本发明涉及一种利用翼面弦向吹气实现航空器垂直起降和飞行的方法，尤其是一种利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法，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。一是效率太低，现在使用的垂直起降航空器推重比普遍等于甚至大于1，飞行效率低下，与固定翼航空器普遍小于0.5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，增加了铰链的磨损使可靠性总是不如固定翼航空器，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，在几秒钟内就会倾覆失控，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；七是直升机虽然发展了近70年，但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。而利用翼面弦向吹气的方法实现垂直起降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。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对板翼机在垂直起降和水平飞行中的稳定性和自持能力不高、机翼载荷大等问题，提出一种利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法，提高稳定性和自持能力，使航空器能够可以很好地兼容垂直起降和高速飞行两种工况，简化飞行操控，提高飞行效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法，对于采用小展弦比的宽弦平板翼型机翼的板翼机，在左右两侧平板翼型机翼的翼梢垂直设置大型小翼，将若干驱动装置排列设置于航空器机翼的前缘上方，由驱动装置将高速气流沿弦向吹送到机翼上表面，使之快速流经机翼上表面与左右翼稍小翼内侧表面构成的箱体，利用流过翼稍小翼内外两侧表面空气的流速差，形成翼稍小翼的夹持力，增加飞行的稳定性，并在空中利用运动阻力和空气重力或在地面利用地效作用和空气重力，使翼稍小翼具备自动转回到垂直位置的能力，能够使倾斜的机翼改平而提高机翼的自持能力。
所述翼稍小翼与机翼之间采用纵向铰链连接，通过操纵机构使垂直的翼稍小翼（ω=90°）围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至某个翼稍小翼的下反角ω，或者展平至与机翼同平面（ω=0°），从而改变机翼承载气流的面积，调整机翼的载荷，在水平飞行时增加机翼面积、在滑翔迫降时降低机翼的载荷。操纵小翼的机构为常规机械式或电动操控机构，如连杆机构、带拉绳悬臂的连杆机构、电机驱动转动机构等。
所述设于机翼上的翼梢小翼为大型小翼，翼稍小翼的翼面面积为机翼面积的30%以上，翼稍小翼的面积大于常规翼稍小翼的面积，具体面积可以根据实际需要确定。机翼翼梢的大型小翼可以提高航空器垂直起降时的升力并降低航空器水平飞行时的诱导阻力，翼稍小翼的面积比常规翼稍小翼的面积大很多，可以显著提高翼稍小翼的自持能力和稳定性。
所述翼稍小翼具有内侧和外侧两个大面积表面，内侧表面的气流流速大于外侧表面，越靠近气流中心区域气流流速越大，内侧表面的气流流速与驱动装置的功率成正比，外侧表面的气流流速与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时翼稍小翼外侧表面的气流速度可以为零。
所述翼稍小翼采用上宽下窄的气动布局，翼稍小翼的翼根宽度与机翼的翼尖宽度相同，翼稍小翼的翼尖宽度与机翼的翼根宽度相近，翼稍小翼的高度h等于或大于机翼展长l的一半，即h≥l/2，突破常规翼稍小翼上窄下宽的气动布局，以提高翼稍小翼的自持能力和稳定性，具体尺寸可以根据实际需要确定。
所述翼稍小翼的翼型可为平板翼型，也可采用内凸外平翼型，小翼下反时即转为上凸下平翼型，以进一步提高翼稍小翼的气动效率和自持能力。
所述机翼的翼型是平板翼型，翼形为三角形、矩形、梯形、菱形、六边形、圆形、椭圆形或其它形状中的任一种，具体根据实际需要选择；所述机翼采用大面积连续表面宽弦机翼，机翼的展弦比小于2（甚至可以小于1），大面积连续表面机翼可以使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降。平板翼型的机翼形状限制因素减少，可以灵活设计，具体可以根据不同的实际需求进行适应性改变，同时平板翼型使得机翼的飞行阻力大大降低，且可以使机翼面积做得很大，为光伏电池的安装提供足够的空间。所述机翼上表面的气流的流速与驱动装置的功率成正比，而机翼下表面的气流速度与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度可以为零。
所述机翼与机身之间通过万向铰链连接，或者是通过一个纵向铰链连接机翼与机身以实现机翼（含翼稍小翼）相对于机身的纵向偏转，同时再通过一个横向铰链连接机翼与机身以实现机翼（含翼稍小翼）相对于机身的横向偏转。机翼偏转角度的调整可以通过常规机械或电子操控装置进行，如连杆机构、带拉绳悬臂的连杆机构、电机驱动转动机构等。
所述板翼机若不需要垂直起降，机翼与机身之间可以不通过万向铰链连接，只需在左右机翼的后部增设副翼，控制板翼机俯仰与滚转而实现滑跑飞行与着陆；若在左右机翼的后部增设副翼，板翼机只需一个纵向铰链即可实现垂直起降，而横向铰链则可以取消。
所述机翼（含翼稍小翼）可采用顶置式悬挂于机身之上，也可采用横置式分布于机身两侧，具体根据实际需要选择。
所述机翼的数量可以增加；对于无人机或者轻型载人航空器，一幅顶置式机翼即可满足要求；而对于中型或者大型载人航空器，所述机翼的数量可以按照横置式机翼左右机翼成对地前后串连的方式增加，以便在垂直起降时产生足够的升力。
所述若干驱动装置的具体数目可以根据实际需要确定，分左、右两组对称排列于左、右机翼的前缘上方，每个机翼上一般可设置1-10个小型驱动装置，具体根据实际需要确定。
所述驱动装置采用常规螺旋桨、涵道螺旋桨、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、吹气喷嘴或者是前缘吹气襟翼等，吹送到机翼上的气流的流速与驱动装置的功率成正比。
所述板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。
利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法，在板翼机左右两侧机翼的翼梢设置大型垂直翼稍小翼，将若干驱动装置排列设置于航空器机翼的前缘上方，将高速气流沿弦向吹送到机翼上表面，使之快速流经机翼上表面与左右翼稍小翼内侧表面构成的箱体，利用流过翼稍小翼内外两侧表面空气的流速差，形成翼稍小翼的夹持力，翼稍小翼的这种夹持作用既可以增加飞行的稳定性，又可以在地面利用地效作用和空气重力或在空中利用运动阻力和空气重力使翼稍小翼转回到垂直的位置，使倾斜的机翼改平，提高机翼的自持能力；此外，翼稍小翼具有向外侧倾转并展平的功能，可以在水平飞行时增加机翼面积，并在滑翔迫降时降低机翼的载荷。
所述吹送到机翼上表面的气流的流速与驱动装置的功率成正比，而机翼下表面的气流速度与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度可以为零，此时机翼上表面的弦向吹气气流仍然可以产生足够的机翼升力。
采用本发明方法，当航空器静止时，在航空器机翼的上翼面由驱动装置吹送高速气流，利用伯努利原理，通过流过机翼上表面和下表面的空气形成的流速差，在航空器的机翼上产生升力。
当机翼上、下表面产生的气流风速差为90km/h时，机翼升力计算如下：
由伯努利方程：动能+重力势能+压力势能=常数，
在重力场中流动的理想气体中任取一段具有高度差的流管：
式中：p-压强，ρ-密度，v-流速，g-重力加速度，h-流管高差。
对于水平流管，h=0，故：
由风压与风速的关系可知：当风速为90km/h时，风压为：400n/m2，因此，根据上式可以获得的翼面升力为每平方米40公斤，即使是平板翼型也可以满足翼载小于40公斤的航空器起飞。对于200公斤的垂直起飞重量，只需5平方米的机翼即可。如果采用曲面翼型，则升力还可以进一步提高。
本发明综合利用滑流增升原理、地效作用原理和空气重力作用产生的力和力矩对翼稍小翼形成夹持增稳的效果，并且对两个翼稍小翼和平板机翼组成的整个机翼发生的偏转角度α能够自动产生改平力矩，大大提高了机翼的支自持性和稳定性。具体原理是，左右翼稍小翼内侧两个大面积表面与平板翼型机翼的上表面构成一个u形箱体，高速气流从箱体底部吹过，由于空气的粘性，箱体内部接触高速气流的空气在空气粘性的作用下被高速气流拉扯、加速、吹走。箱体内部空气吹走形成负压，箱体上方的空气在空气重力的压力作用下垮塌，产生了自上而下的气流。与此相对应，在机翼的下表面也会产生一个自下而上的气流，由于机翼的阻挡和空气重力的作用，自下而上的气流强度要小于自上而下的气流强度，这个压力差，就是机翼的升力。
而机翼的自持性和稳定性，主要来源与三个因素。
一是地效作用。当停留在地面的板翼机的机翼倾斜时，左右两个翼稍小翼一侧高一侧低，低的一侧接近于地面，接近地面的翼稍小翼的外侧气流在地面粘滞作用下流速减慢，导致接近于地面的一侧受到的推力更大，同时接近天空的翼稍小翼的外侧气流的流速则不受地面粘滞作用影响，流速较快，导致接近天空的一侧受到的推力较小，高侧力小而低侧力大促使低侧抬高而高侧降低，使机翼转平。
二是空气重力。空气是有重量的，无论板翼机是停留在地面还是飞在空中，当板翼机机翼的上表面产生高速气流时，由于空气的粘性，高速气流上部的空气在空气粘性的作用下被高速气流拉扯、加速、吹走，形成负压，使得上部的空气在空气重力的压力作用下垮塌，产生了自上而下的气流。当机翼倾斜时，两个翼稍小翼一侧高一侧低，大量空气下沉时，上侧翼稍小翼的外侧和下侧翼稍小翼的内侧气流的流速增大，使得上侧翼稍小翼的外侧推力变小而下侧翼稍小翼的外侧推力增大，使机翼转平。
三是运动阻力。当板翼机飞在空中时，如果有扰动使板翼机的机翼倾斜，将会产生出一个偏航力，由于偏航力迫使航空器偏航，向翼稍小翼较低的一侧横向移动，由于翼稍小翼横向面积很大，在横向移动时左右两个翼稍小翼都会受到很大的迎面空气阻力，这个空气阻力迫使机翼转平。
因此，板翼机的大型翼稍小翼形成了夹持增稳的效果，并且对整个机翼发生的偏转角度α能够产生改平力矩，大大提高了机翼的自持性和稳定性。
本发明翼稍小翼为大面积平板翼型，翼稍小翼与机翼之间采用纵向铰链连接，可以通过操纵机构使垂直的翼稍小翼（ω=90°）围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至某个倾角ω，或者展平至与机翼同平面（ω=0°），甚至下反至某个负的倾角ω。在垂直起降时，通过操纵机构使翼稍小翼围绕纵向铰链相对于机翼向内纵向倾转至与机翼垂直的位置（ω=90°），从而利用翼稍小翼的外侧两个大面积表面获得增稳和自持的效果。在水平飞行时，通过操纵机构使翼稍小翼围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至与机翼垂直的某个角度ω，甚至展平为ω=0°或者下反至某个负的倾角ω，从而利用翼稍小翼的大面积表面获得增加机翼面积的效果。
与现有技术相比，本发明具有可以完全兼垂直起降和高速飞行两种飞行工况，效率提高、结构简单、操控直观、工作可靠、安全稳定、成本低廉等优点，可以广泛应用于垂直起降航空器特别是普及型、轻便型航空器，同时也具有构建大型垂直起降航空器的潜力。由于这种新构型航空器利用左右两个大面积翼稍小翼与平板翼型的机翼构成一个u形箱体，通过“吞食”箱体上方的空气产生升力，实现垂直起降和稳定飞行。本发明还克服了现有旋翼类航空器受空间布局和翼尖音速的限制，可以采用多个旋翼或多排旋翼提高升力，使得垂直起降航空器能够突破尺寸和载荷的限制，更加大型化。
附图说明
图1是本发明机翼翼梢设有大型翼梢小翼的航空器示意图。
图2是本发明设有大型翼梢小翼的板翼机示意图。
图3是本发明设有大型翼梢小翼的机翼局部示意图。
图4是本发明翼梢小翼展平的原理示意图。
图中：1-机翼，2-驱动装置，3-翼稍小翼，4-机身，α-机翼的倾转角，ω-翼稍小翼的下反角，h-小翼高度，l-机翼展长，b-机翼弦长。
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1：参见图1-4，本利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法是：对于采用小展弦比的宽弦平板翼型机翼的板翼机，在左右两侧平板翼型机翼的翼梢垂直设置大型小翼，将10个小型螺旋桨驱动装置排列设置于航空器机翼的前缘上方（分左、右两组对称排列于左、右机翼的前缘上方，每个机翼上设置5个小型驱动装置），由驱动装置将高速气流沿弦向吹送到机翼上表面，使之快速流经机翼上表面与左右翼稍小翼内侧表面构成的箱体，利用流过翼稍小翼内外两侧表面空气的流速差，形成翼稍小翼的夹持力，增加飞行的稳定性，并在空中利用运动阻力和空气重力或在地面利用地效作用和空气重力，使翼稍小翼具备自动转回到垂直位置的能力，能够使倾斜的机翼改平而提高机翼的自持能力。
翼稍小翼与机翼之间纵向铰连，通过常规连杆操纵机构使垂直的翼稍小翼（ω=90°）围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至某个翼稍小翼的下反角ω，或者展平至与机翼同平面（ω=0°），从而改变机翼承载气流的面积、调整机翼载荷。翼梢小翼为大型小翼，翼面面积为机翼面积的45%（明显大于常规翼稍小翼的面积），从而显著提高翼稍小翼的自持能力和稳定性，继而提高航空器垂直起降时的升力并降低水平飞行时的诱导阻力。翼稍小翼采用上宽下窄的气动布局，翼稍小翼的翼根宽度与机翼的翼尖宽度相同、翼尖宽度与机翼的翼根宽度相近、高度h等于机翼展长l的一半（即h=l/2），提高翼稍小翼的自持能力和稳定性。翼稍小翼采用平板翼型，具有内侧和外侧两个大面积表面，内侧表面的气流流速大于外侧表面，越靠近气流中心区域气流流速越大，内侧表面的气流流速与驱动装置的功率成正比，外侧表面的气流流速与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时翼稍小翼外侧表面的气流速度可以为零。
机翼采用顶置式悬挂于机身之上，机翼与机身之间通过万向铰链连接，通过常规连杆机构调整偏转角度，满足飞行需要；机翼翼型为平板翼型，翼形为三角形，为大面积连续表面宽弦机翼（展弦比小于2），大大降低机翼的飞行阻力，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降，且为光伏电池的安装提供足够的空间。机翼上表面的气流的流速与驱动装置的功率成正比，而机翼下表面的气流速度与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度可以为零。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。
实施例2：参见图1-4，本利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法是：对于采用小展弦比的宽弦平板翼型机翼的板翼机，在左右两侧平板翼型机翼的翼梢垂直设置大型小翼，将20个小型涡喷发动机驱动装置排列设置于航空器机翼的前缘上方（分左、右两组对称排列于左、右机翼的前缘上方，每个机翼上设置10个小型驱动装置），由驱动装置将高速气流沿弦向吹送到机翼上表面，使之快速流经机翼上表面与左右翼稍小翼内侧表面构成的箱体，利用流过翼稍小翼内外两侧表面空气的流速差，形成翼稍小翼的夹持力，增加飞行的稳定性，并在空中利用运动阻力和空气重力或在地面利用地效作用和空气重力，使翼稍小翼具备自动转回到垂直位置的能力，能够使倾斜的机翼改平而提高机翼的自持能力。
翼稍小翼与机翼之间纵向铰连，通过常规电机传动操纵机构使垂直的翼稍小翼（ω=90°）围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至某个翼稍小翼的下反角ω，或者展平至与机翼同平面（ω=0°），从而改变机翼承载气流的面积、调整机翼载荷。翼梢小翼为大型小翼，翼面面积为机翼面积的40%（明显大于常规翼稍小翼的面积），从而显著提高翼稍小翼的自持能力和稳定性，继而提高航空器垂直起降时的升力并降低水平飞行时的诱导阻力。翼稍小翼采用上宽下窄的气动布局，翼稍小翼的翼根宽度与机翼的翼尖宽度相同、翼尖宽度与机翼的翼根宽度相近、高度h等于机翼展长l的2/3（即h=2l/3），提高翼稍小翼的自持能力和稳定性。翼稍小翼采用内凸外平翼型，具有内侧和外侧两个大面积表面，内侧表面的气流流速大于外侧表面，越靠近气流中心区域气流流速越大，内侧表面的气流流速与驱动装置的功率成正比，外侧表面的气流流速与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时翼稍小翼外侧表面的气流速度可以为零。
机翼采用横置式分布于机身两侧，通过一个纵向铰链连接机翼与机身以实现机翼相对于机身的纵向偏转，同时再通过一个横向铰链连接机翼与机身以实现机翼相对于机身的横向偏转，通过常规连杆机构调整偏转角度，满足飞行需要；机翼翼型为平板翼型，翼形为梯形，为大面积连续表面宽弦机翼（展弦比小于1.5），大大降低机翼的飞行阻力，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降，且为光伏电池的安装提供足够的空间。机翼上表面的气流的流速与驱动装置的功率成正比，而机翼下表面的气流速度与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度可以为零。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。
实施例3：参见图1-4，本利用翼稍小翼改善航空器垂直起降和飞行控制的方法是：对于采用小展弦比的宽弦平板翼型机翼的板翼机，在左右两侧平板翼型机翼的翼梢垂直设置大型小翼，将2个涡喷发动机驱动装置排列设置于航空器机翼的前缘上方（分左、右两组对称排列于左、右机翼的前缘上方，每个机翼上设置1个驱动装置），由驱动装置将高速气流沿弦向吹送到机翼上表面，使之快速流经机翼上表面与左右翼稍小翼内侧表面构成的箱体，利用流过翼稍小翼内外两侧表面空气的流速差，形成翼稍小翼的夹持力，增加飞行的稳定性，并在空中利用运动阻力和空气重力或在地面利用地效作用和空气重力，使翼稍小翼具备自动转回到垂直位置的能力，能够使倾斜的机翼改平而提高机翼的自持能力。
翼稍小翼与机翼之间纵向铰连，通过常规带拉绳悬臂的连杆操纵机构使垂直的翼稍小翼（ω=90°）围绕纵向铰链相对于机翼向外纵向倾转至某个翼稍小翼的下反角ω，或者展平至与机翼同平面（ω=0°），从而改变机翼承载气流的面积、调整机翼载荷。翼梢小翼为大型小翼，翼面面积为机翼面积的30%（明显大于常规翼稍小翼的面积），从而显著提高翼稍小翼的自持能力和稳定性，继而提高航空器垂直起降时的升力并降低水平飞行时的诱导阻力。翼稍小翼采用上宽下窄的气动布局，翼稍小翼的翼根宽度与机翼的翼尖宽度相同、翼尖宽度与机翼的翼根宽度相近、高度h等于机翼展长l的3/4（即h=3l/4），提高翼稍小翼的自持能力和稳定性。翼稍小翼采用平板翼型，具有内侧和外侧两个大面积表面，内侧表面的气流流速大于外侧表面，越靠近气流中心区域气流流速越大，内侧表面的气流流速与驱动装置的功率成正比，外侧表面的气流流速与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时翼稍小翼外侧表面的气流速度可以为零。
机翼采用横置式分布于机身两侧，机翼与机身之间通过纵向铰链铰链连接，并在左右机翼的后部增设副翼，通过常规电机驱动机构调整偏转角度，满足飞行需要；机翼翼型为平板翼型，翼形为矩形，为大面积连续表面宽弦机翼（展弦比小于1），大大降低机翼的飞行阻力，使航空器在故障出现时能够像树叶飘落一样实现缓降迫降，且为光伏电池的安装提供足够的空间。机翼上表面的气流的流速与驱动装置的功率成正比，而机翼下表面的气流速度与航空器的飞行速度相同，航空器垂直起降时机翼下表面的气流速度可以为零。板翼机为采用大面积连续表面宽弦机翼和弦向吹气实现垂直起降及飞行的航空器，机身等其它结构均采用现有航空器技术。
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。