CN107021200A - 轮升伞可控升力高效能产生装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器技术领域，尤其是涉及一种可以提供升力的轮升伞可控升力高效能产生装置及使用方法。该装置包括载荷框架、可转换绳索快速下拉装置和与其同时连接的数量至少2套的一定长度的轻质抗拉连接绳、轮升伞和初始升力器，各构件依次从下到上连接。该装置使用方法充分利用空气阻力规律，以较小升力的初始升力器带动轮升伞上升，通过对多个轮升伞的轮流下拉和放开自由上升，轮升伞在该运动过程中轮流充气展开和下垂闭合，由于快速下拉时充气展开的轮升伞相对空气运动而产生较大的空气阻力，该阻力通过连接绳和固定在载荷框架上的可转换绳索快速下拉装置反向作用在载荷框架上，从而形成对载荷框架的持续的较大升力。

Description

轮升伞可控升力高效能产生装置及使用方法

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其是涉及一种可以提供升力的轮升伞可控升力高效能产生装置及使用方法。

背景技术

人类很早就有在空中自由飞行的理想，随着世界技术的进步，形形色色的飞行器层出不穷。飞行器运行一般可分为三个阶段：起升、平飞、降落，起升时需要飞行器能够在一定时间内产生大于自身重力的升力，平飞时需要飞行器能够长时间维持平衡于自身重力的升力和一定的前行动力，降落时需要飞行器能够可控制的逐步降低升力从而让自身能逐步降至地面而不是坠落，所以飞行器的最重要和必要的一项本质就是持续的提供升力，如何产生一种可控制的能够抵消自身重力的升力。如气球、飞艇是依靠气囊对空气的静浮力，固定翼飞机是在高速向前运动时机翼上下的压力差产生的升力，旋翼机是旋翼高速旋转时上下的压力差产生的升力，火箭是依靠反向高速喷射产生的反冲力。

但上述升力产生方法都有很多不足，氢气（或氦气）气囊对空气的静浮力都需要超大的体积，运动机翼上下压力差产生升力需要较重的动力设备导致效能较低，高速喷射产生的反冲力需要较多的燃料。近年来飞行领域没有新的升力产生装置和理论出现，所以飞行器发展的大多是高能耗的大型客货机或者轻微型的无人机，而轻型载人飞行器一直徘徊在莱特兄弟最初的滑翔机模式里。需要开发一种既能够高效能可控持续的提供升力又自重较轻的装置和方法。

发明内容

物体在空气中运动会受到空气的阻力，空气阻力的公式：F=(¹/₂)CρSV² ，式中：C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度，由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。根据这一规律人们发明了降落伞，降落伞是一种气动力减速器，它通常有一个折叠的面积很大的伞面，下落的人或物体通过绳索与伞面相连，工作时由于受重力作用下坠带动伞面快速下落，伞面相对于空气运动充气展开，可以产生很大的空气阻力，使人或物体减速、稳定的下落，保证在空中下落的人或物体的安全。如果进一步深入分析，降落伞伞面所产生的空气阻力实质是对整个系统的升力，只不过这个升力没有超过整个系统重力，所以整个系统一直下降。本发明就是根据这一分析对柔性伞面结合常用的升力产生方法进行复合设计的，使之能够高效能可控持续的产生升力。

本发明的基本结构装置包括载荷框架、可转换绳索快速下拉装置和与其同时连接的数量至少2套的一定长度的轻质抗拉连接绳、轮升伞（由轻质的坚韧柔性伞面、中心承力绳、周边承力绳、轻质防叠合网、伞面张开保障装置组成）和初始升力器，各构件依次从下到上连接，初始升力器指能够自动产生并持续维持升力的装置，如充满低密度气体（氢气或氦气）的气球或电动旋翼等，其升力F必须能大于轮升伞和一定长度的轻质抗拉连接绳的重量mg。可转换绳索快速下拉装置指可以连接多条绳索，能够通过人或其它动力机构对其中一条进行快速下拉，而其余完全放开，并且能按要求及时转换成对另一条绳索进行快速下拉而其余完全放开的装置。设定整个装置重量为Mg。

本发明的运行方法步骤如下：先放开所有的轻质抗拉连接绳，由初始升力器将闭合状态的轮升伞升至空中，然后用安装载荷框架上的可转换绳索快速下拉装置快速拉动其中一个轮升伞的轻质抗拉连接绳，下拉伞面相对于空气向下运动进而充气展开后仍然继续向下运动，伞面会受到空气阻力f_阻，伞面受到的空气阻力通过连接绳和可转换绳索快速下拉装置反向作用到载荷框架上成为作用于载荷框架上的升力F_升，即F_升=f_阻，根据空气阻力公式知空气阻力与速度平方成正比，随连接绳的下拉速度达到一定数值时，即伞面相对于空气向下运动速度达到一定数值时，载荷框架上受到的升力F_升等于整个装置的重量Mg，继续增加连接绳的下拉速度，载荷框架上受到的升力F_升将大于整个装置的重量Mg，此时整个装置的状态是：载荷框架向上运动，正被下拉连接绳的轮升伞将逐渐接近载荷框架，而其余的初始升力器、轮升伞却在其初始升力器持续升力的作用下随载荷框架上升并保持拉伸状态。当可转换绳索快速下拉装置快速下拉连接绳达到尽头时完全放开该连接绳，同时转换下拉第二个轮升伞的连接绳，此时第二个轮升伞将按上述原理产生对载荷框架的升力，而第一个轮升伞失去了可转换绳索快速下拉装置对连接绳的拉力，在空气阻力、初始升力器的合力作用下会以一个较大的加速度快速上升，同时伞面在空气阻力的作用下收缩，在上升过程中受到的空气阻力将远远小于下拉时的空气阻力，因而第一个轮升伞将在一定时间内回到初始位置，通过调整初始升力器的升力大小、连接绳的长度及可转换绳索快速下拉装置的收纳速度可以使轮升伞向下受拉运动过程和自由上升运动过程时间相当，那么通过轮升伞的轮流上升和下拉将持续对载荷框架施加升力。

本发明充分利用空气阻力规律，以较小升力的初始升力器带动轮升伞上升，通过对多个轮升伞的轮流下拉和放开自由上升，轮升伞在该运动过程中轮流充气展开和下垂闭合，由于快速下拉时充气展开的轮升伞相对空气运动而产生较大的空气阻力，该阻力通过连接绳和固定在载荷框架上的可转换绳索快速下拉装置反向作用在载荷框架上，从而形成对载荷框架的持续的较大升力。本发明装置的伞面充气后面积很大，而连接绳的高速下拉也是非常容易通过简易的可转换绳索快速下拉装置以较小的动力甚至人力进行实现和控制，也就是说伞面与空气的相对运动速度可以控制的实现高速，所以根据空气阻力公式，本发明装置可高效能的可控制的产生升力。

本发明的优点是：本发明构造简单，大部分构件为柔性材料，便于收纳，因此适合多种飞行装置；可通过多个轮升伞的前后串联、或者并连、或者串并联等多种方式构成多种形式的升力装置，可以提供更大数值的升力，有好的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的基本结构装置示意图（轮升伞下垂闭合状态）。

图2为本发明优选实施例的基本结构装置示意图（轮升伞充气展开状态）。

图3为本发明的主要构件轮升伞的结构示意图（下垂闭合状态）。

图4为本发明的主要构件轮升伞的结构示意图（充气展开状态）。

图5为本发明使用方法的示意图，图中该发明处于初始状态。

图6为本发明使用方法的示意图，图中该发明处于启动状态。

图7为本发明使用方法的示意图，图中该发明处于中间状态。

图8为本发明使用方法的示意图，图中该发明处于结束状态。

图9为本发明另一优选实施例（绳索下拉装置采用盘绕释放机构）的示意图。

图10为本发明另一优选实施例（初始升力器采用电动旋翼直升装置）的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明优选实施例的基本结构、主要特征、使用方法及产生的技术效果作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施过程仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2示出了本发明优选实施例的基本结构装置示意图，图1为轮升伞2下垂闭合状态，图2为轮升伞2充气展开状态，图中本发明的基本结构装置包括：初始升力器1、轮升伞2、轻质抗拉连接绳3、可转换绳索快速下拉装置4、载荷框架5，各构件依次从上到下连接。初始升力器1指能够自动产生升力并能在一段时间内持续维持的装置，本发明优选实施例采用充满低密度气体（氢气或氦气球）的气球作为初始升力器1，此为公知技术，气球可采用高分子复合薄膜材料制作，这类装置优点是无能耗、无噪音、升力稳定，缺点是体积较大、无法控制升力的大小和方向；轻质抗拉连接绳3可用强度较高的绵纶绳、凯芙拉或其它高分子材料复合绳制作；可转换绳索快速下拉装置4指可以连接多条绳索，能够通过人或其它动力机构对其中一条进行快速下拉而其余完全放开，并且能按要求及时转换成对另一条绳索进行快速下拉而其余完全放开的装置，本发明优选实施例采用最简单的人进行操作下拉，必须提出的是操作人和连接绳要固定在载荷框架5上，这样人和连接绳受到的拉力才能传递到载荷框架5上。载荷框架5可由铝合金、钛合金、轻质高强碳纤维复合材料制成。

如图3、4示出了本发明的主要构件轮升伞2的结构示意图，图3为轮升伞2下垂闭合状态，图4为轮升伞2充气展开状态。图中轮升伞2由伞面201、中心承力绳202、周边承力绳203、防叠合网204、伞面张开保障装置205组成。中心承力绳202在伞面201的中心位置固定并向上穿过伞面201与初始升力器1连接，向下与轻质抗拉连接绳3连接，其作用是保证在伞面201受拉向下运动充气展开后初始升力器1的升力不会作用到伞面201上而导致其变形闭合，而在伞面下201不受下拉下垂闭合时能向上拉动伞面201随初始升力器1上升。在伞面201的周边位置设有多条周边承力绳203，多条周边承力绳203汇总后向下与轻质抗拉连接绳3连接在一起，其作用是传递向下运动的充气展开的伞面201受到的空气阻力。各条周边承力绳203间加装防叠合网204，防叠合网204的网眼需小于初始升力器1的外径，其作用是在下拉的充气展开的伞面201和自由上升的初始升力器1相遇时，避免初始升力器1钻入充气展开的伞面201之下从而叠合在一起影响下一步的运动轨迹。在轮升伞底部的中心承力绳202设有伞面张开保障装置205，应设在伞面201下垂闭合的末端位置，采用轻质塑料质地的上锥形框架，上端大部分插入下垂闭合的伞面201里，只留尾端露在外面，其作用是在下拉时保证气流及时充入伞面201里面进而使其展开。伞面201的形状可根据需要采用方形、圆形、翼型、带条形等多种形状。伞面201可采用高强度的降落伞布材料制作，中心承力绳202、周边承力绳203可采用强度较高的绵纶绳、凯芙拉或其它高分子材料复合绳制作，防叠合网204可采用强度较高的绵纶线、高分子材料复合线制作的纤维网。

如图5、6、7、8示出了本发明使用方法的示意图。本发明使用时在可转换绳索快速下拉装置4上需要同时连接至少2套的初始升力器1、轮升伞2、轻质抗拉连接绳3，设定整个装置重量为Mg，为方便阐述，设定为同时连接2套，一套为初始升力器1_a、轮升伞2_a、轻质抗拉连接绳3_a，另一套为初始升力器1_b、轮升伞2_b、轻质抗拉连接绳3_b。

按图5所示先放开所有的轻质抗拉连接绳3_a和3_b，由初始升力器1_a和1_b将闭合状态的轮升伞2_a和2_b升至空中，整个装置处于初始状态。

按图6所示用可转换绳索快速下拉装置4快速拉动其中一个轮升伞的轻质抗拉连接绳3_a，下拉轮升伞2_a的伞面相对于空气向下运动进而充气展开后继续向下运动，其余的轮升伞2_b不受拉力，所以保持在空中的下垂闭合状态，下拉的轮升伞2_a伞面会受到空气阻力f_阻，伞面受到的空气阻力通过连接绳3_a和可转换绳索快速下拉装置4反向作用到载荷框架5上成为作用于载荷框架5上的升力F_升，即F_升=f_阻，根据空气阻力公式知空气阻力与速度平方成正比，随连接绳3_a的下拉速度达到一定数值时，载荷框架5上受到的升力F_升将大于整个装置的重量Mg，此时整个装置的状态是：载荷框架5向上运动，正被下拉连接绳3_a的轮升伞2_a将逐渐接近载荷框架5，而其余的初始升力器1_b、轮升伞2_b却在其初始升力器1_b持续升力的作用下随载荷框架5上升而上升并保持连接绳3_b的拉伸状态、轮升伞2_b的下垂闭合状态。

按图7所示当可转换绳索快速下拉装置4快速下拉连接绳3_a达到尽头时完全放开该连接绳3_a，同时转换下拉第二个轮升伞2_b的连接绳3_b，此时第二个轮升伞2_b将按上述原理产生对载荷框架4的升力，而第一个轮升伞2_a失去了可转换绳索快速下拉装置4对连接绳3_a的拉力，在空气阻力和初始升力器的合力作用下会以一个较大的加速度快速上升，同时第一个轮升伞2_a的伞面在空气阻力的作用下收缩，在上升过程中受到的空气阻力将远远小于下拉时的空气阻力，因而第一个轮升伞2_a将在一定时间内回到初始位置，通过调整初始升力器1的升力大小、连接绳2的长度及可转换绳索快速下拉装置4的下拉速度可以使轮升伞3向下受拉运动过程和自由上升运动过程时间相当，那么通过轮升伞3的轮流上升和下拉将持续对载荷框架施加升力。

按图8所示当整个装置尤其是载荷框架5上升到预定位置后，将所有的轻质抗拉连接绳3_a和3_b固定到同一位置不再下拉，由于整个装置的重量MG大于初始升力器1_a和1_b的合力nF，整个装置将向下运动，此时轮升伞2_a和2_b的伞面相对于空气向下运动进而充气展开后继续向下运动，整个过程与普通的降落伞一致，整个轮升伞装置处于结束状态。

按图9所示在本发明另一较优的实施方式中，可转换绳索快速下拉装置可采用常见的盘绕释放机构6固定在载荷框架5上，此为非常容易实现的机械装置，其它构件同上，也可实现对轮升伞2的可转换快速下拉，进而按照上述步骤通过轮升伞的轮流下拉和回升将持续对载荷框架施加升力。采用这类盘绕释放机构具有提供较大拉力和盘绕速度的特点，并可采用电动机、计算机控制等形式。

在另一较优的实施方式中，基本结构装置中的初始升力器可以采用电动旋翼直升装置，在一定长度的轻质抗拉连接绳中混入电源细线，在载荷框架上配置电源，其它装置同上，也可实现轮升伞的主动持续上升，进而按照上述步骤通过轮升伞的轮流下拉和回升将持续对载荷框架施加升力。如图10示出了本发明另一优选实施例的基本结构装置示意图，图中本发明的基本结构装置包括：电动旋翼初始升力器7、轮升伞2、轻质抗拉混合电线连接绳8、可转换绳索快速下拉装置6、载荷框架5、电源9，各构件依次从上到下连接，初始升力器由低密度气体气球（氢气或氦气球）这类装置改为电动旋翼装置，克服了其体积较大的缺点，并且升力可调整控制，但由于附加了电动机、电源线、电源等，增加了装置总重，并有电量限制，同时电动旋翼有一定的噪音。

本发明具有如下特点：1、由于结构简单、而且大部分构建采用轻质材料、软式结构配合少量硬质框架，大幅度减少了装置的总重，也便于收纳；2、通过用连接绳下拉来产生升力，启动简单、用力从小到大调节控制方便、可由小动力甚至人力即可实施，调节过程中能耗极低；3、可通过多个轮升伞的前后串联、或者并连、或者串并联等多种方式构成多种形式的升力装置，可以提供更大数值的升力，有好的稳定性；4、整个系统由于采用轮升伞，如出现安全隐患可作为降落伞使用，能使飞行器安全的降落；5整个系统由于需要轮升伞升到一定高度才能发挥作用，因此使用时必须具有相当高度的净空。

上面结合附图对本发明实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，应当理解，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以在不脱离本发明的构思和范围的前提下可以做出许多其它改变和改型。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种轮升伞可控升力高效能产生装置，其特征在于：该装置包括载荷框架、可转换绳索快速下拉装置和与其同时连接的数量至少2套的一定长度的轻质抗拉连接绳、轮升伞和初始升力器，各构件依次从下到上连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述初始升力器指能够自动产生升力并能在一段时间内持续维持的装置，本发明优选实施例采用充满低密度气体（氢气或氦气球）的气球作为初始升力器，另一优选实施例采用电动旋翼直升装置，其升力F必须能大于轮升伞和一定长度的轻质抗拉连接绳的重量mg。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述轮升伞由伞面、中心承力绳、周边承力绳、防叠合网、伞面张开保障装置组成。

4.中心承力绳在伞面的中心位置固定并向上穿过伞面与初始升力器连接，向下与轻质抗拉连接绳连接，在伞面的周边位置设有多条周边承力绳，多条周边承力绳汇总后向下与轻质抗拉连接绳连接在一起，各条周边承力绳间加装防叠合网，防叠合网的网眼需小于初始升力器的外径，在轮升伞底部的中心承力绳设有伞面张开保障装置，应设在伞面下垂闭合的末端位置，采用轻质塑料质地的上锥形框架，上端大部分插入下垂闭合的伞面里，只留尾端露在外面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述可转换绳索快速下拉装置指可以连接多条绳索，能够通过人或其它动力机构对其中一条进行快速下拉，而其余完全放开，并且能按要求及时转换成对另一条绳索进行快速下拉而其余完全放开的装置。

6.转换绳索快速下拉装置必须固定在载荷框架上。

7.一种轮升伞可控升力高效能产生装置的使用方法，其特征在于：轮升伞可控升力高效能产生装置使用时在可转换绳索快速下拉装置上需要同时连接至少2套的初始升力器、轮升伞、轻质抗拉连接绳。

8.以较小升力的初始升力器带动轮升伞上升，通过对多个轮升伞的轮流下拉和放开自由上升，轮升伞在该运动过程中轮流充气展开和下垂闭合，由于快速下拉时充气展开的轮升伞相对空气运动而产生较大的空气阻力，该阻力通过连接绳和固定在载荷框架上的可转换绳索快速下拉装置反向作用在载荷框架上，从而形成对载荷框架的持续的较大升力。

9.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，使用步骤包括：先放开所有的轻质抗拉连接绳，由初始升力器将闭合状态的轮升伞升至空中，整个装置处于初始状态；用可转换绳索快速下拉装置4快速拉动其中一个轮升伞的轻质抗拉连接绳，下拉轮升伞的伞面相对于空气向下运动进而充气展开后继续向下运动，其余的轮升伞不受拉力，所以保持在空中的下垂闭合状态，下拉的轮升伞伞面会受到空气阻力，伞面受到的空气阻力通过连接绳和可转换绳索快速下拉装置反向作用到载荷框架上成为作用于载荷框架上的升力，随连接绳的下拉速度达到一定数值时，载荷框架上受到的升力将大于整个装置的重量，此时载荷框架向上运动，正被下拉连接绳的轮升伞将逐渐接近载荷框架，而其余的初始升力器、轮升伞却在其初始升力器持续升力的作用下随载荷框架上升而上升并保持连接绳的拉伸状态、轮升伞的下垂闭合状态；当可转换绳索快速下拉装置快速收纳连接绳达到尽头时完全放开该连接绳，同时转换收纳第二个轮升伞的连接绳，此时第二个轮升伞将按同样原理产生对载荷框架的升力，而第一个轮升伞失去了可转换绳索快速下拉装置对连接绳的拉力，在空气阻力和初始升力器的合力作用下会以一个较大的加速度快速上升，同时第一个轮升伞的伞面在空气阻力的作用下收缩，在上升过程中受到的空气阻力将远远小于下拉时的空气阻力，因而第一个轮升伞将在一定时间内回到初始位置，那么通过轮升伞的轮流上升和下拉将持续对载荷框架施加升力。