一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車的製作方法

2023-05-21 02:28:21 1

專利名稱：一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能在陸地行駛、空中飛翔和水中遊弋的三棲飛行汽車，屬於航空和汽車領域的多功能運輸器。
背景技術：
自從人類發明了動力飛機100年以來，科技工作者一直致力於開發出一種同時具有飛機和汽車功能的多功能運輸工具，國內外已有為數眾多的與飛行汽車相關的發明專利或實用新型專利。至今，也有許多國家先後開發出了不少飛行汽車樣機。例如，美國莫勒公司開發的M400飛行汽車、美國NASA的概念車(上班族的私人交通工具)Gridlock Commuter、波音飛機公司的車身帶旋翼的飛行汽車、以色列的城市之鷹、荷蘭的新世紀飛行號(PALV)和瑞士的RinspeedSenso等.國內一些單位和個人也有不少志士能人向飛行汽車挑戰，但至今國內任尚未見到過概念車或模型車公諸與眾。幾十年來，雖然已有不少個人、機構或公司付出了大量的人力物力，企圖攻克這個看起來不複雜的兩用汽車，但至今收效有限。2004年9月，美國國防部研究院NASA和波音公司宣布他們已掌握了飛行汽車原理，但至少要到25年後才有可能投入實用。可見，目前世界上還是沒有突破飛行汽車研製中的難關。到底根源在哪裡呢？回顧世界上研發飛行汽車近一個世紀的歷史經驗和現狀，似乎在研發思路上存在問題。最早期的飛行汽車表現為簡單、機械、沒有創意。發明者或製造公司簡單地理解成將汽車車身安裝上飛機的機翼，就成了能跑會飛的飛行汽車了。實際上，用這種簡單的算術求和，兩兩相加的思路設計出來的所謂飛行汽車，是不倫不類的拼湊機械。在地面上跑，不如普通汽車快捷方便，在空中運動又不如飛機那麼靈活、機動和安全。因此，很難推廣。近年來，這種簡單湊和的設計思想雖有改進，但不徹底，沒有從根本上擺脫用飛機機翼加汽車車身拼湊出飛行汽車的老框框。只不過加上了現代控制技術而已。實際上，飛機和汽車是兩種截然不同的、在兩種根本不同的環境中運動的機械。本質的差別太大。要設計出兼有汽車和飛機功能的新東西，必須對兩種運輸器的原理和功能全部深刻理解，進行融匯貫通，互相滲透，才有可能性設計出兩者性能兼備的、真正的飛行汽車。汽車的特點是公路上跑得快、安全、又便於駕駛。車身尺度要適合公路的尺度，特別是左右方向的寬度要控制在一條車道寬的範圍內(1.6～1.8米左右)。另一方面，飛機在空中可自由飛翔。比地面上的汽車的速度要快，還可飛得高，飛得遠、飛得穩，可在三維空間上6個自由度活動。汽車只能貼在地面的二維空間運動。主要是克服輪胎與地面之間的摩擦力。而飛機在空中飛行時，主要是克服空氣阻力運動，但必須產生足夠的升力，以支持整個飛機在空中不墮落。此外，兩種運動機械的操縱方法也不同，汽車靠方向盤改變輪子的前進方向，飛機靠空氣動力舵(升降舵、方向舵和副翼)來改變運動姿態。因此，必須致力於將兩種運輸器有機結合、互相滲透，你中有我，我中有你。之所以出現目前這種不能兼顧或顧此失彼的現象，是因為許多發明人對汽車車身研究甚少。他們孤立地處理無升力的汽車車身。把它當成地面的良性物體，空中的累贅和包袱。另外，一提到「飛」，就只想到普通的固定機翼(展弦比大於6以上)或直升機的旋翼，似乎非這兩種具有大翼展的設備莫屬！於是，為了縮小模向尺寸，就來一個摺疊方法地面行馳時，將大翼展機翼或旋翼收起來(轉90°後)，縱向放置。升空時，再張開來，「橫行霸道」。更有甚者，乾脆放棄使用空氣動力學的原理使飛行汽車獲得升力，改用單純的推力轉向，獲得法向力，類似於早期的垂直起降飛機，例如英國的「獵免狗」。美國的莫勒先生，正是基於這種輕視空氣動力的設計思想，開發出M400飛行汽車，M400利用4～8臺轉子發動機，靠推力將汽車推上空中。從本實際上是一種火箭汽車，在設計上實在缺乏新意。結果是問題不少，成本太高。基於上述分析，本發明著重發揮先進空氣動力設計技術的優勢，在汽車車身上做好文章，將車身和機翼融為一體。要設法使車身能產生足夠大的升力，避免採用橫向尺寸過大的固定機翼或旋翼。當車身變成具有足夠大的升力後，就為設計出性能優良的飛行汽車奠定了堅實的基礎。

發明內容
本發明的主要內容在於應用本人的另一發明-「使小展弦比機翼增加升力的方法與裝置」中的思路，將原先不產生升力的汽車車身，設計成能提供足夠升力的「升力車身」。在不另外安裝固定機翼或旋翼或只安裝具有橫向增穩作用的輔助小翼的情況下，設計出飛行汽車。這種飛行汽車具有良好的升阻特性，很高的升阻比。對動力裝置的功率大小，沒有特殊的要求。所要求的功率基本上和普通汽車一樣，而飛行性能卻能和輕型飛機篦美，地面行駛性能和普通的轎車無異。這是一種真正意義上的「飛行汽車」。
首先，將飛行汽車車體的縱向剖面設計成適當的翼型剖面，例如LeibeckL1300翼型剖面或經過改進的類似翼型剖面。其特點是相對厚度特大，但升阻比卻特大(大於200)。可是，由於汽車車身的寬度不能大於一個車道的寬度的80％，通常在1.6～1.8米之間，而汽車車身長度約為5米，於是，汽車車身的展弦比大致為0.32～0.36，屬於超短展弦比，根據空氣動力學理論和實踐的結果表明，在這麼小的展弦比的情況下，由翼剖面形狀構成的車身的升力係數(例如在10°迎角時)只有無限翼展情況下的15％左右。在10°迎角時，無限翼展(二維翼型)升力係數為1.1。而具有同樣剖面形狀的車身的升力係數卻只有0.16左右。為了解決車身升力係數過小的問題，採用本人另一專利(02133862，PCT/CN/0301035)的原理，提出利用多元篷翼來進一步增加升力的方法，即，在翼型車體上面(上翼面)平行放置2～3片與上翼面曲率相同的篷翼片，左右兩端密封，創造二維翼型的條件。結果可使升力極小的車身改變成具有高達2.8左右升力係數(對應10度迎角)的高升力體。滿足了具有通常的車身寬度的飛行汽車，在不另外安裝固定翼或旋翼的情況下，也可達到升空飛行的要求。
有了升力車體後，就可進行全機氣動布局，選用發動機的功率，設計和安排穩定安定面和縱、側向操縱系統。按適航條例規範的要求，在滿足靜穩定裕度的條件下，確定水平層翼和垂直尾翼的布局和結構，最後，設計出符合操縱性和穩定性規範要求的飛行汽車。
不安裝固定翼，只靠車身來產生升力，也會帶來橫滾方向的固有靜不穩定問題。飛行汽車的抵抗橫滾幹擾的能力很差，必須解決這個問題。有多種方法可採取。例如，對靜不穩定系統加入人工阻尼，通常加裝由垂直陀螺組成的負返饋控制迴路來實現自動增穩。另一方法是採用滑流舵的局布，產生反應常數小，操縱力矩大的操縱效應，由飛行員感受橫滾趨勢，迅速用手動操縱機構進行糾編，提供有效的人工阻尼，使橫向運動穩定。第三種方法是加裝環形輔助機翼，上面帶有橫滾穩定翻板，在空中飛行時，橫滾穩定翻板伸展開，可增加橫向穩定性。尾部操縱機構形式也有多種選擇，例如倒「V」雙立尾叉動舵的布局和環翼、涵道螺旋槳和滑流舵布局等。
下面要通過附圖進行詳細的、具體的說明。


圖1，用做飛行汽車車體的「升力車身」圖2，本發明的第一實施例-I型飛行汽車全機示意3，I型飛行汽車前視4，環形尾翼縱向剖面5，抽吸與推進螺旋槳換向裝置圖6，用於水中航行的水翼圖7，橫向增穩自動器負反饋迴路方框8，控制涵道進氣量的可滑動擋板及滑槽。
圖9，本發明的第二實施例-II型飛行汽車全機示意10，II型飛行汽車後視圖具體實施方式
結合圖1至圖10，詳細說明本發明的兩個實施例。
圖1是本發明的飛行汽車車身，縱截面1是一種具有相對厚度、升阻比特大的翼剖面形狀。車身上方安裝有3片用於增升的篷翼2、3、和4。篷翼片平行於基準翼型的上翼面，結構上和基礎翼型的本體(即車身)機械連結在一起。三片篷翼形成了三個左右密封的涵道。由於二維效應和篷翼的作用，這種車身具有很高的升力係數和大的升阻比。圖2是本發明的第一實施例-第1型飛行汽車的原理示意圖。其特徵是升力車身1加上作為縱側向穩定裝置的尾部環翼2，再加上四個車輪14連接到車體下方。圖3是I型飛行汽車的前視圖。可以看到三片篷翼形成的三個左右封閉的涵道。圖中的7是用於引導氣流量控制板張合的導槽。圖2中的環形翼2的縱向剖面繪於圖4。由圖4可見，飛行汽車的推進螺施槳3安置在環翼內最前沿，形成效率很高的涵道螺槳。環翼的後部安裝了兩對雙雙可以同步同向偏轉和叉動偏轉的滑流舵4(管縱向和橫滾控制)和5(管升降和橫滾控制)。由圖1的後部，可見到三個小螺槳8、9、10置於篷翼形成的槽的後端出氣口。空中飛行時，三個小螺槳工作，可吸除涵道四周的附面層，同時，可加快氣流流動速度，以產生更大的負壓區，起到主動增升的效果。圖5表現出小螺槳的兩種工作狀態。當飛行汽車下到水中航行時，通過連杆16繞絞鏈軸17旋轉180度後使小螺槳8翻轉到車體的下方。為了使小螺槳在「水航」狀態下可當作推動車體前進的推進器用，應通過控制電機經過皮帶15，帶動螺槳8反轉，推動水流往後運動，使車體獲得向前的推進力。圖6表示出水翼11的結構型式。水翼安裝於車身底部，不需要使用時，緊貼在車身下方。當飛行汽車進入水中航行時，水翼通過兩組機械連杆12和13平行地向下推出。連杆12與液壓作筒桶相連，可以控制其上下停留的位置，從而改變了水翼的迎角。圖7是用於提供橫滾穩定性的負返饋控制迴路。圖8表示了在飛行汽車前緣位置安裝的一片涵道氣流控制板6及導槽7。控制板可沿槽7上下滑動，使涵道口完全敞開、完全封閉或處於中間位置，從而達到控制升力的大小。
圖9是本發明實施的第二個方案一II型使小螺槳的全機示意圖。這個方案的車體同樣是採用『升力車體』1，但在兩方面與I型飛行汽車完全不同。第一方面，增加了輔助環翼2。這種環翼會產生一定的升力。環翼的下半部份是可以張合的提供橫滾阻尼的兩塊弧形板3。第二方面的區別是尾翼部份採用了倒「V」型的水平和縱向安定面4。安定面後部安裝一對可以同向偏轉也可做叉動的舵面5。圖10表示了II型飛行汽車的後視圖。由圖可見，作為動力裝置一部分的螺旋槳8安裝在飛行汽車後部，置於倒『V』之內。II型飛行汽車的橫向穩定性是通過安裝翼展較長的輔助翼板3的空氣動力阻尼力短來保證，無須引入橫滾穩定自動器。其缺點是增加了環形機翼後，全機重量會有所增加。方向舵和升降舵的效率不如滑流舵高。
本發明的實施例子，不限於這兩個。應用本發明所提供的原理，還可以設計出許多種其他布局的飛行汽車。
權利要求
1.一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，由升力車身、環狀尾翼、涵道螺旋漿、滑流舵、水翼和橫滾穩定自動器加上四個車輪所組成。
2.一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，無固定機翼或旋翼，由升力車身、倒「V」尾翼、後置螺旋槳、輔助環翼及其橫向穩定阻尼板、水翼加上四個車輪所組成。
3.根據權利要求1和2所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於所述升力車身，由一種具有大厚度，高升阻比氣動特性的翼型的上表面安裝幾片互相平行的、兩端密閉的篷翼所組成，篷翼與具有翼剖面形狀的車身連結成一體。
4.根據權利要求1所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於尾部安定裝置是由一個縱向剖面具有機翼剖面形狀的環形翼組成。
5.根據權利要求1、所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於推進螺旋槳置於尾部環翼內，形成涵道螺槳。
6.根據權利要求1所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於方向舵和升降舵都安裝在尾部環翼內的後部，各個舵面由安裝在環翼內壁的兩片可獨立偏轉的、能同向偏轉和叉動的簿翼型結構所組成。
7.根據權利要求1所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於橫滾穩定自動器是由垂直陀螺作為靈感元件，以橫滾速率為控制變量組成的負返饋控制迴路。
8.根據權利要求1和2所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於底部安裝有可以向下垂直推出，可改變迎角的具有良好氣動性能的矩形輔助小翼做為水上運動的水翼。用於吸氣控制附面層的小螺旋漿可以向下翻轉180度，成為飛行汽車水上航行的推進螺旋槳。
9.根據權利要求2所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於一個環形翼環包車體，安裝在升力車身兩側和上方，環翼的下半部由兩屋結構組成，外面一層可繞一平行地面的水平軸旋轉向上張開到水平位置。在地面行駛時，這一層將收起，緊貼環翼。
10.根據權利要求2所述的一種基於機翼增升技術的三棲飛行汽車，其特徵在於尾部安定面由倒「V」型的兩個翼面組成，每片安定面的後緣部份，安裝有一個舵面，可以同方向偏轉，也可做叉動。
全文摘要
本發明公開了一種基於機翼增升技術的三棲汽車的原理、裝置以及兩個實施例飛行汽車。汽車車身的縱向剖面選為具有大厚度、氣動特性良好，極高升阻比的剖面形狀。通過安裝多元篷翼形成封閉涵道後，使展小比極小的汽車車身變成了能產生很大升力的「升力車身」。以「升力車身」為基礎，進行全機設計，選用環形翼、涵道螺槳、滑流舵以及附面層吸除增升技術之後，設計出了第I種類型的飛行汽車。類似地，將「升力車身」和倒「V」尾翼組合成了第II種類型的飛行汽車。這兩類飛行汽車都可藉助輔助水翼和翻轉引流小螺槳，在水中航行。本發明所設計的飛行汽車具有獨特的無機翼特點，其公路行駛性能和空中飛行特性都能接近公路上跑的普通轎車和空中飛行的輕型飛機。
文檔編號B60F5/00GK1693102SQ20051002105
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月9日 優先權日2005年6月9日
發明者朱上翔 申請人:朱上翔