自适应的竖直起降推进系统技术方案

一种用于飞机的推进系统，包括增压室，该增压室有进气端口和输出端口。风扇与马达联接，该马达设置成向风扇提供动力，被供以动力的风扇用于压缩进入进气端口的环境空气。一个或多个喷射器通过一个或多个阀而与增压室流体联接。喷嘴布置在输出端口内，并包括一组叶片。所述系统在第一构型中操作，在该第一构型中，喷嘴叶片关闭，压缩的环境空气只通过所述一个或多个阀离开增压室进入所述一个或多个喷射器中。所述系统在第二构型中操作，在该第二构型中，所述一个或多个阀关闭，喷嘴叶片打开，且压缩的环境空气只通过输出端口离开增压室。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自适应的竖直起降推进系统版权声明本专利技术受美国和国际版权法2019Jetoptera的保护。保留所有权利。该专利文件的一部分公开内容包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人传真复制专利文件或专利公开内容，因为它在专利和商标局专利文件或记录中公开，但在任何情况下均保留所有版权。优先权要求本申请要求美国临时申请62/758441(申请日为2018年11月9日)、美国临时申请62/817448(申请日为2019年3月12日)和美国临时申请62/839541(申请日为2019年4月26日)的优先权，这些文献的整个内容被本文参引，就像全部在本文中阐述一样。
技术介绍
设计竖直起降(VTOL)飞机的一个主要挑战是将推进系统的尺寸设置成在VTOL和悬停阶段以及巡航条件下都有效。由于总重量中的推进系统部分需要保持较低，以便使得有效负载和燃料储备最大，因此挑战是怎样使用系统，该系统在起飞(只通过推力来升高的模式)或悬停中产生的推力比在机翼飞行和巡航条件下产生的推力大大约4-6倍。在第一种情况下，推力平衡飞机的重量，并需要更大的发动机和功率或推力，而在巡航条件下，需要的发动机尺寸小得多，以便平衡阻力，因为飞机的机翼平衡重量。传统上，VTOL通过分开的系统(升高/巡航损失重量，但分开推力)或纯旋翼飞机例如直升机(损失机翼飞行能力)来实现。采用VTOL功能的最成功的飞机在竖直和机翼飞行阶段都使用相同的系统。实例是跳跃式喷气飞机，例如HarrierHawker，它为涡轮风扇喷气飞机提供矢量(但最终在机翼飞行阶段的任务中发动机尺寸过大)，以及V22鱼鹰，它使用具有倾斜功能的涡轮螺旋桨。倾斜转子方法并非没有危险，包括振动、涡环状态(VRS)和较大占地面积以及复杂的体系结构。对于较小系统(即2-4个乘客的飞机)，特别是在不断增长的城市空中活动市场中，大型的升高+巡航飞机是主要设计。特别是对于电动VTOL，由于效率原因，这会导致非常大的占地面积和运动部件(在8-16个大型转子之间)。运载4-6名乘客的翼展可能与小型支线飞机的翼展一样大。由于目前的低能量密度电池，飞机的重量也导致了大尺寸机翼和具有多个转子的复杂操作，从而增加了危险。附图说明下面将参考以下附图详细介绍本专利技术的优选和替代实施例，附图中：图1表示了实施例在VTOL构型中的三维透视图；图2表示了根据实施例的具有FPS系统元件的巡航构型的三维透视图，该FPS系统元件用作空气制动器，用于过渡至VTOL；图3表示了根据实施例的处于VTOL构型的可变叶片的透视图；图4表示了根据实施例的处于全巡航构型的可变叶片的透视图，其中FPS系统元件伸出，用于空气制动；图5表示了根据实施例的从VTOL中间过渡至机翼飞行构型和45度FPS系统元件的透视图，这时飞机只由于FPS系统元件而加速；图6表示了根据实施例的处于巡航构型的系统元件的透视图；图7-8表示了本专利技术的替代实施例，它使用机翼集成的FPS系统元件，该FPS系统元件使得推力增强装置可以在向前飞行时隐藏；以及图9是本专利技术实施例的喷射器的剖视图，表示了喷射器的上半部分以及在内部流内的速度和温度的分布。具体实施方式本专利申请将介绍本专利技术的一个或多个实施例。应当理解，使用的绝对术语例如“必须”、“将”等以及特定数量应当解释为适用于一个或多个这样的实施例，但并不对于所有这些实施例都是必须的。因此，本专利技术的实施例可以省略在这种绝对术语的上下文中所述的一个或多个特征或功能，或者包括它们的变化形式。根据实施例的流体推进系统(FPS)引入了一种替代方法，其中，没有旋转部件的推进器可以倾斜，以便从悬停过渡至巡航。在VTOL和悬停过程中，可以使用增压流体作为源来获得推力增加。一个或多个实施例可以包括一种系统，该系统在飞行的所有阶段(竖直和机翼飞行)中都使用，同时仍然获得沿向前运动方向的推力的增加。实施例包括升高+巡航的方案，它涉及包含空气的流体的压缩源(例如风扇或压缩机)以及可以在竖直飞行(VTOL+悬停)中的增加的推力和在巡航中的分离的涡轮风扇构型之间转换的双重能力。这种构型和操作将消除速度限制，并使得VTOL飞行器可以在非常高的速度下向前运动，有更高的海拔能力，并通过显著降低燃料燃烧(燃料消耗比)来非常高效地操作。更叙述性地，风扇或压缩机或类似机器接收机械功，并将周围空气压缩至在1.5-2.5之间的压力比。该部件可以有一级或多级，并可以优选地由燃气涡轮级(例如涡轮轴发动机的自由涡轮)来驱动，而不需要减速齿轮。该元件可选地很有利，因为重量和运动部件的减少将允许采用更轻更简单的结构。参考图1，轴11从涡轮轴发动机的自由涡轮或电马达来接收机械动力，并将该动力传递给风扇21，以便将空气压缩至上述压力比。空气被泵送至直接在风扇21下游的增压室12中，且空气可以从该增压室12被引导至侧部端口13和14内，或者沿轴向向下游通过具有可变叶片16的喷嘴。叶片16可以通过本领域已知的机构而完全关闭或完全打开。例如，一种这样的机构可以是在典型压缩机中采用的可变引导叶片。另一机构可以是机械螺杆，该机械螺杆使得叶片16的轮毂旋转并迫使叶片关闭。当关闭时，如图1和3中所示，将迫使来自风扇21的全部流体流进入增压室12的侧部端口13和14和进入FPS系统元件17、18，该FPS系统元件17、18通过阀15而与增压室12流体连接。在一个实施例中，风扇21从涡轮轴类型的燃气涡轮的自由涡轮接收例如1000kW的功率，该自由涡轮例如以25000RPM旋转。该值是机器(例如典型的涡轮轴发动机结构)在全速时在减速齿轮之前的典型值。假定风扇部分的效率为80％，这样的功率和速度可以产生例如1.8个大气压的压缩空气流(大约1.8的压力比或180kPa)和大约15kg/s的流量。风扇21自身可以由超轻材料制造，例如钛或者甚至复合材料，该风扇21使用宽弦的复合扫掠风扇叶片，用于提高效率，且制造成叶状的单件。还包括具有低噪声特征的设计。在15kg/sec和180-200kPa的总压力下，并假定空气温度为353开尔文，气流22分开并传送至嵌入飞机机身内的FPS元件17、18。在例如美国专利申请No.15/221389(申请日为2016年7月27日)和No.15/256178(申请日为2016年9月2日)中更详细地介绍为喷射器的FPS元件17、18可以增加推力(这两篇文献被本文参引，就像全部在本文中阐述一样)，这将是由于流体流简单地加速和膨胀至大气压力(至少2:1和直到3:1的比率)。在该实例中，通过喷射器增加而获得的推力在下面的公式1中给出：当使用简单喷嘴时，推力则为5.65kN。在本例中，空气常数为287J/kg-K，空气指数因子为1.4，空气风扇21压缩的排出温度为353K，增加比率为2，总质量流速为15kg/s。在FPS元件17、18进一步优化的情况下，对于供给风扇21的相同1000kW的机械输入功率，总推力可以达到2.5的增加比率，即14.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于飞机的推进系统，包括：/n增压室，该增压室有进气端口和输出端口；/n风扇，该风扇与马达联接，该马达设置成向风扇提供动力，被提供以动力的风扇设置成压缩进入所述进气端口的环境空气；/n一个或多个喷射器，该喷射器通过一个或多个阀而与增压室流体联接；以及/n喷嘴，该喷嘴布置在输出端口内，该喷嘴包括一组叶片，其中：/n所述系统在第一构型中操作，在该第一构型中，喷嘴叶片关闭，压缩的环境空气只通过所述一个或多个阀离开所述增压室进入所述一个或多个喷射器中，以及/n所述系统在第二构型中操作，在该第二构型中，所述一个或多个阀关闭，所述喷嘴叶片打开，压缩的环境空气只通过所述输出端口离开所述增压室。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181109 US 62/758,441;20190312 US 62/817,448;20191.一种用于飞机的推进系统，包括：
增压室，该增压室有进气端口和输出端口；
风扇，该风扇与马达联接，该马达设置成向风扇提供动力，被提供以动力的风扇设置成压缩进入所述进气端口的环境空气；
一个或多个喷射器，该喷射器通过一个或多个阀而与增压室流体联接；以及
喷嘴，该喷嘴布置在输出端口内，该喷嘴包括一组叶片，其中：
所述系统在第一构型中操作，在该第一构型中，喷嘴叶片关闭，压缩的环境空气只通过所述一个或多个阀离开所述增压室进入所述一个或多个喷射器中，以及

【专利技术属性】
技术研发人员：A·埃弗莱特，T·斯莫伍德，
申请(专利权)人：杰托普特拉股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US