一种利用分布式螺旋桨滑流弹射起飞的飞行器及起飞方法

本发明属于航空飞行器设计领域，涉及一种利用分布式螺旋桨滑流弹射起飞的飞行器及起飞方法。

背景技术：

1、分布式电推进(distributed electric propulsion,dep)飞行器通过气动-推进耦合效应大幅提高飞行器气动性能，相比传统布局飞机不仅具有较高的推进效率，更重要的是能充分利用分布式螺旋桨滑流效应，提升飞机低速状态下的升力以实现短距起降，进而可以减小机翼面积从而降低飞机结构重量和巡航阻力以满足长航时飞行需求。相较于传统飞机，dep飞机具有更高的气动效率、经济性和环保性，已成为当今国内外航空领域研究的新热点。

2、针对螺旋桨滑流的计算研究，比较成熟的有动量理论、叶素理论、涡流理论和升力线理论。这些理论方法计算效率高，但针对单个螺旋桨滑流的计算，当需要考虑和其他螺旋桨或者机翼耦合时变得非常复杂。计算流体力学cfd发展了一些可靠的仿真方法，包括激励盘法、多重参考系法和滑移网格法等。

3、本发明考虑使用电力驱动分布于前缘位置的一排螺旋桨作为动力输出，螺旋桨工作产生流经机翼上下表面的滑流，螺旋桨旋转引起气流轴向和面内运动，通过螺旋桨的直径、桨叶数、桨叶扭角、桨叶形状、短舱、机翼翼面积、动力数量、位置、转速等参数的综合设计，实现整个翼面滑流有效覆盖和增升；通过螺旋桨设计增强轴向加速性能，通过调整螺旋桨转速和桨距，调整机翼表面流动速度；通过设计小的翼面积，提高升阻比。飞行器弹射起飞离地前，采用拦阻索羁绊实现水平方向相对于地面速度始终为零；当升力达到等于重力的临界状态时，拦阻索断开，飞行器瞬时产生极大水平加速度，前飞速度瞬间提升，升力瞬间突变增大，飞行器实现弹射。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种利用分布式螺旋桨滑流弹射起飞的飞行器及起飞方法，该飞行器在有机场的地区，可以常规起降；在跑道条件不足的情况下，可以短距起飞；没有垂直起降的大能耗阶段；没有垂直到过渡的飞行转换，更安全；相比燃油动力，每个电机可独立控制，有效降低噪声污染和振动；沿翼展分布的螺旋桨，可提高横航向操纵能力，降低舵面载荷，实现减重减阻。

2、本发明通过如下技术方案实现。

3、一种利用分布式螺旋桨滑流弹射起飞的飞行器，包括机体、设置在机体上的机翼，还包括固定桩、拦阻索，拦阻索的一端连接在固定桩上，另一端连接在飞行器尾部，所述机翼前缘上设置有多个用于提供动力的螺旋桨，分布式设置的螺旋桨旋转产生流经机翼上下表面的滑流，通过滑流产生升力，用于飞行器舰载或陆地弹射起飞；

4、飞行器未连接拦阻索时，可用于正常起飞；

5、飞行器连接拦阻索时，螺旋桨旋转产生流经机翼上下表面的滑流，由于拦阻索和固定桩的作用，飞行器水平方向速度为零，通过滑流产生升力，当飞行器达到一定升力时，断开拦阻索用于飞行器舰载或陆地弹射起飞。

6、进一步，所述机翼为固定翼。

7、进一步，通过螺旋桨的直径、桨叶数、桨叶扭角、桨叶形状、短舱、机翼翼面积、动力数量、位置、转速的综合设计，实现整个翼面滑流有效覆盖，并达到良好的产生升力效果。

8、进一步，螺旋桨旋转引起气流轴向和面内运动；通过螺旋桨设计增强轴向加速性能；通过调整螺旋桨转速和桨距，调整机翼表面流动速度。

9、进一步，飞行器连接拦阻索时，螺旋桨旋转产生流经机翼上下表面的滑流，通过滑流产生升力，当升力达到等于飞行器重力的临界状态时，拦阻索断开，飞行器瞬时产生极大水平加速度，前飞速度瞬间提升，升力瞬间突变增大，飞行器实现弹射。

10、进一步，所述螺旋桨通过电力驱动。

11、一种利用分布式螺旋桨滑流弹射起飞的飞行器的起飞方法，飞行器包括机体、设置在机体上的机翼、固定桩、拦阻索，拦阻索的一端连接在固定桩上，另一端连接在飞行器尾部，所述机翼前缘上设置有多个用于提供动力的螺旋桨，分布式设置的螺旋桨旋转产生流经机翼上下表面的滑流，通过滑流产生升力；

12、飞行器的起飞方法包括以下两种：

13、(一)、跑道条件满足常规起飞需求，飞行器在跑道上滑行常规起飞；

14、(二)、跑道条件不足以满足常规起飞需求时，飞行器弹射起飞，弹射起飞包括如下步骤：

15、(1)、飞行器停靠于跑道上，飞行器的尾部通过拦阻索连接于固定桩，以避免其前进运动，拦阻索处于松弛状态；

16、(2)、机体两侧机翼上的螺旋桨启动，机体产生向前的运动趋势，拦阻索由松弛状态变为紧绷状态；

17、(3)、机体两侧机翼上的螺旋桨旋转，在机翼上下表面产生滑流，改变机翼上下表面空气动压，使机翼的升力增加，由于拦阻索和固定桩的限制作用，飞行器水平方向速度为零，机体达到临界升力状态即将离地；

18、(4)、当机翼产生的升力达到大于机体自重的临界状态，断开拦阻索，机体瞬时产生极大水平加速度，前飞速度瞬间提升，升力瞬间突变增大，飞行器实现弹射起飞。

19、在机翼前缘布置拉力螺旋桨，机翼处于螺旋桨尾流之中，机翼对螺旋桨的直观影响是堵塞效应。堵塞效应使得螺旋桨轴向速度降低，从而导致螺旋桨的前进比下降、拉力增加。机翼对于螺旋桨的另一个影响来自机翼的环量和涡流对螺旋桨的作用，即产生了机翼对螺旋桨在诱导速度上的影响。位于机翼前缘的螺旋桨将受到机翼边界涡的上洗气流影响。机翼前缘布置拉力螺旋桨，部分机翼处于螺旋桨滑流之中如附图1所示。对位于螺旋桨滑流中的这部分机翼，螺旋桨产生两方面的影响：一是由于螺旋桨的滑流中气流的轴向速度增加引起的机翼表面的动压增大，螺旋桨工作产生流经机翼上下表面的滑流，进而引起气流轴向和面内运动，因为下行气流使机翼上表面气压减小，螺旋桨后拖出的高速螺旋状滑流改变了机翼的原有流态，螺旋桨给气流注入了能量，滑流区域机翼上的动压和静压都增加了。二是螺旋桨滑流中气流的切向速度引起的机翼截面迎角变化带来的升力分布的变化。由于气流的旋转，机翼上的局部迎角发生了改变，机翼在滑流区的动压增加，导致机翼局部环量的增加，从而产生升力增量和诱导阻力增量。同时，影响区域不仅仅局限于桨盘所在区域，而且向外有所延伸。高速滑流具有延迟边界层的分离，提高襟翼效率的作用，可以优化滑流对机翼和舵面的影响，使飞行器在不同飞行阶段有更好的机动性和操控响应性。飞行器弹射起飞离地前，采用拦阻索羁绊使水平方向相对地面速度为零，当升力达到等于重力的临界状态时，拦阻索断开，飞行器获得瞬时的、极大水平加速度，前飞速度瞬间提升，升力瞬间突变增大，飞行器实现弹射。

20、与现有技术相比，本发明的优点是：在有跑道地区，可以常规起降；在跑道条件不足的情况下，可以短距起飞；可以利用现有广泛的直升机机场和小型机场起飞；没有垂直起降的大能耗阶段，航程和载客能力相比evtol大幅提高；没有垂起到过渡的飞行转换阶段，相对更安全；相比燃油动力，每个电机可独立控制，有效降低噪声污染和振动；沿翼展分布的螺旋桨，可提高横航向操纵能力，降低舵面载荷，操纵性更好，实现减重减阻；前方的螺旋桨加速气流流动、增大环量，与相对较小的翼面积相结合，充分利用分布式螺旋桨滑流加速作用，提高机翼升力特性；符合《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035年)》的要求。