过渡和操控参数的平顺变化，克服飞行模式转换时操纵机构的操控效果突变问题。

各段活动条状板翼和驱动装置间的同步机构采用曲柄摇杆机构，每段活动条状板翼连同驱动装置均固定在同一个曲柄摇杆上，通过摇杆铰链与摇杆直杆连为一体，所有驱动装置与活动条状板翼均同步转动，通过推拉摇杆直杆可控制所有驱动装置与活动条状板翼的转动角度；推拉摇杆直杆可控制所有驱动装置与活动条状板翼的转动角度达到90°以上，保证活动条状板翼可以与板翼拼合为一个整体实现水平飞行，也可以同步转动到垂直位置打开为条状进气孔实现垂直起降，同步机构的转动角度需要保证驱动装置轴线转到垂直位置以后，还可以向后再转5°以上，以便实现向后飞行。

驱动装置在水平飞行模式下，各段驱动装置之间为串联关系，共同驱动气流向板翼后方流动，同段驱动装置之间可以密集排列；在垂直起降模式下，各段驱动装置之间为并联关系，各自驱动气流向机翼下方流动；相邻两段（两组）驱动装置之间的距离，即两个相邻活动条状板翼之间的距离大于驱动装置进气孔直径d的3倍。

活动条状板翼在水平飞行模式下处于水平状态，在垂直起降模式下纵向旋转为垂直状态，旋转为垂直状态的活动条状板翼宽度较小且前后错开分布，故保证整个板状机翼的主体在垂直起降模式下仍然呈水平状态，使大面积组合式板状机翼的主体无论是在水平飞行模式下还是在垂直起降模式下均可保持水平状态，从而有效抵抗侧风的影响，克服倾转机翼垂直起降航空器存在的“门板效应”，提高垂直起降的稳定性；无动力故障迫降时，上升气流会强迫活动条状板翼强制改平，与固定条状板翼拼拢为一个大面积板状机翼的整体，大面积板状机翼与片状机身，副翼，翼梢小翼围成了一个较大的箱体，犹如一个降落伞，确保板翼机能够缓降着陆，提高了板翼机的安全性。

组合式板状机翼的左右两侧还可设置大型下反翼梢小翼，从而减少翼稍扰流、克服诱导阻力，发挥垂直尾翼的稳定调控作用，同时加强机翼支撑、提高机身刚性。大面积组合式板状机翼为薄壳结构，由高强度铝合金材料制成；板状机翼的轮廓线为低速翼型的上表面曲线，水平飞行时，在板状机翼的上表面将空气气流通过翼型下洗产生升力的同时，在板状机翼的下表面还可将驱动气流强制下洗产生升力，得到比一般固定翼更大的升力，可以使垂直起降的推重比大于1，水平飞行时的推重比大于5。

实施例2：如图1-19所示，本发明用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法与实施例1相同，航空器的机翼采用大面积组合式板状机翼，机身采用高宽比为6的片状机身。将大面积板状机翼沿横向分割为5段活动条状板翼和4段固定条状板翼，在最前端的活动条状板翼和最后端的活动条状板翼之间设置3段活动条状板翼和4段固定条状板翼，每段活动条状板翼的下方并排固定2个一组的喷气发动机驱动装置，相邻两组驱动装置之间的距离（即两个相邻活动条状板翼之间的距离）大于驱动装置进气孔直径d的6倍；最后端的活动条状板翼的宽度为其长度的1/4，其余活动条状板翼的宽度为其长度的1/6，固定条状板翼的宽度为其长度的1/4；整个组合式板状机翼采用薄壳结构，由高强度镍合金制成；各段活动条状板翼和驱动装置间的同步机构采用常规机械同步机构，同步机构的转动角度需要保证驱动装置轴线转到垂直位置以后，还可以向后再转8°。

实施例3：如图1-19所示，本发明用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法与实施例1相同，航空器的机翼采用大面积组合式板状机翼，机身采用高宽比为4的片状机身。将大面积板状机翼沿横向分割为8段活动条状板翼和7段固定条状板翼，在最前端的活动条状板翼和最后端的活动条状板翼之间设置6段活动条状板翼和7段固定条状板翼，每段活动条状板翼的下方并排固定10个一组的螺旋桨驱动装置，相邻两组驱动装置之间的距离（即两个相邻活动条状板翼之间的距离）大于螺旋桨直径d的10倍；最后端的活动条状板翼的宽度为其长度的1/6，其余活动条状板翼的宽度为其长度的1/10，固定条状板翼的宽度为其长度的1/8；整个组合式板状机翼采用薄壳结构，由高强度钛合金复合材料制成；同步机构的转动角度需要保证驱动装置轴线转到垂直位置以后，还可以向后再转10°。

实施例4：如图1-19所示，本发明用分段底驱式板翼实现垂直起降和水平飞行的方法与实施例1相同，航空器的机翼采用大面积组合式板状机翼，机身采用高宽比为4的片状机身。将大面积板状机翼沿横向分割为8段活动条状板翼和7段固定条状板翼，在最前端的活动条状板翼和最后端的活动条状板翼之间设置6段活动条状板翼和7段固定条状板翼，每段活动条状板翼的下方并排固定10个一组的螺旋桨驱动装置，相邻两组驱动装置之间的距离（即两个相邻活动条状板翼之间的距离）大于螺旋桨直径d的10倍；最后端的活动条状板翼的宽度为其长度的1/1，其余活动条状板翼的宽度为其长度的1/4，固定条状板翼的宽度为其长度的1/2；整个组合式板状机翼采用薄壳结构，由高强度钛合金复合材料制成；各段活动条状板翼和驱动装置间的同步机构采用常规电子同步机构，同步机构的转动角度需要保证驱动装置轴线转到垂直位置以后，还可以向后再转6°。

上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。