双射流固定翼垂直起降飞行器及控制方法与流程

本发明涉及一种飞行器，尤其涉及一种双射流固定翼垂直起降飞行器及控制方法。

背景技术：

1、常见的飞行器有固定翼和旋翼两大类。固定翼飞机载重大、速度快、航程远、升限高，但不能垂直起降，需专用大型机场滑跑到一定速度才能起飞，甚至速度稍低就会导致升力不够而发生失速事故，更不能在空中悬停，使用范围受限，目前仅活跃在较远城市间的运输。

2、旋翼飞机能垂直起降，无需专用大型机场，能在空中悬停，但载重较小、速度较慢、航程较短、升限较低、操作复杂、噪声大，安全性差，使用范围也严重受限，目前仅活跃在军用、应急、抢险、特殊、边缘等领域的运输。

3、目前，有部分复合翼飞机以在固定翼飞机基础上叠加旋翼或升力风扇的方式，努力将固定翼飞机和旋翼飞机融合，该类融合固定翼飞机的代表为f35b飞机、直升无人机、飞行汽车以及曾经出现过的直升客机，它们的垂直起降模式载重少，噪音大。该技术仅能在超轻型的固定翼飞机、飞行汽车、无人机上应用，但增加冗余、结构复杂、载荷低、安全性也差。

4、还有部分倾转翼飞机以在固定翼飞机基础上通过倾转旋翼的方式，努力将固定翼飞机和旋翼飞机融合。它们的垂直起降模式载重也较少，航速较慢、航程较短、噪音大，起降—平飞转换时气动变化大，结构、飞控复杂，不安全，导致该技术也仅能在轻型的固定翼飞机、电动直升固定翼飞机、无人机上有所应用，一直没能在民用领域广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双射流固定翼垂直起降飞行器及控制方法，其功率载荷极大，具有载重大、航程远、升限高、噪声小、操作方便等优点，特别是能靠固定翼气动升力实现高效垂直起降和悬停。

2、第一方面，本发明提供一种双射流固定翼垂直起降飞行器，由机翼、机身、起落装置、操纵系统和动力装置组成，其特征在于，还包括双射流装置，所述双射流装置安装在所述机翼的前方，所述双射流装置将所述动力装置产生的气流分为两组射流从所述机翼前方喷向机翼；所述两组射流中的一组射流从机翼前上方喷向机翼的上凸翼面，该组射流与所述机翼翼弦之间的初始夹角较小，称为直匀流，另一组射流从机翼前下方喷向机翼的前凸面，该组射流与所述机翼翼弦之间的初始夹角较大，称为环量流，所述环量流在直匀流、机翼、流体惯性及流体粘性的共同作用下环绕机翼凸面流动；所述直匀流和环量流两组射流中的每一组射流可由一个或多个射流构成，每个射流的初始流向与机翼翼弦之间的夹角可不同，流速也可不同。

3、根据库塔-儒科夫斯基定理f升＝ρν直ν环s，所述双射流装置将直匀流和环量流高速喷向机翼上凸翼面时与机翼及流体惯性、流体粘性的共同作用阻隔大气压而在机翼的上凸翼面生成低压区，从而在机翼上产生设定的气动升力f升。

4、本发明还提供一种双射流固定翼垂直起降翼身融合飞行器，其特征在于将机翼与机身融合一体；设置在机身顶部的机翼提供升力，设置在机身两侧的机翼提供滚转、偏航、转向及平移机动的动力，可将多凸翼设置在机身尾端，以提供减速和倒退机动的动力。

5、其中，所述机翼为传统单凸翼、多凸翼、飞翼布局机翼中的任意一种或组合；所述传统单凸翼是机翼上表面只有一个凸起曲面的常规翼型，上表面沿气流方向有多个凸曲面的机翼称为多凸翼。

6、其中，所述直匀流与所述机翼翼弦之间的初始夹角θ较小，在±40°范围内，进一步推荐初始角θ为±20°，与机翼翼弦之间的初始夹角θ相对翼弦上偏定义为负角度，相对翼弦下偏定义为正角度；所述环量流与所述机翼翼弦之间的初始夹角α较大，在下偏0～120°范围内，进一步推荐初始角α为下偏20°～70°；所述直匀流和环量流可由一个或多个射流构成，每个射流的初始流向与机翼翼弦之间的夹角可不同，流速也可不同。

7、其中，所述多凸翼的上表面沿气流方向有多个上凸翼面首尾相接，可在多凸翼相邻的两上凸翼面间安装双射流装置或导流体产生直匀流和环量流两组射流喷向其后边的上凸翼面，直匀流和环量流流过多凸翼的上凸翼面时将阻隔大气压而在上凸翼面生成对应的多个低压区，从而在多凸翼上产生对应的多个气动升力区，从而使短翼展的多凸翼升力可以超过大翼展的传统单凸翼升力，缩短飞行器横向尺寸。

8、其中，所述多凸翼两侧可安装翼刀，防止旁边的高压区空气流到多凸翼上方的低压区来，形成流道多凸翼。

9、其中，所述流道多凸翼两侧的翼刀上方可加装隔板隔离外界气流影响，形成仅有前端和后端开口的半封闭流道多凸翼。

10、其中，所述流道多凸翼和半封闭流道多凸翼受外界气流影响小，将有更高的气动效率，产生更大的升力。

11、其中，所述导流体为流线型形状，以一定角度安装在多凸翼相邻的两上凸曲面间，将气流分为上下两组，上组气流形成直匀流，下组气流经与多凸翼的前凸面共同作用形成环量流，直匀流和环量流流过多凸翼的上凸翼面时将阻隔大气压而在上凸翼面生成对应的多个低压区。

12、其中，所述多凸翼机翼为循环多凸翼，所述循环多凸翼的上表面沿气流方向有多个上凸翼面首尾相接形成环盘状循环体；所述循环多凸翼两侧可安装翼刀，防止旁边的高压区空气流到循环多凸翼上方的低压区来，形成仅有顶部开口的半封闭循环流道多凸翼。所述半封闭循环流道多凸翼两侧翼刀的上方可加装隔板隔离外界气流影响，形成封闭循环流道多凸翼。

13、其中，可在所述循环多凸翼相邻的两上凸翼面间安装双射流装置或导流体来产生直匀流和环量流两组射流喷向其后边的上凸翼面，直匀流和环量流流过循环多凸翼的上凸翼面时将阻隔流道上部压强而在上凸翼面处生成对应的多个低压区，从而在多凸翼上产生对应的多个气动升力区，产生对应的多个气动升力；气流在所述循环多凸翼的循环流道内反复循环流动，气流流经双射流装置后被加速喷射向后边的上凸翼面，在所述循环流道内循环流动一圈后又回到所述的同一个双射流装置，然后气流再次被该双射流装置加速喷射向后边的上凸翼面，如此反复循环，最大限度地把流体动能转化为了升力，提供持续推动力。

14、其中，可以通过调整循环多凸翼不同区域的升力大小来给飞行器提供转向、俯仰、偏航、滚转、平移等机动力，也可通过调整飞行器配置的多个循环多凸翼的升力大小及方向来给飞行器提供转向、俯仰、偏航、滚转、平移等机动力。

15、其中，所述封闭循环流道多凸翼中的气流可替换为液体流或气液混合流。

16、其中，安装所述封闭循环流道多凸翼的双射流固定翼垂直起降飞行器可以在大气层外的外太空飞行和机动。

17、其中，所述双射流装置可由涵道、喷口构成，所述喷口包含直匀流喷口和环量流喷口，所述直匀流喷口为喷射直匀射流的喷口，所述环量流喷口为喷射环量射流的喷口。所述直匀流喷口和所述环量流喷口可共同连接在一个涵道上，也可连接在不同的独立涵道上。

18、其中，所述双射流装置的数量为一个或多个；所述双射流装置安装在机翼前方，与所述机翼固定连接或活动连接，将所述动力装置产生的气流通过所述涵道转移至机翼前方，并通过所述双射流装置的两组喷口分别将所述直匀流和环量流喷向机翼，通过操纵系统调整双射流装置与机翼的相对位置和相对射流方向，通过所述直匀流喷口和环量流喷口按飞控要求控制所述直匀流和环量流以规定的速度、方向及流量从机翼前方喷向机翼，以产生不同的升力，满足飞行要求。

19、其中，所述射流装置的喷口为固定喷口、变径喷口、矢量喷口中任意一种或组合，所述矢量喷口为二元矢量喷口、活页矢量喷口中任意一种或组合，所述喷口按飞控要求控制所述直匀流和环量流从机翼前方喷向机翼，以产生不同的升力，满足飞行要求。所述活页矢量喷口内的活页可单独控制，并可成不同的角度，也可以一起同步控制。

20、其中，可在所述机翼上的双射流装置喷出射流的边界处增加翼刀装置，用于防止旁边的高压区空气流到低压区来。

21、其中，所述动力装置为产生高速气流的装置，为涡喷、涡扇、涡桨、涡轴发动机或活塞桨扇发动机、电动风扇、电动桨扇、电动涵道风扇、高压气瓶中任一种或其组合；所述动力装置布局形式为集中式动力装置、分布式动力装置中任一种或其组合。

22、其中，飞行器为飞机、飞行汽车、飞行轮船、飞航器、飞行列车、空中客车、空天飞机、气动起飞回收火箭、巡航器或巡飞器中任一种。

23、其中，所述的起落装置为简单起落装置、陆上行走起落装置、水上航行起落装置中任意一种或组合；所述简单起落装置仅能满足飞行器停在地面的支撑架或支撑腿；所述陆上行走起落装置包含支撑和行走装置，既能将飞行器支撑在地面上，还能载飞行器在地面行走；所述水上航行起落装置包含浮力支撑和航行装置，既能将飞行器支撑在水面上，还能载飞行器在水面航行。

24、当所述双射流固定翼垂直起降飞行器的起落装置选配陆上行走起落装置时为飞行汽车、飞行列车、空中客车等陆空两栖交通工具；当所述双射流固定翼垂直起降飞行器的起落装置选配水上航行起落装置时为飞行轮船等水空两栖交通工具；所述双射流固定翼垂直起降飞行器的起落装置同时选配陆上行走和水上航行的起落装置时为飞航器等水陆空三栖交通工具，所述飞行汽车、飞行列车、空中客车、飞行轮船、飞航器设置有模式切换系统，可在飞行、航行及行驶模式中自由切换。

25、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的双射流固定翼垂直起降飞行器的控制方法，包括以下方法及步骤：

26、所述第一垂直起降及悬停控制方法：可通过飞控调整所述机翼上的后缘襟翼、副翼或导流板，将流经机翼的气流导向飞行器后下方，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，推动飞行器克服重力的同时，襟翼、副翼对气流的阻力可平衡双射流装置向后喷出气流时对飞机产生的向前的反作用推力，实现悬停机动；加大油门或电门使飞行器垂直上升机动，减小油门或电门使飞行器垂直降落机动；

27、所述第二垂直起降及悬停控制方法：可通过飞控控制飞行器的俯仰角度来实现垂直起降和悬停。通过增大所述飞行器的俯仰角，飞行器抬头，使机翼的升力指向后上方，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，推动飞行器克服重力的同时，机翼升力向后的分力可平衡双射流装置向后喷出气流时对飞机产生的向前的反作用推力，实现悬停机动；加大油门或电门使飞行器垂直上升机动，减小油门或电门使飞行器垂直降落机动；

28、所述第三垂直起降及悬停控制方法：将垂直起降及悬停控制方法一与方法二结合控制飞行器进行垂直起飞、垂直降落或悬停机动；

29、所述第一垂直起降转平飞控制方法：通过逐渐收起机翼上的后缘襟翼、副翼或导流板，将流经机翼的气流导向后下方或后方，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，推动飞行器克服重力的同时，依靠动力装置或双射流装置向后喷出气流产生向前的反作用推力推动飞行器向前方飞行，操作油门或电门使飞行器实现低速飞行或高速飞行；

30、所述第二垂直起降转平飞控制方法：通过逐渐降低所述飞行器的俯仰角，飞行器抬头角度逐渐降低，使机翼的升力指向逐渐回到垂直方向，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，推动飞行器克服重力的同时，依靠动力装置或双射流装置向后喷出气流产生向前的反作用推力推动飞行器向前方飞行，操作油门或电门使飞行器实现低速飞行或高速飞行；

31、所述第三垂直起降转平飞控制方法：将垂直起降转平飞控制方法一与方法二结合控制飞行器实现低速飞行或高速飞行；

32、所述第一平飞刹车控制方法：通过放下所述机翼上的后缘襟翼、副翼或导流板，将流经机翼的气流导向飞行器下方或前下方，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，操作油门或电门使飞行器克服重力的同时依靠空气阻力和反向气流推力实现刹车机动；

33、所述第二平飞刹车控制方法：通过增大所述飞行器的俯仰角，飞行器抬头，使机翼的升力指向后上方，通过飞控和操纵系统调整射流方向、射流速度及射流量，推动飞行器克服重力的同时，操作油门或电门使飞行器依靠空气阻力和机翼升力在前进反方向上的分力实现飞行器刹车机动；

34、所述第三平飞刹车控制方法：将平飞刹车控制方法一与方法二结合控制实现飞行器刹车机动；

35、所述飞行器的其它机动控制方法：

36、将动力装置提供的部分气流直接或通过双射流装置喷向飞行器尾翼或第二机翼，并通过襟翼、副翼或舵面调整气流方向，稳定飞行器，并给飞行器提供俯仰、滚转、偏航、转向及平移机动的动力；

37、通过操控装置调整双射流装置与机翼的相对位置以及相对喷气方向，调整气流流向与机翼的夹角，以实现调整迎角和最佳飞行状态；

38、将多凸翼与机身融合，多凸翼设置在机身顶部以提供升力的同时，控制前后双射流装置的喷气量、喷气速度及角度，实现俯仰机动；控制两侧双射流装置的喷气量、喷气速度及角度，实现滚转、偏航、平移机动；控制设置在机身尾端的双射流装置的喷气量、喷气速度及角度，以提供减速和倒退机动；

39、当固定翼飞行器达到设定速度时，空气与机翼的相对流速已可起到直匀流作用，此时可关闭直匀流喷口或调大所述直匀流与所述机翼翼弦之间的初始夹角θ，以更优效率飞行；

40、当固定翼飞机达到设定速度时，可选择一体飞行模式，双射流装置关闭并缩回与机翼合为一体，由推力风扇直接向后喷气推动固定翼飞机向前飞行，机翼与空气相对运动，在机翼上产设定气动升力，实现平稳飞行。

41、本发明原创性提出了新的飞行原理，即直匀流和环量流两组射流从机翼前方高速喷向机翼上凸翼面时与机翼及流体惯性、流体粘性的共同作用阻隔大气压而在机翼的上凸翼面生成低压区，从而在机翼上产生设定的气动升力，这有别于目前主流的伯努利升力原理解释。

42、进一步解释升力原理，因流体粘性的存在，环量流与机翼凸面接触时会引导其顺着机翼外表面流动，形成一个相对封闭的低压空间，该低压空间与附近大气压存在压差产生推动力，推动高速气流作类似抛物的运动，从而使气流加速，气流继续向后流动时，逆压作用使气流减速。

43、要想进一步增大升力，就得增高增长相对低压区，类似于抛物远动，就得增大环量流的入射角，但流体粘性力有限，超过20°后就有气流分离的风险。因此，就需要直匀流来辅助引导压制环量流，让其在较大入射角情况下任然沿机翼凸面流动，以生成更大的相对低压区，以产生更大的升力。

44、传统单凸翼机翼在空中加大迎角飞行增大升力也是这个原理，其前端曲率大，环量流产生的负压大，所以升力主要集中在机翼前端。

45、另外，机翼在空中高速飞行时，机翼下表面对升力贡献较小，对阻力贡献大，但其上凸表面对升力贡献较大，对阻力贡献小。因此，本发明将绝大部分高速气流分为环量流和直匀流从机翼上凸翼面流过，使其升力大，阻力小，升阻比更大，效率更高，速度更快。

46、本发明的有益效果：

47、本双射流固定翼垂直起降飞行器的功率载荷大，最大起飞/着陆重量可超过同功率滑跑起飞的固定翼飞机，可超过同功率旋翼直升机的四倍以上，轻松起降。具有载重大、速度快、航程远、升限高、噪声小、操作方便等优点，能在空中悬停，特别是还能垂直起降，对起降场地无特殊要求，一块平地即可起降，不需建专用大型机场。

48、由于本飞行器动力装置产生的高速气流通过双射流装置喷向机翼，相当于重新定义了机翼所处的流场，受环境气流、飞行器速度及姿态影响减小，自控性大幅增加，可在低空复杂气流条件下稳定飞行，垂直起降与平飞过渡平稳，既适合中高空飞行，也适合低空、超低空飞行，既适合高速飞行，也适合低速飞行甚至悬停。

49、所述双射流固定翼垂直起降飞行器使用方便，安全性高，使用范围广，既能用于城际交通，又能用于城市空中立体交通，还可用于军用、应急、抢险、特殊、边缘、农用等领域，形成空中快速交通网，甚至实现城际间多点对多点的直达航线新模式，大幅缓解城市拥堵交通，并将通行速度和效率较现有的以汽车和地铁为主的平面通行模式提高数倍，显著提高通行速率。

50、如本双射流固定翼垂直起降飞行器的动力装置主要采用电动推进系统，做到在运行过程中基本零排放，非常环保、低耗，可媲美铁路甚至是水运的运输成本。促进城市、城际、城乡，特别是边远地区交通的高效、环保发展，彻底革新交通出行方式，开启全面立体交通时代。

51、另外，安装所述封闭循环流道多凸翼的双射流固定翼垂直起降飞行器在不依赖向外喷射物质获得反推力的情况下，依靠封闭循环流道多凸翼内部上下面压差力就能轻松飞向外太空并进行各种机动飞行。使人们进入太空更方便、更安全、更环保、更快捷、更低耗，开启真正的太空航行时代。