上撐大平板的長方體飛的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計了一種上撐大平板的長方體飛機，包括機體和機體上方的大平板，所述機體上安裝撐桿，撐起大平板。所述機體主體的橫截面為長方形或上窄下寬的梯形。所述大平板平置于機體上方。大平板面積大于機體最大水平截面面積。還可以在大平板上表面貼裝光電轉(zhuǎn)換片，光電轉(zhuǎn)換片通過撐桿內(nèi)的電子線路連進機體內(nèi)的電源系統(tǒng)，飛機使用燃油發(fā)動機以及電能作為動力。本發(fā)明對大型客機的設(shè)計作了最根本層次的創(chuàng)新：將目前的長圓柱機體改為上撐大平板下為長方機體的上下兩層結(jié)構(gòu)，使得在確保安全平衡的同時，大大簡化飛機整體結(jié)構(gòu)，從而大大降低設(shè)計和制造難度、降低對材料和工藝的要求、降低制造成本、降低重量和油耗，并可充分利用太陽能作為輔助動力。
【專利說明】上撐大平板的長方體飛機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新結(jié)構(gòu)飛機，具體是一種上撐大平板的長方體飛機。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前的大型客機無論美國波音公司還是歐洲空中客車公司的都是錐頭長圓柱體 機身，"空中客車"雖名為"客車"，但它的形狀和波音機相比看不出有什么明顯區(qū)別。那么 這兩家瓜分當今全球主要大型客機市場的公司不約而同地將飛機設(shè)計成這種形狀不是沒 有原因的：作為載客數(shù)百人的大型客機，安全性是首先需要盡可能地保障的，那么唯有橫截 面為圓形的機體才最不容易受上下左右氣流影響而失去平衡。
[0003] 目前結(jié)構(gòu)的大型客機缺乏有效的在失去平衡下恢復(fù)平衡的能力，因為它只有方向 向正前方的動力，那么若被上下氣流吹歪怎么辦呢？主要是靠調(diào)整兩側(cè)發(fā)動機的動力以改 變航向，使得兩側(cè)機翼的前行速度不同導(dǎo)致升力不同來恢復(fù)平衡。比如向右轉(zhuǎn)的時候左機 翼速度快升力大于右機翼，那么左側(cè)就會上抬。這當然不是一種很有效的辦法。而目前結(jié) 構(gòu)的飛機若被吹歪不能盡快恢復(fù)，那還可能更歪(機內(nèi)人貨會向下傾方向滑)，然后就要失 去控制機毀人亡了。所以目前的飛機設(shè)計師盡可能地在機體設(shè)計方面下功夫，比如將機體 設(shè)計成圓形、及增加尾翼等，盡管這代價很大，但為確保安全也只能付。
[0004] 首先第一個重大代價是：這種圓形機體當然不是一種牢固的形狀，而它的體重又 那么重，目前的大型客機如波音747 - 400是三百多噸，A380則達到了 500噸，這么重又 是圓形，還要在高速飛行中保持安全強度，那這對材料、設(shè)計技術(shù)、和制造工藝的要求就非 常高了。正是由于這方面的差距，所以盡管"讓中國的大飛機翱翔藍天，是幾代中國人的夢 想。"2006年2月國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006- 2020年)》 把研制和發(fā)展大型飛機確定為16項重大科技專項之一，但目前中國的天空中飛的基本不 是波音就是空客的。波音747的設(shè)計圖紙有上萬張，每架波音747 - 400超過2億美元； 而空客公司在多年技術(shù)積累下，為研發(fā)A380投入的設(shè)計經(jīng)費超過一百億美元，每架A380約 3億美元，就是因為這種結(jié)構(gòu)的飛機設(shè)計太復(fù)雜、制作起來非常難、對材料的要求也高，所以 制造成本也非常高。
[0005] 其次第二個重大代價是：這種長圓柱體明顯不是實現(xiàn)客機首要目的，也即用于載 客的最佳結(jié)構(gòu)，用于載客的最佳結(jié)構(gòu)顯然是扁長方體，也即下面我們即將看到的本設(shè)計的 結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致相同載客下機體橫截面積大增，而橫截面積大增意味著空氣阻力大增，空氣阻 力大增意味著要達到相同速度油耗大增。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明從根本上改變目前飛機的這種設(shè)計復(fù)雜、代價高昂的長圓柱體結(jié)構(gòu)，采用 上下兩層的分體結(jié)構(gòu)，使得在確保安全平衡的同時，大大簡化飛機整體結(jié)構(gòu)、從而降低制造 難度、降低對材料和工藝的要求、降低制造成本、降低重量和橫截面積、降低同載客航速下 的油耗。
[0007] 按照本發(fā)明的設(shè)計，所述上撐大平板的長方體飛機，包括機體和機體內(nèi)設(shè)置的動 力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，在機體上方設(shè)置有大平板，所述機體上安裝撐桿，撐起所述 大平板。
[0008] 具體的，所述機體主體的橫截面為長方形或上窄下寬的梯形。
[0009] 具體的，所述大平板平置于機體上方。大平板面積大于機體最大水平截面面積。
[0010] 還可以在大平板上表面貼裝光電轉(zhuǎn)換片，光電轉(zhuǎn)換片通過撐桿內(nèi)的電子線路連進 機體內(nèi)的電源系統(tǒng)，飛機使用燃油發(fā)動機以及電機作為動力裝置。
[0011] 所述機體還裝有地面電源輸入接口，以便在助跑時利用地面電力輔助驅(qū)動機體下 方的輪子。
[0012] 由于這種最根本層次的創(chuàng)新，所帶來的好處非常大：結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造難度低、 成本低、重量輕、油耗低、并便于充分利用太陽能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是上撐大平板的長方體飛機側(cè)視圖。
[0014] 圖2是上撐大平板的長方體飛機俯視圖。
[0015] 圖3是上撐大平板的長方體飛機后視圖。
[0016] 圖4是上撐大平板的長方體飛機客艙座席布局。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明包括機體1和機體1內(nèi)設(shè)置的的動力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系 統(tǒng)，其特征是，在機體1上方設(shè)置有大平板2,所述機體1上安裝撐桿3,撐起所述大平板2。 所述機體1主體的橫截面為長方形或上窄下寬的梯形。所述大平板2平置于機體1上方。 大平板2面積大于機體1最大水平截面面積。
[0019] 還可以在大平板2上表面貼裝光電轉(zhuǎn)換片5，光電轉(zhuǎn)換片5通過撐桿3內(nèi)的電子線 路連進機體1內(nèi)的電源系統(tǒng)，飛機使用燃油發(fā)動機4以及電機作為動力裝置。
[0020] 首先我們采用上撐大平板的方式確保整個飛機的安全平衡，而取代目前將機體設(shè) 計成圓形、及使用尾翼等來維持平衡的方式。其原理就是降落傘的原理，即上面的大平板2 輕且垂直方向面積大，因此降落起來比下面重且面積小的機體1慢得多，由此使整個飛行 器的形狀構(gòu)成一個類似降落傘的結(jié)構(gòu)，這是一種非常安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，即使被風吹歪也歪 不到哪兒去，風一小就自動恢復(fù)平衡。
[0021] 這種方式看上去多了個東西，按一般習慣性的思維不及在機體本身上下功夫，但 仔細分析下，其實代價遠小于在機體本身上下功夫，由此獲得的好處，除了可以很方便的使 用大面積太陽能以外，還可以將機體改成結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計難度小、建造所需的材料和工藝要 求低、成本低、空間利用率高、風阻面積小的長方體結(jié)構(gòu)，使得即使不考慮利用太陽能的因 素，這樣的設(shè)計也遠比目前結(jié)構(gòu)更優(yōu)。
[0022] 我們來具體比較一下： 首先作為載客來講，現(xiàn)在人很少有超過2米高的，那么客艙2米高就行了，因為高度影 響到風阻面積進而影響油耗，所以綜合考慮還是2米就行了，極少數(shù)超過2米的大個子就請 稍微委屈一下了；然后，因為飛機所能達到的巡航速度主要取決于推力和空氣阻力，只要推 力大于空氣阻力飛機就會一直加速，直到兩者相等，那么同樣的發(fā)動機推力下空氣阻力實 質(zhì)上是決定巡航速度的主要因素?？諝庾枇Φ拇笮Q定于飛機形狀所導(dǎo)致的風阻系數(shù)α匕 如尖頭的肯定比鈍頭的風阻系數(shù)小)、與迎風面積成正比、與速度的平方成正比。也即相同 形狀下，迎風面積大一倍，空氣阻力也大一倍，速度大一倍，空氣阻力則要乘以4。那么油耗 呢？我們大致可以按油耗增一倍推力也增一倍計算。所以肯定要把飛機設(shè)計成狹長的，以 得到較高的速度，或降低油耗。本例中我們設(shè)定客艙寬10米長60米，如圖2所示。圖2中 機翼14和燃油發(fā)動機4為避免與撐桿3混淆沒有畫為虛線。
[0023] 這么大小的客艙可以載多少人呢？我們假設(shè)采用類似火車軟臥的上下鋪結(jié)構(gòu)，如 圖4所示，一張床2米，過道1米，如此寬里每5米2個上下鋪13,10米即4個上下鋪；那么 床的寬度可以是1. 2米，兩床間距離0. 6米，之間放桌子，可方便乘客在旅途中吃飯、用手提 電腦、或打牌、下棋等，總之長里大概每三米一對上下鋪。如此寬10米長60米的客艙，可以 有4X40個上下鋪。
[0024] 那么我們當然也不需要全軟臥，一個軟臥下鋪可以坐三人，由此可以提供160個 軟臥上鋪加480個坐席總計640載客量；或者也可以前10排為全軟臥頭等艙，即80個上下 鋪純軟臥，加120軟臥上鋪、360坐席，總計560載客量。
[0025] 對于乘客來說若兩人出行買一坐一臥可能會是不錯的選擇。航空公司則還可以推 出一對上下鋪的套票，一張這樣的套票允許乘2到4人。
[0026] 總之，如此設(shè)計的一個高2米X寬10米X長60米的扁長方體盒子，就可以超過 目前波音747 - 400的載客量，和Α380差不多，并且乘客的舒適程度更高。因為坐著再怎 么舒服，都不及躺著舒服；長時間坐總是累，躺著才堪稱休息；另外打牌下棋等是旅途中打 發(fā)時間的好方法，堪稱娛樂，否則可能坐得很悶。
[0027] 再來看速度和油耗。為此我們需要計算空氣阻力。那么我們先算橫截面積。
[0028] 這個扁長方體機艙的橫截面積是20平方米，而波音747 - 400機艙的橫截面積是 多少呢？它是個直徑接近10米的圓形，面積約為：3. 14X5X5 = 78. 5平方米。
[0029] 這還不算完。上撐大平板所帶來的平衡性優(yōu)勢使得我們可以毫無顧忌地用機頭和 機尾來產(chǎn)生類似機翼性質(zhì)的升力，所以在實施例里把機體1的機頭機尾設(shè)計成斜面。這使 得機翼14可以短、迎風面小。也即我們這個機體的頭尾還能用來產(chǎn)升力?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)的飛機 因為怕影響平衡不用機頭機尾產(chǎn)升力，機尾還要堅個尾翼保平衡，那又要幾個平方米。
[0030] 波音747 - 400自重約180噸，最多可載170噸航空汽油，加上約60噸的商重，最 大起飛重量約400噸，那么要抬起這么重的飛機，機翼橫截面積小不了，翼展64. 4米扣除約 10米的機體，按兩機翼總長54米，平均厚度1米算，是54平方米，加機體約132平方米。
[0031] 上撐的大平板2應(yīng)該用輕質(zhì)和堅固的材料，比如碳纖維復(fù)合材料等。如果不裝太 陽能光電轉(zhuǎn)換片5可以很輕，比如1平方米1公斤，若裝光電轉(zhuǎn)換片5,那么目前普通材料 的光電板是大概1平方米10公斤，但我們可以采用專門的設(shè)計和輕質(zhì)材料，估計能降到1 平方米5公斤。再看面積，假設(shè)大平板四面各撐出機體10米，客艙長60米加上前部的駕駛 艙、乘務(wù)員休息室、廚房、衛(wèi)生間等，總長按70米算，大平板面積是30X90 = 2700平方米， 重約13. 5噸。
[0032] 撐桿3按寬里5根長里9根計算，即45根撐桿；平均每根撐桿撐約300公斤，撐桿 橫截面設(shè)計為短軸1. 6厘米長軸3厘米的橢圓形，即迎風橫截面寬度是1. 6厘米，長度按6 米計算，即每根撐桿風阻面積是約0. 096平方米，45根即約4. 5平方米。大平板按2厘米厚 計算，橫截面積是0. 02X30 = 0. 6平方米。總計撐桿和大平板的總風阻面積是很小的。
[0033] 目前波音747 - 400共4個活動起落架總計18個輪胎支撐約400噸的機體，既要 求大承重的鋼材又制造難度很大，中國目前尚沒有企業(yè)能生產(chǎn)，本發(fā)明的機身已經(jīng)類似大 型公共汽車形狀，輪子6也像公共汽車那樣直接裝底盤上。圖1中畫了 6排輪子，每一排 2 X 2對輪子，總計48只輪子。
[0034] 本發(fā)明的機體明顯比波音747 - 400小，并且上表面幾乎沒有承重的要求可以用 很輕質(zhì)的材料，側(cè)面也是，因此整個機體可以比747 - 400輕很多，我們來估算一下：大平板 約13. 5噸，45根撐桿假設(shè)每根20公斤，即0. 9噸，蓄電池組大概1?2噸，燃油發(fā)動機4只 要兩臺PW4062,油量也只要波音747的一半，按80噸計算，總計估計自重只要波音747的 一半，按90噸計算，商重按600人平均每人100公斤計算為60噸，總計約90 + 80 + 60 = 230 噸。
[0035] 那么48個輪子平均每個輪子承重約5噸，對輪子的要求不那么高，由此輪子的半 徑可以小點，假設(shè)〇. 8米，也即底盤距地面將近0. 8米，那么因為我們本來也需要一些空間 做油箱11、行李箱12等，那正好把這部分空間利用起來，因為只是在平整的跑道上跑，故底 部可離地面很近，大概10厘米就行了，這樣，起飛后我們只要用個活動罩子9把輪子6遮起 來就行，因為不遮起來會增加空氣阻力。如此整個機體在飛行途中從前方看，是個橫截面積 為2. 8米X 10米=28平方米的長方形。
[0036] 然后機翼方面，機翼14安裝在機體1中部的兩側(cè)，因為已經(jīng)有了頭尾各2X 10米 的升力面，機翼14可以很短，估計大概兩側(cè)各10米就夠了，平均厚度也只要0. 5?1米，如 此面積為10?20平方米。再加上撐桿4. 5平方米、大平板0. 6平方米，總計約43?53平 方米。
[0037] 本發(fā)明和現(xiàn)有的客機兩者形狀都是尖頭，風阻系數(shù)差不了多少，所以橫截面積的 對比就基本決定了要達到相同速度所需的油耗對比。
[0038] 也就是說，我們這種飛機與波音747在相同載客量和速度的情況下，油耗將至少 低一半。這還沒有算上太陽能光電轉(zhuǎn)換片所提供的能量。
[0039] 那么這大約2700平方米光電轉(zhuǎn)換片能在一般日照下產(chǎn)生多少電能呢？目前的太 陽能光電轉(zhuǎn)換效率是大約每平方米150瓦，2700平方米即約400千瓦的功率。這樣功率的 電能也很可觀了，比如假設(shè)乘客手提電腦是100瓦，那么即使100個乘客同時使用手提電腦 也只不過是10千瓦，所以這樣的飛機是可以允許乘客用飛機內(nèi)的電源為手提電腦充電的。 這400千瓦功率的電能用來供機內(nèi)電子系統(tǒng)用也只需要一小部分，大部分可以用來驅(qū)動安 裝在機體頭部或尾部的電動螺旋槳7作為飛行的輔助動力。目前飛機內(nèi)的電子系統(tǒng)是由航 空發(fā)動機以燒油驅(qū)動交流發(fā)電機供電，既增加設(shè)備又耗油，新設(shè)計下供電任務(wù)可交給光電 轉(zhuǎn)換片5和蓄電池組8。
[0040] 圖2中在機頂四角各設(shè)計了 1個電動螺旋槳7,因為電動螺旋槳7結(jié)構(gòu)很簡單重量 也輕，所以可設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)的，這有利于快速改變航向。
[0041] 因為有大量電力可以使用，我們可使用電動輪子，一方面可利用飛機本身的太陽 能光電轉(zhuǎn)換電力和蓄電池組電力在助跑時供電，另一方面可如圖3中所示，設(shè)置地面電源 輸入接口 10以便利用地面電力在助跑時供電，以增加最大起飛重量或縮短起飛所需跑道， 及減小起飛時的發(fā)動機油耗等。
[0042] 我們再來算這種飛機的設(shè)計建造成本。本發(fā)明機體外表面基本都是平的，所以設(shè) 計建造起來難度遠低于目前這種圓的。除了機頭可以考慮設(shè)計成底平上扁圓弧面，當然這 種弧面會對材料及工藝要求較高，因為我們還要用這個弧面產(chǎn)生較大的上升升力。因為設(shè) 計建造難度低，對材料、工藝要求也低，所以總的來說整個飛機的成本會降低很多。
[0043] 這種飛機的主要缺點是因為有個大平板2,垂直方向上空氣阻力很大，所以爬升起 來慢，當然下降也慢。為此我們可以把部分板塊設(shè)計為活動的，如圖3中所示外撐的左右各 10米板塊，在需要上升時可更向下傾斜一點。這大平板2平時則只是從中間向兩邊略微向 下傾斜一點，一方面減小上升時的空氣阻力；另一方面是為下雨時免積水。
[0044] 這種最根本層次的創(chuàng)新所帶來的好處非常大：結(jié)構(gòu)簡單、堅固實用、設(shè)計建造難度 低、重量輕、體積小、同載客航速油耗低，無論建造成本還是運營成本都明顯下降，提供的服 務(wù)也更好。綜合以上優(yōu)點，本發(fā)明足以堪稱"大型客機發(fā)展史上的一個里程碑式更新"。
[0045] 這個更新亦可以在很大程度上填補中國飛機制造公司和波音、空客兩大巨頭目前 在技術(shù)、工藝方面的差距，實現(xiàn)國務(wù)院《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006- 2020 年)》中發(fā)展中國大型客機的計劃。中國的大飛機翱翔藍天的時代即將到來！估計若將來天 上飛的客機都改成這種飛機，那么目前占全球人類溫室氣體排放量2%的民航業(yè)會降低一 半排放量，全世界人和動物也都會受益。
【權(quán)利要求】
1. 上撐大平板的長方體飛機，包括機體（1)和機體（1)內(nèi)設(shè)置的動力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和 控制系統(tǒng)，其特征是，在機體（1)上方設(shè)置有大平板（2 )，所述機體（1)上安裝撐桿（3 )，撐起 所述大平板（2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的上撐大平板的長方體飛機，其特征是，所述機體（1)主體的橫截 面為長方形或上窄下寬的梯形。
3. 如權(quán)利要求1所述的上撐大平板的長方體飛機，其特征是，所述大平板（2)平置于機 體（1)上方。
4. 如權(quán)利要求1所述的上撐大平板的長方體飛機，其特征是，所述大平板（2)面積大于 機體（1)最大水平截面面積。
5. 如權(quán)利要求1所述的上撐大平板的長方體飛機，其特征是，在大平板（2)上表面貼裝 光電轉(zhuǎn)換片（5)，光電轉(zhuǎn)換片（5)通過撐桿（3)內(nèi)的電子線路連進機體（1)內(nèi)的電源系統(tǒng)，飛 機使用燃油發(fā)動機（4)以及電機作為動力裝置。
6. 如權(quán)利要求1所述的上撐大平板的長方體飛機，其特征是，所述機體（1)裝有地面電 源輸入接口（10)，在助跑時利用地面電力輔助驅(qū)動機體（1)下方的輪子（6)。
【文檔編號】B64D27/02GK104085527SQ201410326874
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】李慶宏 申請人:李慶宏