一种燃气涡轮动力式空中跑道的制作方法

本发明属于飞行器设计领域，具体是一种燃气涡轮动力式空中跑道，用于帮助固定翼飞行器进行垂直起降。

背景技术：

1、自1903年12月17日，美国的莱特兄弟试飞成功“飞行者一号”以来，固定翼飞行器一直采用的是起落架滑跑起降，直到上世纪60年代，出现了鹞式战斗机，它利用机身可旋转喷气口，进行垂直起落、过渡飞行和常规飞行，从而实现了固定飞行器的垂直起降，其后美国的f-35也可利用矢量喷口和升力风扇进行垂直起降。

2、但是，这种起降方式需要在机体上安装大量用于偏转喷口的机械装置，而转入平飞后，这些装置显然毫无用处，浪费了固定翼飞行器平飞时宝贵的载荷和空间；与此同时，垂直起降阶段功率损失严重，对于追求高效的固定翼飞行器来说，这就意味着续航时间变短、有效载荷大大减少。

3、文献1：cn113716048a,2021-11-30.王松、骈学超等提出“一种浮游式空中移动机场平台搭载固定翼飞机的起降方法”，采用四旋翼对固定翼飞行器进行驮起驮降，但这种起降方式因四旋翼载重小、速度慢，驮载固定翼后两者很难加速到固定翼所需最小飞行速度，而且当四旋翼加速前飞时，机身前倾角度过大导致过渡对接很难成功。

4、文献2：cn114194387b,2023-06-20.骈学超提出“一种共轴反桨双旋翼式空中移动跑道”，其本质是一种共轴双桨直升机，通过巧妙地加装起降平台演化为可对固定翼飞行器进行垂直起降的空中跑道，但是直升机双旋翼前飞速度有限且会带来下洗气流，这增加了固定翼飞行器与空中跑道过渡对接的风险。

5、综上，不同方式都有其固有劣势，往往只能被迫用于某一被限制的领域内。

技术实现思路

1、针对上述问题，为了使固定翼飞行器能够脱离固定跑道、不需要安装额外的辅助装置且不需要牺牲固定翼的高效性就可以实现垂直起飞和降落，本发明提出了一种燃气涡轮动力式空中跑道，既可为固定翼无人机进行驮起驮降，通过加大空中跑道量级还可以为有人驾驶的固定翼飞行器进行驮起驮降。

2、所述燃气涡轮动力式空中跑道，包括多轴燃气涡轮动力飞行器和起降平台；起降平台通过易拆卸滑槽链接装置加装在多轴涡喷飞行器机体上方；空中跑道通过安装于起降平台上的吸附式对接装置连接和搭载固定翼飞行器。

3、飞行器根据载重大小需要，增加或减少涡轮喷气发动机数量，包括三轴、四轴、五轴、六轴或八轴涡喷等；当不安装起降平台时，飞行器单独作为纯涡喷飞行器前出执行任务。

4、所述飞行器包括机体和起落架；所述机体包括n个推力矢量涡喷动力单元、飞行控制与导航单元、能源供给单元、载荷机舱、复合材料n边形机架和整流罩；

5、所述机架上每隔360°/n安装一个涡喷动力单元，呈正多边形分布，飞行控制与导航单元安装在机架中部，载荷机舱安装在机架下方，空气进气口和进气道位于整流罩偏上方；

6、所述每个涡喷动力单元，均包括涡喷发动机和推力矢量喷嘴；

7、所述涡喷发动机替换为涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机，此时飞行器即为多轴涡扇动力飞行器或多轴涡桨动力飞行器。

8、涡喷发动机包括三个子系统，分别是燃油箱、燃油泵、燃油喷射器和油管组成的燃料系统；进气口、进气道、空气过滤器和压气机组成的空气进气系统；点火装置和燃烧室壁组成的燃烧室；

9、涡喷发动机通过飞行控制与导航单元控制油阀开合来改变供给燃油量，改变相应油门大小，从而改变发动机推力大小，同理，通过改变推力矢量喷嘴的偏转角度来改变推力矢量在水平方向上的分力来提供前进动力，偏转方向不同便可向不同方向飞行，从而实现飞行器位姿的变化。

10、所述的起降平台为圆形结构，上平面平铺一张高密度碳纤维收纳网，网间均匀布置采用高强度碳纤维材料制作的加强肋，上平面的中间安装着图像识别装置或图像标识物，用于末端高精度对接定位，同时上平面安装对接装置，通过控制器进行固定翼无人机的吸附和释放。

11、所述空中跑道驮载固定翼飞行器进行垂直起飞、空中脱离、空中对接和垂直降落操作的具体过程如下：

12、步骤一，在起飞阶段，将固定翼飞行器与所述空中跑道对接在一起，固定成组合结构，借助多轴涡喷发动机摆脱重力，垂直起飞。

13、具体为：

14、定义n个推力矢量喷嘴的初始方向均与机体坐标系下x轴正方向平行，即

15、在起飞时，所有推力矢量喷嘴逐步向下偏转，使得在垂直方向上的总推力变大，从而实现垂直起飞；通过控制的大小来控制垂直方向上的总推力大小，从而灵活控制组合机构的起飞速度。

16、步骤二，当组合结构到达预定高度后，飞行控制与导航单元发出控制指令，改变所有推力矢量喷嘴的旋转角度以及涡喷发动机的油门大小，在垂直方向上推力不变的前提下，增加水平方向上推力，使组合结构产生前飞的加速度和速度；此后，固定翼飞行器的发动机启动，通过不断加大组合机构的前飞速度，两者一同进入过渡期；

17、步骤三，在过渡期阶段，当组合结构的空速达到固定翼飞行器的最小平飞速度后，固定翼飞行器发动机满油输出，继续加快组合结构前飞速度，同时对接装置断电，固定翼飞行器加速分离，空中跑道脱离并逐渐减速。此后，固定翼飞行器前飞并执行任务，空中跑道返回着陆点并在地面等待；

18、过渡期动力学模型如下：

19、

20、式中，ti表示第i个涡喷发动机提供的推力，βi表示第i个推力矢量喷嘴的转动角度，l表示固定翼飞行器的升力，m表示多轴涡喷飞行器的质量，m表示固定翼飞行器的质量，g表示当地重力加速度，ax表示组合机构沿x轴的加速度，i表示组合机构的转动惯量，表示转动角加速度，vx表示组合机构沿x轴的速度，vy表示沿y轴的速度，ω表示转动角速度，ρ表示空气密度，s表示固定翼飞行器的机翼面积，cl表示固定翼飞行器的升力系数，d1表示多轴涡喷飞行器所受阻力，c表示多轴涡喷飞行器的阻力系数，d2表示固定翼飞行器的阻力，cd表示固定翼飞行器的阻力系数。

21、当根据动力学模型解算出不同速度、加速度条件下所需发动机推力和喷嘴转动角度，输入飞行控制与导航单元，根据控制律解算出油门及舵机的控制指令，从而使得油泵对发动机的燃油供给速率发生变化、喷嘴转动角度变化，使得涡喷发动机的推力矢量发生改变，使得组合机构位移和转动发生变化，最终实现组合机构过渡期飞行控制。

22、步骤四，当固定翼飞行器任务执行完毕，开始返航后，空中跑道再次垂直起飞并爬升高度，进入事先预设好的平飞对接航线保持高度、较低空速飞行，固定翼飞行器持续跟踪空中跑道并进入引导对接阶段；

23、具体为：飞行控制与导航单元的差分卫星导航模块，采用动态对动态相对差分定位技术，不断缩小固定翼飞行器与空中跑道的相对距离，当两者相对距离满足引导切换条件时，引入末端图像引导固定翼飞行器跟空中跑道进行对接。

24、引导切换距离满足条件如下：

25、|δx|≤2.25m,|δy|≤2.25m,δz≤3m

26、|δx|为机体坐标系下空中跑道与固定翼飞行器沿x轴相对位置差的绝对值，|δy|为机体坐标系下两者沿y轴相对位置差的绝对值，δz为机体坐标系下空中跑道与固定翼飞行器沿z轴相对位置差；

27、步骤五，当空中跑道和固定翼飞行器的三维位置相对距离小于10cm且姿态角相近后，开启对接装置，保证两者连接成为组合结构。

28、步骤六，固定翼飞行器的发动机转速逐渐减小，组合结构共同制动减速，直至固定翼飞行器的发动机转速减小为0，空中跑道搭载固定翼飞行器飞行至着陆点并垂直降落，整个飞行任务结束。

29、进一步，本发明所述燃气涡轮动力式空中跑道还具有地面转运模式，通过地面转运控制算法，将自身及其驮载的固定翼飞行器自动转运至指定停机坪，适用于起降空间狭小的山洞机场，以及舰载无人机从机库调运至甲板起飞位等场景。

30、本发明的优点在于：

31、(1)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，不需要传统固定的地面机场跑道，即可在任何地点帮助固定翼飞行器进行垂直起飞、垂直降落，部署更加灵活、机动，即使是护卫舰、驱逐舰等仅有直升机停机坪的舰船，或者仅有隐藏山洞存放固定翼飞行器而无机场跑道的隐蔽军事基地，也可以起飞降落固定翼飞行器；

32、(2)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，主体采用多轴涡喷飞行器，得益于强大的涡喷发动机，尤其是在添加加力燃烧室后，其巡航速度可远大于固定翼飞行器最小起飞速度，甚至可以进行超音速飞行，同时多轴涡喷飞行器的有效载荷非常大，意味着可以起降更大更快的固定翼飞行器，尤其是歼击机、战斗机等；

33、(3)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，其姿态控制、位置控制主要是通过控制所有涡喷发动机的油门大小及对应推力矢量喷嘴的偏转角来实现，飞行相较于直升机更加灵活，且前飞、后飞时机体本身姿态变化非常小，对于空中对接固定翼飞行器具有天然优势；

34、(4)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，应用于舰船上对固定翼飞行器进行驮起驮降，减小了对船体大小的要求，拥有直升机停机坪的舰船便可以起降固定翼舰载机，多艘该型舰船便可有代替传统航母的趋势；

35、(5)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，通过可分离的空中跑道对固定翼飞行器进行驮起驮降，使得固定翼飞行器减少了起落架的设计与安装，增大了有效载荷、提升了效率；

36、(6)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，对于某些特殊构型或特殊要求的固定翼飞行器，甚至可以驮载固定翼飞行器垂直爬升，达到一定高度后，固定翼飞行器所积累的重力势能足够直接脱离，即使没有水平加速、没有水平动能，仍可以令该固定翼飞行器垂直下落使重力势能转化为竖直方向上的动能，而后逐渐拉起固定翼飞行器进入巡航模态；

37、(7)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，该平台还可以扩展使用功能，比如后期可以加装充电桩、加油箱等工具，从而增加为固定翼飞行器空中不降落充电、加油等功能；

38、(8)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，除可作为空中跑道对固定翼飞机驮起驮降外，在固定翼执行任务无需起降时，该涡轮喷气动力式空中跑道还可以在快速卸载起降平台后，加装侦察载荷、打击载荷作为一种直升机飞行器去执行任务；

39、(9)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，不同于固定翼子母机或者旋翼空中跑道在空中对接、空中分离时会带来复杂的气动耦合问题，本发明由于不是靠机翼翼型产生气动升力，对空中气流变化不敏感，可以避免在空中对接、空中分离时会带来复杂的气动耦合的问题，同时，网状起降平台可以保证其上固定翼飞行器机翼有足够的气动升力；

40、(10)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，多轴涡喷飞行器载重大、速度快，但是由于采用涡轮喷气发动机导致续航时间有限，而固定翼飞行器得益于优秀的气动升力，续航时间往往很长，但起飞往往需要固定跑道，本发明可在规避两者缺点的同时，充分发挥两种不同飞行器的优点；

41、(11)本发明一种燃气涡轮动力式空中跑道，安装有起落架及对应前后轮，在地面模式下，可将自身及其上的无起落架固定翼飞行器自动转运至停机坪，对于起降空间狭小的山洞机场可实现灵活地面转运，尤其对于舰载无人机从机库调运至甲板起飞位，这种可自主灵活转运的功能非常重要。