基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置及方法，升力的产生无需飞行器本身和地面或者说静止空气有任何相对运动，即可以实现飞行器的垂直起降。包括：设在机翼上的横流扇以及设在翼面下方的回流管道；所述回流管道为上端开口四周封闭的环形管道结构，所述回流管道包裹所述机翼，在所述机翼与所述回流管道之间形成一个上端开口的环形通道，所述横流扇位于所述环形通道的开口位置；在所述环形通道的开口处，所述横流扇两侧的翼面与所述回流管道的开口之间分别形成进风口和出风口，在所述翼面上分别形成吸力面。

说明书

技术领域

本发明属于具有短距离起降或垂直起降性能的低速高负载航空飞行器领域，具体涉及基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置及方法。

背景技术

在已有的航空飞行器中，从机翼类型上分，可分为固定翼飞行器和旋翼飞行器。尽管固定翼飞行器具有载荷大，航程长的特性，但其由于其升力的产生依赖于飞行器和静止空气具有的相对速度，因此在起飞和降落过程中，需要一定长度的跑道。而通常的旋翼机包括直升机和目前大部分的旋翼无人机的升力来源与高速转动的旋翼将空气向下加速从而使旋翼获得向上的反作用力来产生的。尽管旋翼机具有短距离起降或垂直起降的特性，但是这种升力的产生通常需要强大的动力来加速空气，因此单位功率产生的升力效果具有相当的局限性。

最近几年，一种基于横流扇安装在机翼前缘或后缘而导致升力提升的飞行器，简称扇翼飞行器，在某种程度上突破了固定翼飞行器和旋翼飞行器两者各自的局限型。采用这种技术，由于横流扇对空气的加速作用和其内部的偏心低压涡，一方面可以实现固定翼飞行器在机翼吸力面的气流相对于无横流扇时要有更大速度，另一方面，利用旋转动力产生的低压偏心涡，可以产生更大的升力，从而使这种升力系统产生的升力和相对所消耗功率之效率，要在很大程度上高于两类传统飞行器。

但是，在目前提出的一般扇翼飞行器中，其中的升力产生来自于与横流扇和空气的相对运动，这种相对运动又来源于飞行器和静止空气，也就是地面静止目标的相对运动。而这种升力原理的规律又是升力与横流扇和静止空气相对运动速度成正比。这样，即使可以实现低速大载荷的起降，起飞阶段和降落阶段也需要一定长度的跑道供其加速和减速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置及方法，升力的产生无需飞行器本身和地面或者说静止空气有任何相对运动，即可以实现飞行器的垂直起降。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置，包括：设在机翼上的横流扇以及设在翼面下方的回流管道；所述回流管道为上端开口四周封闭的环形管道结构，所述回流管道包裹所述机翼，在所述机翼与所述回流管道之间形成一个上端开口的环形通道，所述横流扇位于所述环形通道的开口位置；

在所述环形通道的开口处，所述横流扇两侧的翼面与所述回流管道的开口之间分别形成进风口和出风口，在所述翼面上分别形成吸力面。

进一步地，在所述机翼上设有凹槽，所述横流扇设在所述凹槽内，同时在所述凹槽内形成偏心低压涡，在所述横流扇与翼面之间形成涡流壁面；所述凹槽的截面为半圆形结构或者为弧度小于180°大于100°的弧形槽结构；

在所述机翼的下方，所述回流管道的内壁为回流管道下壁面，所述机翼的底面为回流管道上壁面。

本发明还提供了基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的方法，包括以下步骤：

a.启动所述横流扇，所述横流扇对其周围的空气进行加速，并在所述横流扇与所述机翼壁面之间形成偏心低压涡；

b.周围持续进入所述偏心低压涡的空气不断被所述横流扇加速，并通过所述进风口进入所述回流管道内，并从所述出风口出来之后继续进入所述偏心低压涡中继续被所述横流扇加速，继续从进风口进入所述回流管道，空气如此循环被不断加速，直至达到一种动态平衡，最终在所述横流扇两侧的所述吸力面上以及所述涡流壁面上对所述机翼形成强大的升力或推力。

进一步地，步骤b中，通过调剂所述横流扇的转速进而调节产生的所述升力或推力的大小。

进一步地，步骤b中，还包括通过调节所述吸力面的形状或者让气流逸出的比例大小，进而调节所述升力或推力的大小。

本发明提供的基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置及方法，利用机翼吸力面的横流扇，将其前面的空气来流加速至横流扇的后方，利用反馈回流通道将加速后的空气气流再送至机翼前缘，使其流经吸力面再流到横流扇之前面，进入横流扇再次加速。这一过程反复进行，直至达到一种动态平衡：气流被加速的能量等于在循环过程中气流和吸力面壁面、回流管道下上壁面和前后端面壁面的摩擦及其相关的气动能量损耗消耗掉。升力的产生主要来源于流动空气和吸力面的相对运动及其横流扇内部偏心低压涡。这里，在回流管道上下壁面的升力由于气流相对于这两个壁面运动速度基本相等，因此升降力可以互相抵消。另外，升力的大小可以利用横流扇的转速来直接控制。吸力面的形状对于从横流扇上部罩体外部气流逸出的大小有直接关系：一方面逸出气流可以产生推力；另一方面，逸出气流的大小可以调节推力的大小及其升力的大小，因此这种调节可以作为采用这种升力系统飞行器的控制因素。

附图说明

图1为本发明提供的基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置剖面图；

图2为本发明提供的基于横流扇加速空气循环流动的升力产生的装置的三维结构示意图

1.横流扇，2.机翼，3.涡流壁面，4.吸力面，5.回流管道上壁面，6.回流管道下壁面，7.回流管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。

基于横流扇1加速空气循环流动的升力产生的装置，如图1和图2所示，包括：设在机翼2上的横流扇1以及设在翼面下方的回流管道7；所述回流管道7为上端开口四周封闭的环形管道结构，所述回流管道7包裹所述机翼2，在所述机翼2与所述回流管道7之间形成一个上端开口的环形通道，所述横流扇1位于所述环形通道的开口位置；

在所述环形通道的开口处，所述横流扇1两侧的翼面与所述回流管道7的开口之间分别形成进风口和出风口，在所述翼面上分别形成吸力面4。

在所述机翼2上设有凹槽，所述横流扇1设在所述凹槽内，同时在所述凹槽内形成偏心低压涡，在所述横流扇1与翼面之间形成涡流壁面3；

在所述机翼2的下方，所述回流管道7的内壁为回流管道下壁面6，所述机翼2的底面为回流管道上壁面5。

本发明还提供了基于横流扇1加速空气循环流动的升力产生的方法，包括以下步骤：

a.启动所述横流扇1，所述横流扇1对其周围的空气进行加速，并在所述横流扇1与所述机翼2壁面之间形成偏心低压涡；

b.周围持续进入所述偏心低压涡的空气不断被所述横流扇1加速，并通过所述进风口进入所述回流管道7内，并从所述出风口出来之后继续进入所述偏心低压涡中继续被所述横流扇1加速，继续从进风口进入所述回流管道7，空气如此循环被不断加速，直至达到一种动态平衡，最终在所述横流扇1两侧的所述吸力面4上以及所述涡流壁面3上对所述机翼2形成强大的升力或推力。

本发明的特点在于，首先利用横流扇1对静止空气加速；其二是利用翼面下层的管道将被加速的空气反馈为横流扇1前的来流，这个来流又被横流扇1加速至横流扇1后部，直至空气稳定的反馈循环形成。这里，横流扇1对气流的加速对应着在循环过程中气流和上下各个壁面摩擦产生的损耗和在吸气面的空气的逸出等。升力来源于高速循环运动气流和机翼2吸气面的相对运动及其横流扇1中间区域偏心低压涡产生。而高速循环运动空气的向后部分逸出可以产生一定的推力。

可以通过调剂所述横流扇1的转速进而调节产生的所述升力或推力的大小。还包括通过调节所述吸力面4的形状或者让气流逸出的比例大小，进而调节所述升力或推力的大小。

由于空气在机翼2内外的高速循环流动取决于横流扇1的转速，升力的产生无需飞行器本身和地面、静止空气有任何相对运动，因此可以实现飞行器的垂直起降。

由于机翼2分为吸力面4和上下管道面，而上下管道面的产生的升力可以相互抵消，这样升力来源于吸力面4和横流扇1的涡流壁面3，因此可以只利用横流扇1的转速来调节升力的大小。而从实验结果来看，涡流壁面由于深度更大，气压更低，其产生的升力更大。

另一方面，利用调节在吸力面4气流的逸出比例大小，也可以调节对应的升力和推力的大小，这方面可以作为对未来使用这种升力系统的飞行器的控制要素。其中，也可以通过调节吸力面的形状进而调节产生的升力大小，而吸力面的形状可以为平面或者有弧形凹槽结构。

以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。