611未來飛行器設(shè)計(jì)作品“扶鰩” 城市飛行器

1、扶鰩”號矢量旋翼城市飛行器內(nèi)容提要“扶鰩”號矢量旋翼城市用飛行器采用了新型可全方位轉(zhuǎn)動(dòng)矢量旋翼，并與固定機(jī)翼相結(jié)合，飛行器機(jī)動(dòng)性、靈活性良好，采用綠色環(huán)保無污染電能驅(qū)動(dòng)，合理使用新型材料，內(nèi)部設(shè)計(jì)體現(xiàn)人性化思想，適合未來城市高樓林立的發(fā)展環(huán)境。關(guān)鍵詞城市飛行器；矢量旋翼；固定翼1 設(shè)計(jì)背景1.1 背景介紹城市中高層建筑林立，道路縱橫交錯(cuò)，車流擁堵異常，隨著城市的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)交通方式必將遇到極大地問題，設(shè)計(jì)一種適于城市空間飛行的飛行器，由于建筑的密集性，要求飛行器可以垂直起降，到達(dá)指定高度后水平巡航，充分利用城市空間的各種高度層，同時(shí)要求污染小，噪聲小，安全性機(jī)動(dòng)性良好，滿足人們?nèi)粘３鲂械男?/p>

2、求。在這種背景下，“扶鰩”號未來飛行器應(yīng)運(yùn)而生?！胺鲻帯碧柮謥碓从谇f子逍遙游“摶扶搖而上者九萬里，去以六月息者也”，諧音扶搖，體現(xiàn)了“扶鰩”號矢量旋翼可以全方位轉(zhuǎn)動(dòng)提供力和力矩特點(diǎn)，同時(shí)“扶鰩”體現(xiàn)了飛行器結(jié)合鰩魚形狀的固定翼，提供水平巡航飛行時(shí)升力的特點(diǎn)?！胺鲻帯碧柺噶啃沓鞘酗w行器是一款融合旋翼機(jī)和固定翼飛機(jī)的概念性飛行器，是一種具有垂直起降和懸停，水平巡航等多種飛行模式的新型未來城市交通工具，外形簡單緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠靈活，飛行穩(wěn)定安全可靠，解決了固定翼飛行器體積結(jié)構(gòu)較大，起飛距離較大，無法在狹小空間起飛，無法完成靈活空中操作等問題，同時(shí)解決了普通的旋翼飛行器方向控制復(fù)雜，提供升力有限

3、的問題?！胺鲻帯碧柕男韯?chuàng)新性的設(shè)計(jì)了矢量性旋翼，實(shí)現(xiàn)旋翼的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜，提供各個(gè)方向的力和力矩，通過兩個(gè)旋翼不同狀態(tài)的配合，加之與固定翼的合理配合，有效增強(qiáng)飛行器的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)環(huán)境的能力。1.2 適用環(huán)境根據(jù)“扶鰩”號飛行器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其適用環(huán)境廣泛，特別是在未來城市環(huán)境中，可以在城市街道，小型停車場甚至于樓頂?shù)榷喾N活動(dòng)場所實(shí)現(xiàn)其起降，在城市中離地950m左右的高度實(shí)現(xiàn)水平巡航，安全性高，噪聲小，可以實(shí)現(xiàn)在居民區(qū)，人員密集場所運(yùn)行。其航程遠(yuǎn)、載重量大，升限達(dá)到3000米，在中長途飛行時(shí)，可以在2500米左右的高度層水平巡航飛行，滿足中長途旅行、貨運(yùn)的需求。2 飛行器的設(shè)計(jì)2.1 飛行原理

4、“扶鰩”號主要是由旋翼作為飛行空氣舉升動(dòng)力部件和飛行動(dòng)力推動(dòng)裝置的航空飛行器，“扶鰩”號的起飛并不是和傳統(tǒng)固定翼飛行器一樣，需要一定長度的跑道助跑達(dá)到起飛速度，而是將旋翼與固定翼結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了垂直起飛。起飛時(shí)，鑲嵌于左右固定翼中的旋翼旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，法線方向?yàn)榇怪毕蛏?，兩?cè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，以抵消單側(cè)旋翼產(chǎn)生的偏航力矩，為飛行器整體提供向上的升力，使其離開地面實(shí)現(xiàn)垂直起飛。當(dāng)飛行器達(dá)到所需高度之后，左右旋翼由法向朝上逐漸改變至法向垂直朝前，這個(gè)過程將會在十幾秒內(nèi)完成。在這個(gè)過程中，旋翼提供的向上的升力慢慢減小，向前前的推力則逐漸增大，而這個(gè)向前的推力會使飛行器產(chǎn)生逐漸加快的水平飛行速度，從

5、而使得飛行器的固定翼在其翼形氣體動(dòng)力的作用下產(chǎn)生補(bǔ)充升力，與當(dāng)前旋翼產(chǎn)生升力的合力可以與重力相平衡，最后達(dá)到旋翼法線方向水平向前，升力完全由固定翼在飛行中產(chǎn)生的氣動(dòng)升力來提供，從而達(dá)到使其在空中平穩(wěn)飛行的目的。若飛行器在平穩(wěn)飛行中需要實(shí)現(xiàn)偏航，則使偏航方向異側(cè)旋翼的法線方向由向前變?yōu)橄蚯巴瑫r(shí)偏向于偏航方向，同時(shí)可以加大該旋翼的功率，產(chǎn)生偏航力矩，實(shí)現(xiàn)飛行器的左右偏航。若飛行器在平穩(wěn)飛行過程中需要實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)，則使需抬升一側(cè)旋翼法線方向由向前變?yōu)橄蚯吧戏?，同時(shí)可以加大該旋翼的功率，產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)操作。飛行器降落時(shí)，先使雙旋翼法向向后偏，利用其反向推力使水平速度接近0，然后令旋翼法向逐

6、漸完全垂直于水平面，此時(shí)速度恰好為零。再調(diào)整減小旋翼的功率，使其緩慢下降并展開起落架，最終實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)的垂直降落。2.2 飛行器整體設(shè)計(jì)飛行器總體效果圖與上視圖如圖1、圖2。圖1圖22.2.1 氣動(dòng)布局“扶鰩”號的固定翼設(shè)計(jì)從一種生活在深海中的扁體軟骨魚鰩魚的外觀上獲取的靈感。鰩魚生活在從淺海到2700米以下的深海的各區(qū)域，其體型經(jīng)過幾億年的進(jìn)化，適應(yīng)水中的生活，以其外形為參照設(shè)計(jì)的鰩式機(jī)翼將可以在空中飛行時(shí)有效的減小空氣阻力，且機(jī)翼的面積遠(yuǎn)大于普通機(jī)翼，產(chǎn)生的升力也大于普通機(jī)翼，加之與矢量旋翼的配合，具有良好的氣動(dòng)性能。機(jī)身采用的水滴形流線機(jī)身，有效提升整體的升阻比。V形尾翼有效降低干擾阻力

7、，提升機(jī)身的穩(wěn)定性，幫助其更好的在城市上空飛行。設(shè)計(jì)過程中簡圖如圖3。圖32.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.2.1 機(jī)翼與旋翼“扶鰩”號創(chuàng)新的矢量旋翼與固定翼結(jié)合。矢量旋翼指旋翼法線方向可以延不同方向偏轉(zhuǎn)以提供不同方向的動(dòng)力，從而提供不同飛行狀態(tài)下飛行器所需要的推力或升力的新型旋翼?！胺鲻帯碧柕氖噶啃龛偳队谄涔潭ㄒ碇?，旋翼周圍裝有護(hù)圈，護(hù)圈內(nèi)側(cè)以互相呈120°角的三根高強(qiáng)度固定桿連接固定旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)，護(hù)圈的外側(cè)連接兩根可轉(zhuǎn)軸伸入固定翼上特定設(shè)計(jì)的弧形滑軌中，同時(shí)設(shè)計(jì)特定的連接和控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固定軸繞自身中心的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿固定翼上的滑軌滑動(dòng)，并在所需位置鎖死，實(shí)現(xiàn)旋翼方向的多角度改變和使用。2.

8、2.2.2 機(jī)身和起落架機(jī)身分為上下兩層。下層為儲能層，內(nèi)置用于給旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)提供電能的高效蓄電池，配備散熱風(fēng)扇。兩層中間有隔熱層，防止儲能層熱量對功能層產(chǎn)生影響。上層為功能層；前方為駕駛艙，由四分之一球面有機(jī)玻璃罩圍繞，玻璃罩頂端與機(jī)身鉸鏈連接，實(shí)現(xiàn)75°最大開啟角的開啟和閉合，玻璃罩外涂有深色防曬層，防止城市光污染炫目造成駕駛?cè)藛T情況誤判發(fā)生事故；后方為儲物區(qū)，可放置約1立方米左右的物體。采用傳統(tǒng)后三點(diǎn)式起落架，除可供飛行器停降用外，當(dāng)飛行器起飛環(huán)境不理想時(shí)，還可在矢量旋翼的配合下實(shí)現(xiàn)短距離低速移動(dòng)，找到適合起飛的環(huán)境，以適應(yīng)復(fù)雜的城市環(huán)境。2.3動(dòng)力系統(tǒng)城市飛行器設(shè)計(jì)使用環(huán)境為城

9、市，計(jì)劃采用電能驅(qū)動(dòng)。采用蓄電池，使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)。使用電力驅(qū)動(dòng)，清潔環(huán)保噪聲小，適合城市環(huán)境。同時(shí)可以考慮采用設(shè)置太陽能電池板，旋翼風(fēng)力發(fā)電功能等提供電能。2.4技術(shù)、性能參數(shù)2.4.1 技術(shù)參數(shù)長度/m2.6機(jī)身高度/m1.5寬度/m1.6固定翼最大弦長/m1.4展長/m5.0機(jī)翼最大厚度/m0.09旋翼葉片數(shù)量3片內(nèi)直徑/m0.9外直徑/m1.0固定翼開孔直徑/m1.1V形尾翼尾翼夾角/radn/4寬度/m0.25長度/m0.5動(dòng)力參數(shù)最大升力/kN1.2x104重量參數(shù)最大起飛重量/kg980有效載荷/kg420空機(jī)重量/kg560飛行器主視圖、側(cè)視圖如圖4、圖5所示。圖4

10、圖52.4.2性能參數(shù)性能數(shù)據(jù)最大平飛速度/km/h367.2最小平飛速度/km/h0載人量34人起降方式垂直起降最大航程/km4406.4最高巡航速度0.3Ma巡航時(shí)間/h12實(shí)用巡航高度/m950升限/m3000飛機(jī)最大平飛速度367.2km/h，同時(shí)保證了對高速的需求和使用時(shí)候的安全性；巡航時(shí)間、實(shí)用巡航高度升限也符合城市標(biāo)準(zhǔn)，滿足未來城市對飛行器的要求。整體性能數(shù)據(jù)也為飛行器功能的拓展提供了可能。2.5材料運(yùn)用機(jī)身采用先進(jìn)復(fù)合材料，性能優(yōu)良，質(zhì)量輕，使用壽命長；同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的運(yùn)用也在確保飛機(jī)高安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有效減重。大量運(yùn)用輕質(zhì)鋁合金，鋁鋰合金，超高強(qiáng)度鋼等輕質(zhì)高

11、強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料，有效提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命。2.6控制與操縱系統(tǒng)考慮到飛行器使用人群的廣泛性，采用自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，在起降等階段需要一些簡單的手動(dòng)操作。采用電傳操縱系統(tǒng)。運(yùn)用現(xiàn)有成熟的一些裝置、儀表等，并根據(jù)此飛行器情況做適當(dāng)改進(jìn)。起飛段，選擇適合起飛的區(qū)域，通過控制系統(tǒng)設(shè)置目的地、路線與飛行高度，自動(dòng)規(guī)劃路徑，確定旋翼的方向和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)可控飛行。飛行過程中，通過導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位調(diào)整航向；通過雷達(dá)識別周圍大范圍內(nèi)障礙物，提前更改航線，避免碰撞；通過傳感器、陀螺儀的使用，確定飛行器所需的偏航、滾轉(zhuǎn)與俯仰狀態(tài)；通過控制系統(tǒng)，應(yīng)用開發(fā)的程序自動(dòng)計(jì)算旋翼應(yīng)處的狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)控旋翼的方

12、向和轉(zhuǎn)速，自動(dòng)校準(zhǔn)航向、規(guī)避障礙、調(diào)整機(jī)身狀態(tài)。為了保障整體的安全性能，系統(tǒng)采用亢余設(shè)計(jì)，采用兩套電傳操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，同時(shí)保留人工控制系統(tǒng)，在突風(fēng)等一些特殊情況下，通過該系統(tǒng)人工控制飛行器。通過以上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單快捷，安全高效的控制和操控。2.7安全保障系統(tǒng)考慮到飛行器要實(shí)現(xiàn)載人，要特別設(shè)計(jì)飛行器的安全保障系統(tǒng)，首先，要通過設(shè)計(jì)中的一些結(jié)構(gòu)、控制等，例如機(jī)翼、旋翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性；另外，要設(shè)計(jì)充分可靠的安全保障系統(tǒng)，如設(shè)置墜落安全氣囊和墜落降落傘，在飛行器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)緊急啟動(dòng)安全保護(hù)裝置，彈出設(shè)置在機(jī)身四周的安全氣囊，彈出降落傘為飛機(jī)減速，以保證

13、安全。3 創(chuàng)新性分析“扶鰩”號矢量旋翼城市飛行器創(chuàng)新性明顯，包括：a.創(chuàng)新性的提出了矢量型旋翼的概念，擴(kuò)大了旋翼的功能，使旋翼具備提供不同方向力和力矩的功能，與現(xiàn)有的四旋翼或其他旋翼飛行器需要通過調(diào)整不同旋翼的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)部分操作相比，與傳統(tǒng)的固定翼需要襟翼等實(shí)現(xiàn)部分操作相比，“扶鰩”號旋翼使偏航，滾轉(zhuǎn)等控制更加簡單，同時(shí)具備提供升力和推力的功能，創(chuàng)新性明顯；b.旋翼與固定翼相結(jié)合，通過旋翼的推動(dòng)結(jié)合固定翼提供升力，解決的現(xiàn)有的旋翼飛行器升力提供有限的問題，同時(shí)固定翼與矢量旋翼的配合，使飛行器整體的操縱性和機(jī)動(dòng)性更加良好，更加適合城市復(fù)雜的環(huán)境。4 設(shè)計(jì)總結(jié)與發(fā)展展望“扶鰩”號矢量旋翼城市飛行器設(shè)計(jì)過程中，主要在旋翼和固定的使用上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，創(chuàng)新性的提出了矢量旋翼的概念，同時(shí)與固定翼結(jié)合實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。未來的發(fā)展前景良好，目前尚且存在的問題有：a.旋翼與固定翼連接