带动力驾驶舱的飞行器 【技术领域】
本发明涉及航天航空飞行器，特别是涉及一种带动力驾驶舱的飞行器。
背景技术
最早对飞行员逃生的关注始于美国挑战者号航天飞机发生爆炸，造成全体航天员遇难的电视节目，之后，又多次看到飞行员由于飞机损伤不得不选择弃机逃生的新闻，由于多数现有逃生设备不可控造成一些飞行员在逃生的过程中遇难或失踪。飞行员的生命非常珍贵，而且培养一名飞行员的成本非常昂贵，此外对于军队里的飞行员他们还往往掌握着难以用金钱衡量的情报信息，所以，飞行员的遇难是一笔不可估量的损失。因此各个国家都大力发展并装备了保护飞行员的逃生系统。
现有的飞行员逃生方式主要分为以下三种：一是跳伞逃生，飞行员从失灵受损的飞机中跳出，使用降落伞逃生，该方式危险系数特别高，主要适用于低速飞行的飞机；二是弹射逃生，在飞机遇难时依靠座椅下的爆炸动力装置将飞行员弹射出机舱，然后张开降落伞使飞行员安全降落，现代作战飞机和一些小型民用飞机大多采用此类逃生弹射座椅；三是密闭式弹射逃生系统，为使高空高速飞行中的飞机驾驶员跳伞时免受高速、低温、缺氧等因素的伤害，美、苏两国在弹射座椅的基础上，研制了密闭和半密闭式的弹射救生系统，该种逃生系统最终并未实用化，以上方式都属于被动逃生的范畴。被动逃生的后果是飞行员无法掌握自己的落点，有的飞行员降落在荒漠里失踪了，有的飞行员降落在敌占区被俘虏。
随着飞机飞行速度的加快，即使在亚音速甚至是音速状态，瞬间弹出机舱外，直接暴露在高速低温缺氧环境中，人的身体接近耐受极限，容易受伤或者致命。因此设计自主逃生装置的同时需要考虑外界环境因素对人身体的影响。
【发明内容】
针对上述领域中的缺陷，本发明提供一种带动力驾驶舱的飞行器，在最大程度不改变飞行器气动布局的情况下，将飞行器的驾驶舱改装为具有自主能力的独立飞行动力驾驶舱，飞机遇险后，飞行员可以驾驶具有飞行功能的该驾驶舱离开危险区域并正常降落。
初步设想本发明由动力驾驶舱和载机两部分组成，其中动力驾驶舱是设计制作的重点，它应该具有独立的动力、操控系统，具备独立飞行能力，与载机通过某种脱离结构相连接，在飞行中可以让动力驾驶舱顺利脱离。动力驾驶舱是飞机的一部分，它可以组合在一起飞行，也可以独立飞行。
带动力驾驶舱的飞行器，包括一个载机和动力驾驶舱，其特征在于：所述动力驾驶舱内安装有飞行动力系统，所述动力驾驶舱为可拆式固定于载机上。
所述飞行器为飞机，所述动力驾驶舱可拆式固定于载机的机头上。
所述动力驾驶舱的底部设置有两条滑轨A，载机上设置有相对应的两条滑轨B，滑轨B能与滑轨A相扣合且相对运动，所述滑轨之间设置有限位锁紧机构。
所述滑轨B为T型，且在远离机头端设置有限位；滑轨A包覆滑轨B，动力驾驶舱的底部滑轨A之间设置有锁紧限位孔，孔内设置有转动锁紧机构。
孔内设置有转动锁紧机构。
所述动力驾驶舱与载机之间固定有张紧的弹力件。
所述弹力件张紧力的方向与滑轨方向相同。
所件弹力件为橡筋或弹簧。
所述橡筋或弹簧的一端固定在载机的机头，另一端挂在动力驾驶舱底部的钩子上。
所述动力驾驶舱的机翼与载机的机翼呈鸭翼布局。
所述动力驾驶舱的机翼的形状为后掠翼，所述动力驾驶舱设置有可折叠垂尾。
在本发明中，载机具有运载能力，具有动力系统，但不能独自飞行；而动力驾驶舱是一架能飞行的小型飞行器，其具有飞行动力系统，可以自行飞行，将其与载机固定在一起时，成为一个完整的飞行器，动力驾驶舱就成为这架飞机的驾驶舱，利用动力驾驶舱的控制系统和载机的动力系统，动力驾驶舱可与载机一起飞行，本发明的设计为载机与动力驾驶舱之间是可拆式固定，当飞行器遇到危险时，驾驶员可以通过操作，将两者拆开分离，这样驾驶员驾驶具有飞行动力系统的动力驾驶舱(小型飞行器)自行飞行，挽救自己的生命。
该飞行器适用于可以空中飞行的任何飞行器，优选飞机。
动力驾驶舱与载机的连接是通过相应的滑轨和锁紧机构来固定的，动力驾驶舱通过滑轨推入载机内，滑轨的特殊设计，使得动力驾驶舱在与载机的相对位置具有上、下、左右限位功能，滑轨末道设置有限位使动力驾驶舱不能再后退，而在两滑轨中间设置有限位锁紧机构，使动力驾驶舱不能自主前行。锁紧机构处于锁紧状态时，动力驾驶舱与载机固定一起飞行，而当锁紧机构处于开启状态时，动力驾驶舱与载机可以分离，飞离载机，滑轨不仅可以使动力驾驶舱滑行离开载机，保证滑行平稳，同时在锁紧状态下还起到固定限定的作用。锁紧机构为转动锁紧机构，当锁紧限位机构转出锁紧限位孔，处于锁紧状态，当锁紧限位机构转动位于锁紧限位孔内，则处于开启状态，其开启与锁紧转换可采用遥控或其他自动控制系统来实现。锁紧机构可装在载机上也可装在动力驾驶航上。
弹力件提供动力驾驶舱与载机分离的弹力，当载机与动力驾驶舱固定在一起时，弹力件是处于张紧状态地，通过锁紧机构使两者固定在一起，当锁紧机构开启时，弹力件回弹，提供动力驾驶舱弹出载机的力量，该弹力方向与滑轨方向一致，使动力驾驶舱在弹力作用下滑出滑轨，与载机分离，继续向前飞行。
本发明的弹力件为橡筋，一端固定在载机机头，另一端挂在动力驾驶舱底部，不影响飞行，且其张紧力方向与滑轨方向相同。
鸭翼布局不仅不会影响载机平时的飞行，还能在发生危险时作为动力驾驶舱的机翼，较好的将动力驾驶舱与载机融合成为一个整体。
所述动力驾驶舱设置有垂尾，使其自行飞行时更稳定。
本发明将驾驶舱设计成可以自主脱离且能在空中飞行的逃生动力驾驶舱，使飞行员在危机时刻能够实现自主逃离和降落，增加逃生安全性和成功率，更具人性化。
【附图说明】
图1本发明动力驾驶舱示意图，
图2本发明动力驾驶舱与载机组合在一起的示意图，
图3本发明动力驾驶舱与载机滑轨相扣合的结构示意图，
图4本发明动力驾驶舱底部结构示意图，
图5本发明动力驾驶舱飞行拍摄图片，
1-本发明动力驾驶舱与载机，2-载机，3-载机机翼，4--动力驾驶舱机翼，5--动力驾驶舱垂尾，6A-动力驾驶舱滑轨，6B--载机滑轨，7-锁紧限位孔，8-橡筋，9-钩子，10-固定点。
【具体实施方式】
本发明虽然采用的是验证模型，采用遥控装置，验证模型与真实飞机在结构上会有些不同，但在本发明的启示下，根据本领域技术人员的专业知识，对其结构作适应性的调整，完全可用于空中飞行的任何飞行器。
1、设计、材料准备
1、1确定参照鸭翼布局飞机的结构，将逃生动力驾驶舱的机翼设计成载机的鸭翼，不仅不会影响载机平时的飞行，还能在发生危险时作为逃生动力驾驶舱的机翼，较好的将逃生动力驾驶舱与载机融合成为一个整体。
首先，我对自行设计模型飞机的方式与结构进行了调研。模型飞机分为：较为复杂的——使用轻木或泡沫，经过计算，蒙皮，注塑等工艺，制作出全立体结构的飞机；较为简单的——使用塑料板简单搭建非立体机身、机翼，航空爱好者们所谓的“板机”，两种飞机除了内部结构不同，动力操控等方面都相同。
重新制作一架全立体结构的飞机，因为木质部件需要大量的计算以及激光切割，设计制作周期最少需要三个月，制作成本大约为5万元，综合考虑项目的课余性质，现有的技术知识储备以及研究经费的限制，制作较为复杂的全立体式结构的轻木飞机具有很大难度；而板机虽然结构较为简单，仍然具有大的载重量，成本低，动力强劲，飞行方便等特点，也可以很好的完成想法的验证。老师最终选择使用板机作为该项目验证机。并开始了飞机模型的设计、计算、绘图、制作、试飞等过程。
通过阅读《现代飞机设计》(作者：美国，D.P.雷曼尔)一书，还有向指导老师学习，了解了关于飞机设计的步骤以及基本计算。将该项目分为材料选取，设备调研及采购，动力驾驶舱机翼机身设计计算，组件加工组装，载机设计计算，载机组件加工组装，飞行试验等几个环节。
1、2材料和组件选取：
咨询了一些航模店主管及飞行器设计方面技术人员后，我们选取了目前制作板机较为普遍的KT板作为飞机的基本制作材料，还考虑到某些部位需要加固及固定，最终我们选择6mm的KT板作为主体材料，直径6mm的碳纤维管作为加强筋，还有部分轻木作为加固材料。
电子设备经过调研，考虑到动力驾驶舱的大小以及负重，各种设备体积重量越小越好，给载机设计带来方便，最终选取C3542无刷电机及配套螺旋桨作为动力驾驶舱的动力装置，使用HS-65HB微型舵机作为飞机控制的执行机构，采用1200mAh，11.1V的电池作为飞机动力。
2、动力驾驶舱机翼设计
动力驾驶舱的机翼设计主要包括：机翼面积计算、机翼参数确定、后掠角、上反角确定。2、1目前的机翼形状主要有矩形翼，三角翼，后掠翼，椭圆翼。由于后掠翼加工简单，有利于提高飞机的横侧向安定性，10-15度后掠角相当于一度上翻角，可以提高飞机稳定性，增大升力。并且考虑到现实生活中大部分的飞机鸭翼都为后掠翼，所以最终选取后掠翼作为动力驾驶舱的机翼性状。
升力公式：L=12ρV2SCL]]>
其中：ρ为空气密度，V为飞行速度，S为机翼面积，CL为升力参数。
翼载荷＝飞机重量/机翼面积(g取9.8)
翼载荷越小，飞行越稳定.
综合考虑设备重量、设计要求，并且咨询了具有多年飞行器设计经验的专家，初定动力驾驶舱的翼载荷为30N/M。
动力驾驶舱选择的设备重量为356g，初步将飞行器的机翼面积定为0.1m2。
动力驾驶舱的设计时速为20-30km/h，动力驾驶舱的设备重量为356g，由于是亚音速型飞机，升力系数代入0.5，空气密度代入1.225。
经过计算，综合考虑各方面因素，飞机机翼面积定为0.11平方米。考虑到动力驾驶舱及载机的大小，将动力驾驶舱的翼展定为800mm。根据专家意见，以往设计机翼的经验，将后掠角定为26.6度。一定的上反角可以提高并保证飞机横向的稳定性，我们将上反角定为3度。
动力驾驶舱机翼参数(mm)：
翼根：240，翼尖：70，翼展：800，前缘后掠角：26.6，上反角：3度，
2、2重心和气动中心的确定
重心的确定非常重要，重心太靠前，飞机就头沉，起飞降落抬头困难。同时，飞行中需要增大升降舵来保持平衡，也消耗了大量动力。重心太靠后的话，俯仰太灵敏，不易操作，甚至造成俯仰过度。为了机身设备安装时配重，以及试飞等试验的需要，我们对飞机的重心进行了计算与标注。
通过学习，我了解到要想知道飞机的重心，就要先找到飞机的气动中心，而气动中心就是飞机在飞行中的平衡点。气动中心的寻找可以通过计算法或作图法确定，考虑到目前的知识水平，以及飞机的设计要求，使用作图法可以达到要求，简洁直观。
在亚音速飞机中，平均翼弦25％处与机身中线的连线，交点即为气动中心点。平均翼弦，就是翼根与翼尖长度的中位线。。
找到气动中心点后，经过与飞行器设计老师的讨论，参考以往经验，以气动中心向前10％平均翼弦为重心，并标注。机载设备的配重以此点为中心。
2、3动力驾驶舱机身设计
机身由KT板和轻木制作。
用KT板裁剪两片弧形材料，相隔一定距离后，用轻木固定，制成具有立体效果的机身，将机头木板打孔后固定电动机，内置电池、发射机、电调等设备。
动力驾驶舱使用飞翼结构，只需设计一片机翼采取连动方式控制。
将机翼安装舵机后，固定在机身上。考虑到与载机的融合，未设置尾翼，并且在机身下部预置了滑轨，以便与载机以后脱离时使用。
至此，动力驾驶舱的设计制作基本结束。
2、4滑翔实验：对动力驾驶舱进行了室内的抛掷滑翔实验，初步考察其平衡飞行性能。
动力试验：到室外试飞场地进行了带动力试飞。
在动力试验中，发现了动力驾驶舱使用的没有垂尾的设计方案，导致侧向安定性不足；飞机在飞行出一段距离后，出现侧翻，偏转坠地。在试飞中机翼折断。
经过讨论，我们认为升力需要提高，这一点可以通过增大机翼面积来实现。而侧向安定性不足，可以通过在动力驾驶舱的尾部加装小面积垂尾以增加其稳定性，平时此垂尾处于折叠状态，并且不影响整机飞行。
最后将动力驾驶舱面积增加至1.23平方米重新进行制作，并采用强度较高的轻木作材料。
完成了新的动力驾驶舱设计后，进行了又一次试飞。这次试飞从手掷到飞行都非常顺利，飞机操纵正常，飞行平稳，充分证明第二架动力驾驶舱的设计制作克服了以前的问题。只是在降落时，由于是首次飞行，不了解飞机详细性能，收杆过快，导致飞机提前落地，损坏了半侧机身，但无大碍，维修后能继续使用，并且积累了动力驾驶舱的飞行经验。
本发明动力驾驶舱的结构示意图如图1所示。
动力驾驶舱1为一具有动力飞行系统的小型飞机，具有动力驾驶舱机翼4和垂尾5，能自主飞行。
3、载机的设计与制作
在完成了动力驾驶舱的设计与制作后，根据动力驾驶舱的完成情况以及设计草图，开始了动力驾驶舱载机的设计与制作。
与动力驾驶舱一样，载机仍旧使用了KT板和轻木。载机设备型号为了与动力驾驶舱相融合，飞机宽度首先设定完成，与动力驾驶舱一样。
3、1同动力驾驶舱的设计过程一样，首先进行了机翼的设计。在设计载机的机翼时，需考虑到已设计完成的动力驾驶舱的面积大小，参考鸭翼与主机机翼的面积比例，并且使用“三(2)”中所采用的升力公式进行计算。
载机设备重量即翼载荷，载机的设计时速为20-30km\h，动力驾驶舱的设备重量为356g，由于是亚音速型飞机，升力参数代入0.5，空气密度代入1.225，最终机翼面积定为0.6平方米。
经过与指导老师的讨论，未给机翼设计上反角，并将后掠角设计为42.5度。为了方便面积较大机翼的拆卸，在机翼的底部中间位置安装了同样宽度两条弧形木条，并设计了安装槽、完成舵面制作。
载机机翼参数参数(mm)：
翼根：800，翼尖：200，翼展：1200，前缘后掠角：42.5，上反角：0度
3、2机身设计同样采用KT板与轻木混合制作的方法，在两片相同结构的KT板中间用轻木固定，在机身前部轻微形变制成机头，尾部同样用木板打孔后安装电机。整体组合时飞行的动力靠的是载机动力。
将机翼上设备安装好后，将机身与机翼组装，至此完成载机设计制作。
4、锁紧-脱离装置设计与制作
经过与指导老师的讨论，决定使用橡筋作为驾驶舱脱离弹射动力。在动力驾驶舱和机身上都设置了滑轨，在滑轨上制作了限位结构，在动力驾驶舱的尾部设置了限位槽，在机身相对位置预留空间里安装了简单有效的锁紧机构，使用3003舵机作为动力，具有锁紧与释放的功能。
经过几次地面实验，我们最终使用强力橡筋并且并列成8股，可提供足够弹力(也可使用相同弹力的弹簧)。从机头拉过橡筋，绕在动力驾驶舱底部的钩子上，再将动力驾驶舱架上滑轨，最后用锁紧机构固定住，动力驾驶舱就进入了待发射状态，此时只要扳动遥控器上的舵机控制开关，动力驾驶舱就可以弹射出去，实现驾驶舱与机体的脱离。
5、组装调试
将驾驶舱与载机组合在一起时，参考升力公式中的密度、速度、升力参数都不再变化，根据综合气动中心基本计算公式：
L动力驾驶舱·X1＝L载机·X2
式L用动力驾驶舱机翼面积和载机机翼面积带入，因为X1+X2已知，这样就求出了综合气动中心的位置。
同样根据经验值向前加10％的载机机翼平均翼弦长度，确定了整机重心，为设备安装及配重提供了依据。
确定了重心后，组装完成飞机。
图2为组装好的飞机，图3为两滑轨扣合结构，图4为动力驾驶舱底部结构，动力驾驶舱1架在载机2上，滑轨6A、6B相扣(如图3所示)，用锁紧机构通过锁紧限位孔7将滑轨6A、6B固定不动，橡筋8从载机2的机头固定位10拉过，绕在动力驾驶舱1底部的钩子9上，动力驾驶舱1进入待发射状态。正常飞行时，载机机翼3与动力驾驶舱机翼4呈鸭翼布局。遇到危急情况，飞行员打开锁紧机构，橡筋8提供弹射力使动力驾驶舱1通过滑轨6脱离载机2，自主要空中飞行后平稳降落。
6、试飞
6.1进行手持载机弹射-飞行这一连贯动作实验，将动力驾驶舱置于待发射状态后，启动弹射开关，但是由于是第一次弹射试飞，对最低起飞高度估计不足，导致飞机弹出后没有来得及启动就已经坠地，使垂尾受损。
经过简单维修，进行第二次弹射试飞。这次提高了初位置的高度，距离地面大约1.7米，弹射后立即启动发动机，飞机进入正常爬升及飞行状态，飞行平稳，操控灵活，安全降落，弹射飞行试验成功。
6.2进行载机的飞行试验。由于载机机翼面积大，重量轻，飞行起来比动力驾驶舱简单一些。手掷起飞后，经过简单的适应后，操控性较好，从起飞到降落一气呵成，完成了动力驾驶舱载机试飞。
6.3空中弹射飞行试验，由于先前实验中对弹射的最低高度有了一定认识，并且在空中弹射时动力驾驶舱会有一定的初速度，弹射后高度变化容易掌握及操控。所以就马上展开了动力舱和载机的整体飞行与弹射分离实验。首先在地面上对两机的重心与舵面进行了调平，然后手掷起飞，组合飞行状态时飞行状况良好，低空盘旋顺畅稳定，但在爬升时遭遇强风吹袭，导致失控坠机，损失严重。经过简单分析，主要原因是机体质量较轻，抗风能力不够强。综合考虑情况后，决定对某些损伤部件进行重新制作，并结合前期飞行情况对机身参数进行了一些调整，载机机身使用航空轻木，机翼采用碳管加固，结合处使用碳管加固。
接下来对改装加固后的飞机进行试飞。手掷起飞后，整机飞行平稳，逐渐爬升，在这过程中飞行，操作正常。而后在空中盘旋几圈，适应飞行条件，并找准摄像机拍摄角度，进行空中弹射分离及单独飞行。打开弹射控制舵机的通道，动力驾驶舱弹射，平稳脱离载机范围，载机无异常，紧接着启动动力驾驶舱发动机，遥控动力驾驶舱进行分离后的飞行。
最后动力驾驶舱与载机分别安全降落。(如图5所示)
至此，关于动力驾驶舱模型的飞行试验结束，创意验证成功。
7、结论、收获与设想
平时对航空航天知识的爱好，使自己有机会关注飞行员逃生问题，在学校科技选修课的学习过程中，提出了设计动力逃生驾驶舱的创意，得到了任课老师的鼓励和支持，通过协商，为我确定了校内外指导老师，并立项开展研究工作。整个过程包括初步构想，文献调研，专门知识学习，制定研究方案，制作调试等环节，经过近九个月的努力，设计制作出了结构紧凑、布局合理，驾驶舱与载机融合性很高的验证模型，并成功进行了驾驶舱的脱离飞行实验。
这个项目把我在生活中萌生的想法变成了现实，感到很兴奋，也很有成就感，更加深了我对飞行器的热爱。通过这个实践过程，使自己的创意得到了验证与肯定，亲自参与该项目的计算设计与实验，让我受益匪浅，从中学习到了飞行器设计中的步骤与初步计算，还进一步提高了模型飞机的飞行技术，积累了许多有关飞行器设计与制作的经验。从中体会到飞行器设计制作过程的复杂与严谨还有艰辛。我也发现自己在研究过程中知识上存在的欠缺，它将督促我要尽力补充知识，继续投入到我爱好的科技创新活动中去。
该项目由于时间和技术原因，仅能达到初步验证演示程度，距离实际应用仍有很大距离，升级改造空间很大。下一步首先要设计具有翼型的空气动力学机翼的飞机，此外在驾驶舱结构、动力和控制方面都要进行改进；针对不同的机型可以将驾驶舱小翼设计成折叠形式，在弹射的同时打开。
在该模型走向实际应用时，还需要考虑设计两套不同的飞行操控系统，以及让飞行员快速地进行切换的装置，使其从原来的飞行状态进入逃生状态；此外，还应考虑，当鸭翼受损时，逃生舱应备有降落伞等基本逃生设施等等，还有许多实际问题需要解决。同时，该设计思想还有更大的应用空间可以拓展。