能量储存式空气动力制动装置和方法.pdf

为了产生有效的空气动力制动力，无论运载工具如飞机的速度如何，该方法包括通过运载工具产生能量的步骤、储存产生的能量的步骤和利用该能量驱动螺旋桨的步骤，螺旋桨产生与运载工具的前进方向相反的力。能量的产生是借助驱动发生器的螺旋桨，并利用运载工具相对空气的移动。能量可以以气动、电或动能的形式储存，并且根据积蓄部件使用的技术来选择发生和驱动部件。

1.  用于运载工具(1)的空气制动装置，它包括用于产生可以储存的能量的第一机载部件(12、10、3、4)、能够储存由所述第一部件产生的能量的第二机载部件(13)、以及用于从储存在所述第二部件中的能量产生空气动力的第三机载部件(20、21)，所述第一部件包括至少一个螺旋桨(10、30)，其能够由运载工具(1)相对气团的相对移动旋转驱动，所述至少一个螺旋桨与能够产生可储存能量的至少一个发生器(12、31)联接。

2.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，运载工具(1)具有轮子(4)，至少暂时地由所述运载工具在地面上的移动旋转驱动，用于产生能量的第一机载部件具有至少一个发生器(12)，能够产生可以被储存的能量并且能够由所述轮子转动驱动。

3.  如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，至少一个能够产生可被储存的能量的发生器(12、31)是一个压缩气体的压缩机或一个发电机或一个液压泵。

4.  如权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，能够储存能量的第二机载部件(13)是静态能量积蓄部件，其具有至少一个压缩气体储罐和/或至少一个电或电化学储存电池，和/或具有至少一个能够围绕一轴旋转的飞轮(14)的动能积蓄部件。

5.  如权利要求4所述的装置，其特征在于，飞轮(14)能够由气动马达和/或电动马达和/或液压马达(32)围绕其轴旋转驱动。

6.  如权利要求5所述的装置，其特征在于，飞轮(14)能够带动能量产生部件(32)旋转。

7.  如权利要求6所述的装置，其特征在于，能量产生部件(32)具有至少一个气动压缩机和/或发电机和/或液压泵。

8.  如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，用于带动至少一个飞轮转动的部件(32)在由所述至少一个飞轮旋转驱动时，能够产生能量。

9.  如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，用于产生空气动力的第三机载部件具有至少一个能够与旋转驱动部件(21、31)联接的螺旋桨(20、30)。

10.  如权利要求9所述的装置，其特征在于，旋转驱动部件(21、31)具有至少一个气动马达和/或电动马达和/或液压马达，能够由第二机载部件(13)储存的能量提供能量。

11.  如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，第三部件使用的用于产生空气动力制动力的至少一个螺旋桨(20、30)也被第一部件使用，以用于产生能够储存的能量。

12.  如权利要求11所述的装置，其特征在于，在由至少一个螺旋桨(30)驱动时能够产生能量的至少一个发生器(31)在被供以能量时也能驱动螺旋桨(30)旋转。

13.  如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，第一部件的至少一个螺旋桨(30)与动能积蓄部件(14)机械联接。

14.  如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，第二机载部件(13)能够由与机载功率发生器(3)联接的至少一个发生器(12)提供能量。

15.  如上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，它具有作用于螺旋桨(10、20、30)的叶片(15)螺距的调节部件。

能量储存式空气动力制动装置和方法
技术领域
本发明涉及飞机的飞行控制领域。特别是，本发明涉及对飞机的空气阻力进行作用的装置，这些装置一般归于“空气制动器”的名下。
背景技术
飞机的空气阻力一般被认为是必须要克服的缺陷，因为阻力与飞机的前进运动相反，并增加燃料的消耗。
但是，飞机的飞行过程中存在一些特定时刻，此时增加阻力是有用的，以便能比在飞机通常阻力的简单作用下更快地减速，或者为了避免降落过程中的过度加速。
由于设计团队为减小巡航阻力做出了最大努力，因此能够在飞行的某些时间增加空气阻力变得更加有用。
为了增加阻力，飞机1具有通常由刚性元件组成的空气制动器2，这些刚性元件定位成在巡航飞行期间不产生阻力，并且这些元件具有一个或多个展开位置，使刚性元件具有在空气中抵抗前进运动的一个表面。目前存在位于飞机机翼或机身上的多种形状的空气制动器，并且用于民用或军用飞机。
这些空气制动器在飞机的速度较高时更有效。更确切地说，阻力以及因此产生的减速直接取决于动态压力，即对于给定的空气制动器的位置，阻力与ρv²成正比，其中，ρ是流体密度(飞行高度的空气密度)，v是飞机相对于流体的位移速度。
该制动方式带来的问题是速度降低时效率的损失。例如，在一架现代的飞机着陆时的50米/秒的典型速度时，比在降落结束时的125米/秒的典型速度时低6倍，当速度进一步降低、特别是着陆后，其效率很快就变为可以忽略不计。
还存在其它使飞机1减速的方法，特别是着陆后，如使飞机发动机3的推进方向反向，或者使与跑道接触的轮子4制动。
尽管已经用于民用飞机，这些方法仍有许多缺陷。
用于发动机的推力反向器5的生产和使用都很复杂、沉重和昂贵。除了它们对飞机重量的主要缺点外，它们还降低发动机在正常运转模式下的性能，这是由于这些装置不可避免的缺陷，这些缺陷导致空气阻力和引起过度消耗的负荷损失。
当跑道受到水、雪或冰的影响时，轮子4的制动系统的效率受到限制，并且它们的使用造成制动器摩擦零件和轮胎的磨损，因此当制动器高强度使用时，必须更经常地更换零件。
因此，能够在飞机的任何速度都获得有效的制动力的装置是很有现实意义的，并且可以简化现有的装置，并限制它在运行中的使用。
发明内容
为了在需要的时刻产生不受运载工具相对空气的低速的影响的空气动力制动力，本发明提出一种在沿相对周围气团的移动方向上移动的运载工具上产生一个空气动力制动力的方法。
所述方法包括：
-通过所述运载工具产生能量的步骤；
-所述运载工具产生的能量的储存步骤；
-利用所述能量产生与空气阻力不同的空气动力的步骤，该空气动力作用于运载工具，并与移动方向基本相反。
能量储存为可以由产生空气动力制动力的部件来使用的形式，例如，至少部分地为动能或气动能的形式，或者是电能或电化学能的形式。
在该方法的一个实施例中，通过运载工具产生能量的步骤包括从运载工具的动能提取产生的能量的步骤，和/或通过机载部件产生能量的步骤。
当储存的能量从运载工具的动能提取时，能量的提取是利用运载工具相对气团的移动，特别是在相对空气的速度很高时，并且/或者利用运载工具相对地面的移动。
有利的是，从运载工具的动能提取的能量用于使运载工具减速，因此避免或限制使用其它制动方式。
有利的是，对能量使用步骤期间产生的空气动力制动力的强度和方向进行调整，以便与需要的减速相匹配，并且空气动力制动部件用于产生被动的空气动力阻力，使得可以避免或限制使用专门的空气制动器。
为了在任何条件下，特别是低速条件下提供有效的空气动力制动，本发明的运载工具的空气动力制动装置包括用于产生能够储存的能量的第一机载部件、能够储存所述第一部件产生的能量的第二机载部件、以及用于从储存在所述第二部件中的能量产生空气动力的第三机载部件。
在一个实施例中，用于产生能量的第一机载部件包括至少一个螺旋桨，能够由运载工具相对气团的相对移动旋转驱动。
所述至少一个螺旋桨联接到至少一个能够产生可被储存的能量的发生器。
在另一个实施例中，当运载工具包括由运载工具在地面上的移动而至少暂时地旋转驱动的轮子时，用于产生能量的第一机载部件包括至少一个发生器，该发生器能够产生可以储存的能量，并且能够由轮子的转动旋转驱动。
至少一个能够产生可储存的能量的发生器有利地为一个压缩气体的压缩机或一个发电机或一个液压泵。
能够储存能量的第二机载部件是静态能量积蓄部件，包括至少一个压缩气体罐和/或一个电或电化学储存电池，和/或者是动能积蓄部件，包括至少一个能够围绕一轴旋转的飞轮。
当能量积蓄部件使用飞轮时，所述飞轮由气动马达和/或液压马达围绕其轴旋转驱动，或者与在风能模式工作的螺旋桨机械联接。
有利的是，在积蓄部件使用飞轮时，为了便于安装飞轮，所述飞轮能够带动能量产生部件转动，能量产生部件包括至少一个气动压缩机和/或一个发电机和/或一个液压泵。
有利的是，当带动至少一个飞轮转动的部件由所述至少一个飞轮旋转驱动时，其能够产生能量。
为了得到有正确效果和足够强度的空气动力制动力，产生空气动力的第三机载部件有利地包括至少一个能够与旋转驱动部件联接的螺旋桨，该旋转驱动部件最好包括至少一个气动马达和/或一个电马达和/或一个液压马达，能够由第二机载部件储存的能量提供能量。
有利的是，用于产生空气动力制动力的第三部件使用的至少一个螺旋桨还被第一部件所使用，以产生可以储存的能量，并且在由至少一个螺旋桨带动时能够产生能量的至少一个发生器在被供以能量时，也能驱动螺旋桨转动。
同时或交替地，积蓄部件能够由联接到机载动力发生器的发生器提供能量。
为了控制积蓄部件的负荷和空气动力制动力，该装置包括作用在至少一个螺旋桨的叶片螺距(pitch)上的调节部件。
为了减小装置对运载工具的空气动力的影响，该装置包括存储部件，用于存储在使用时与空气动力流接触的能量产生元件或空气动力制动力产生部件，以减小不使用时的空气动力阻力。
附图说明
参照附图对本发明的一个实施例进行详细描述，附图如下：
图1，如已经描述的，为一架飞机和实施本发明时使用的各组件的总体图；
图2为本发明及其主要组件的原理图；
图3为使用可反向工作的组件的本发明的一个实施例的原理图；
图4为实施能量的动能储存和风能模式的收集能量的本发明的一个实施例的原理图；
图5a和5b为根据本发明的装置在飞机机翼上的安装示例的横剖面图，图5a为工作位置，图5b为存储位置。
具体实施方式
本发明的方法在于，第一步骤为储存飞机上的可用能量，使用部件提取该能量，并且在能量提取的飞行期间，在降级方面对飞机性能的影响是有利的或可以接受的，在第二步骤中，利用储存的能量产生与飞机的向前运动速度相反的空气动力。
在该方法的第一实施例中，从飞机1的动能提取储存的能量，并且该能量通过利用飞机1相对空气的速度V而产生。
利用至少一个集成在飞机1上、并且在风能模式下工作的螺旋桨10来提取能量，即，螺旋桨由飞机1在空气中的移动造成的气流的相对速度来驱动。
螺旋桨10的轴11的转动与发生器12的转轴连接，因此发生器12由螺旋桨10的旋转驱动。发生器12选择成产生能够通过传输部件16传输的能量，以便储存在机载积蓄部件13中。例如由未示出的计算机控制的控制和调节部件17与产生、输送和储存能量的部件相联。
一种方法在于，将能量以压缩气体的形式储存在积蓄部件13的至少一个储罐中，例如空气，在这种情况下，发生器12有利地包括与螺旋桨10联接的压缩部件。当螺旋桨10由空气与飞机1的相对移动旋转驱动时，压缩部件压缩气体，例如从飞机周围提取的空气，并且该压缩气体被送到至少一个储罐中，以便利用管道进行储存，管道包括阀门、止回阀、传感器和对装置的运行有用的调节器。
另一个方法在于，将能量以电能的形式储存在与积蓄部件13相联的电或电化学电池中，在这种情况下，发生器12有利地包括与螺旋桨10联接的发电部件。当螺旋桨10由空气与飞机的相对移动旋转驱动时，发电部件产生用于给电池充电的电能。
另一个方法在于，利用动能积蓄部件以动能的形式储存能量，动能积蓄部件包括至少一个飞轮14，飞轮14由驱动部件旋转驱动，驱动部件能够使螺旋桨10的轴11和至少一个飞轮的轴联接。在这种情况下，储存的能量取决于飞轮14的转速ω，并且驱动部件有利地能够改变螺旋桨10的轴11的转速与至少一个飞轮14的转速ω之间的比。
这些具有可变比的驱动部件例如可以由一个齿轮组件构成，齿轮的不同的相对位置使得可以得到输入轴与输出轴之间的不同转速比。它们也可由液压驱动部件构成，其中，螺旋桨10驱动一个液压泵，而至少一个飞轮14由与所述泵联接的一个液压马达驱动，所述泵和/或所述马达具有可变的缸体工作容积。
它们也可以由电动或气动驱动部件构成，其中，螺旋桨10驱动一个电动或气动发生器，并且至少一个飞轮14由联接到与驱动部件相联的发生器的电动或气动马达驱动。
有利地设置未示出的调节部件，使得用于产生能量并储存所述能量的装置的工作遵从各种机械和/或电和/或液压和/或空气动力的限制。特别是，螺旋桨10有利地具有可变螺距的叶片15，并且螺距通过调节部件以可控的方式、根据螺旋桨的转速和负荷而进行改变。
当能量储存在机载积蓄部件13中时，所述能量用于利用与一个马达21联接的一个螺旋桨20产生一个空气动力制动力，马达21通过能量传输部件18连接到积蓄部件13，螺旋桨的旋转方向和螺距选择成使得在飞机1上产生与飞机在空气中的移动方向相反的力。该螺旋桨20产生的力具有以下优点：
1.能够调节强度，特别是通过对马达21输送的功率的控制部件19进行的调节；
2.当飞机的速度v低时，保持一个高强度，这对于传统的空气制动器2是不可能的。
在空气动力制动阶段驱动螺旋桨20的马达21与能量的储存模式和恢复模式相匹配。最好，当能量以压缩气体的形式储存在积蓄部件13中时，马达21是气动马达，或者当能量储存在电池中时，马达21是电动马达。
当以动能的形式储存能量时，或者螺旋桨20通过与飞轮14的机械连接被驱动，飞轮14作为马达的转子，或者飞轮14带动一个发生器，该发生器例如可以是液压的、气动的或电动的，并且螺旋桨20由一个马达驱动，该马达与发生器联接，并由与选择的技术相匹配的飞轮驱动。
有利的是，一些用于实施能量储存步骤并用于产生空气动力制动力的部件是相同的，并且选择成以图3和4所示的可逆方式进行工作。
特别是，当用于产生空气动力制动力的螺旋桨30由马达驱动时，其有利地用于通过驱动一个发生器产生可以储存的能量。(气动、液压或电子)发生器最好首先选择为能够以马达模式工作，这取决于装置是以能量储存模式工作，还是以空气动力制动力的产生模式工作。
这些可以反向工作的发生器/马达31在液压、气动和电动领域是公知的，并且当使用与螺旋桨30联接的马达/发生器和与动能积蓄部件(如果使用该部件)联接的马达/发生器32时，能够减小本发明装置的重量、体积和成本。
为了巡航飞行过程中不产生不可接受的有害阻力，当不使用装置时，螺旋桨10、20、30有利地折叠起来，这意味着螺旋桨的叶片15的轴线与螺旋桨的转轴基本平行。
在另一个未示出的实施例中，螺旋桨由一个机械装置携带，当所述螺旋桨不使用时，可以储存在为此设置的槽中，叶片折叠或不折叠。
组件(发生器、马达、积蓄部件及装置的控制和调节系统)最好分布在沿飞机1的机身7和/或机翼6的可利用的容积中。当各种组件的安装约束，特别是积蓄部件与发生部件和/或马达之间的距离必须受到限制时，例如对于气动或液压连接，组件可以组装在由空气动力整流罩8保护的容积中，整流罩8有利地与由于其它原因而存在的飞机整流罩相联，例如围绕开槽板轨道的整流罩。
与发生器联接并由飞机与气团的相对移动作用驱动的螺旋桨10、30产生的待储存送能量最好一方面在需要空气动力制动时产生，因为该能量的产生形成空气阻力，同时另一方面在飞机的速度仍比较高时产生，以利用高动态压力带动螺旋将和与所述螺旋桨联接的发生器。飞机飞行时，例如从巡航高度下降到等待或接近高度期间，这些条件是满足的，并且速度V较高，因此常常用空气制动器2保持或降低下降期间在航线上的速度，或者更快地下降，而不增加在航线上的速度。因此在下降阶段，可以利用高动态压力的优点有效地驱动在风能模式工作的或产生形成所需制动的空气动力阻力的螺旋桨。另外，这些条件、即高动态压力和空气动力制动的需要得到满足的下降阶段一般在着陆的飞行阶段之前，在着陆阶段，动态压低得很多，因为飞机速度降低，并且利用有效的空气动力制动部件是有用的。当螺旋桨10、30在风能模式工作以储存能量而导致的空气动力制动不再足够时，储存在部件13中的能量用于驱动螺旋桨20、30，这些螺旋桨最好和前面描述的螺旋桨30相同，并且动态产生空气动力制动力。
在本发明的第二实施例中，储存的能量从飞机1的动能得到，并且飞机1着陆后利用飞机相对地面的速度产生。
在该第二实施例中，轮子4驱动部件12，以产生能够被积蓄部件13储存和/或被空气动力制动部件使用的能量。
与第一实施例类似，使用至少一个螺旋桨20产生空气动力制动力，螺旋桨20的螺距和旋转方向在飞机1上产生与飞机的前进方向相反的力。所述至少一个螺旋桨20由马达21驱动，储存在积蓄部件13中的能量为马达21提供能量。
例如，当飞机1着陆并且飞机在跑道上的移动带动轮子转动时，与轮子联接的压缩空气产生部件被驱动，并产生压缩空气，这些压缩空气储存在至少一个储罐中。一个与至少一个螺旋桨联接的气动马达利用所述压缩空气驱动所述至少一个螺旋桨转动。产生和积蓄部件可以使用其它形式的能量，例如电能。
在该第二实施例中，积蓄部件13最好是能够快速储存能量的部件。实际上，飞机着陆的滑行阶段很短，因此必须在着陆阶段滑行速度最大时提取最大能量，这样飞机的动能仍然比较高，可以用于在整个滑行阶段产生空气动力制动力。与轮子4联接的产生部件产生的能量可以由空气动力制动力产生部件直接使用，而不储存。
另外，提供给空气动力制动力产生部件的从轮子4提取的能量参与滑行飞机的减速，这样能够限制使用传统的制动器。
在本发明的第三实施例中，储存的能量由飞机1的至少一个发动机3产生。该发动机可以用于飞机的推进，或作为辅助动力单元的发动机。
在该第三实施例中，至少一个发动机3驱动部件12，以产生能够储存和/或被空气动力制动部件使用的能量。有利的是，该产生部件12是已经存在并可用的部件。实际上，多数现代飞机的发动机包括能够产生可以储存的能量的发电和/或液压和/或压缩空气发生器，因此不需要使用附加的产生部件。
有利的是，在飞机1的飞行期间，储存的能量由至少一个发动机3提供，在该飞行期间，如果该发动机是用于推进的发动机，所述发动机的性能不是关键的，例如在着陆前的下降期间。以联合或交替的方式，至少一个发动机3产生的能量可以直接由空气动力制动力产生部件使用，而不储存。
在本发明的所有实施例中，由用于产生空气动力制动力的装置使用的至少一个螺旋桨20、30有利地用于产生一个被动的空气动力阻力，当能量积蓄部件没有与发生器12连接，例如当积蓄部件达到其最大储存容量时，该被动空气动力阻力可以调节。特别是，通过干预风能模式的螺旋桨的负荷，可以调节该空气动力阻力的值。
对所有的实施例，当速度V变得太低时，由于对动态压力的依赖，为使产生空气动力阻力的其它空气动力制动部件的效率令人满意，使用储存的能量带动螺旋桨20、30旋转，调节螺旋桨的螺距和驱动功率，以提供与飞机的前进方向相反并与所需的空气制动相对应的力。
根据该方法，可以得到空气动力制动力，直到飞机在跑道上的速度为零，这就是在空气制动器不再有用的情况下，因此，至少部分地替代当飞机已经着陆时传统上使用的使飞机制动的装置，如发动机3的反向推进器5和/或轮子制动器4。
有利的是，一架飞机备有两个或多个根据本发明的装置，或者一个包括两个或多个使用同一能量积蓄部件的能量产生或空气动力制动的螺旋桨。
为了得到令人满意的空气动力制动效果，并最大限度地减小对巡航中性能的影响，该装置集成在飞机的空气动力平面上。
飞机形状的空气动力整体性属于空气动力设计者的普通工作。
有利的是，装置的元件将整合在结构上可用的体积中，在现有的整流罩8、如副翼整流罩或转门为该装置设计的整流罩中。
当在飞机对称平面的任一侧、例如机翼上设置至少一个空气动力制动螺旋桨时，左右两侧之间的空气动力制动力的偏差使其能够作用于飞机的侧向控制，如同使用传统的空气制动器，但是可以到很低的速度，甚至速度为零。
尽管空气动力制动方法和相关的部件在详细描述中是用于飞机的特殊情况，本领域技术人员可以很容易地使该装置用于地面运载工具，这些运载工具在某些条件下使用空气动力制动部件是有益的。这些条件的满足特别是当所述运载工具在地面上的附着不能通过足够的摩擦产生制动力，例如在很滑的地面上，以产生希望的减速时。