收縮機翼垂直起降飛行汽車研究范文

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【摘要】本文基于對垂直起降飛行器及固定翼飛行器的研究，設(shè)計并探討了一種能供普通家庭在城市內(nèi)使用的陸空兩用飛行器構(gòu)想。給出了該新型城市通勤的總體外形設(shè)計及基本參數(shù)估算參數(shù)，分析了包括可伸縮機翼、可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)在內(nèi)的三項關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計方案，并對該飛行器常規(guī)使用過程進行了描述。通過研究我們認為，該城市通勤概念出現(xiàn)將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的出行模式，大大減緩了城市內(nèi)交通擁擠、尾氣污染嚴重等狀況，為我國城市居民出行及環(huán)境保護作出重大貢獻。

【關(guān)鍵詞】垂直起降；陸空兩棲；可折疊機翼；城市通勤

1研究背景

隨著近年來新材料技術(shù)和混合式動力技術(shù)的發(fā)展，混合動力汽車、新能源汽車越來越多地出現(xiàn)在我們的日常生活中[1]。使用新能源的交通工具對于城市交通帶來的污染有一定的限制作用，但其并不能從根本上解決交通擁堵的問題[2]。在此基礎(chǔ)上，飛行器設(shè)計師們考慮利用城市空間中垂直方向的空域，在城市通勤工具設(shè)計中引入可“飛行”元素，讓汽車也可以“飛”起來，從而從根本上拓展城市交通的模式，解決交通擁堵問題[3]。在城市中，由于起降空間受限，空中通勤工具一般需要采用垂直起降的工作模式。作為最成熟的垂直起降飛行器，直升飛機在多年來一直是城市飛行器的唯一解決方案[4]。直升飛機依靠旋翼高速旋轉(zhuǎn)提供升力，解決了起降場地的問題[5]。但大尺寸旋翼一方面耗能過高，導(dǎo)致了極大的能源消耗，使得直升機的載荷航程受限；另一方面尺寸過大，導(dǎo)致飛行器的飛行速度和通過性均較低[6]。另外就是裸露旋翼同時會產(chǎn)生巨大的噪音污染，對沿途各地都會有影響。本文希望能設(shè)計一種可收縮機翼垂直起降飛行汽車來解決上述問題，因其同時擁有陸空兩種行駛方式，所以起名為“陸翔寶”。該飛行汽車整體布局將采用垂直起降與水平飛行相結(jié)合，通過傾轉(zhuǎn)動力和可伸縮機翼的設(shè)計來解決傳統(tǒng)固定翼飛機起降場地受限和旋翼類垂直起降飛行器高耗能、低速度這對矛盾。與此同時，可收縮機翼在飛行汽車的陸地行駛狀態(tài)可以收縮折疊，從而方便地面行駛與停放。飛行器采用純電動供能以減少大氣及噪音污染。這樣的飛行汽車設(shè)計可以大大方便人們的生活。

2可收縮機翼垂直起降飛行汽車的設(shè)計

針對上述垂直起降飛行器所遇到的問題，本文提出了一種“陸翔寶”的可收縮機翼垂直起降飛行汽車設(shè)計。該飛行汽車結(jié)合了傾轉(zhuǎn)動力和可收縮機翼機構(gòu)，在具備垂直起降功能的同時大大提升了飛行器的航程。

2.1外形及總體參數(shù)設(shè)計本研究設(shè)計的可收縮機翼飛行汽車駕駛艙部分整體長約4m，寬約2m，高約1.5m。在陸行狀態(tài)下其駕駛艙部分與普通的汽車差別不大，可承載兩名乘客。同時，考慮到飛行中速度較高的問題，將其設(shè)計得更加“扁小”以減小空氣阻力。考慮到該飛行汽車對陸地行駛要求的降低，同時為了降低折疊高度、減輕重量，在設(shè)計中適當減小了車輪胎的尺寸。同時對汽車駕駛艙頂部進行加厚，以便于與固定翼相連接，具體設(shè)計如圖1所示。該飛行汽車的機翼部分通過機翼轉(zhuǎn)軸與駕駛艙頂部相連接，整體飛行器構(gòu)型接近于上單翼布局。機翼內(nèi)翼段在汽車狀態(tài)下可以沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動至于駕駛艙平行，從而減小飛行汽車的橫向尺寸，提高通過性。在機翼靠近翼根處，橫向貼近駕駛艙外側(cè)的左右兩邊各預(yù)留出兩個直徑約1.5m的圓形缺口用于安裝可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳。涵道螺旋槳沿飛行器橫軸安裝在兩個可傾轉(zhuǎn)軸承上，使得該傾轉(zhuǎn)螺旋槳可以沿飛行器橫軸實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)。固定機翼的內(nèi)翼翼尖部分弦長大于為1.5m，左右外側(cè)分別安裝可收縮的外翼段。可收縮的外翼段由6段嵌套模塊構(gòu)成，模塊與模塊之間通過卡槽連接，模塊為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有翼肋和翼梁作用固定與支撐。翼肋的形狀為片狀，在收縮后可以疊在一起空間占據(jù)并不大，由舵機驅(qū)動完成收縮和伸長。

2.2“陸翔寶”飛行狀態(tài)及操控過程（1）汽車狀態(tài)。飛行器在起飛前將機翼沿機翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至于駕駛艙平行，此時該飛行汽車橫向?qū)挾却蠹s為2m，通過性與普通汽車相近。（2）起飛。此時機翼通過機翼轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)至飛行狀態(tài)，因其特殊的布局起飛方式可分為兩種：①垂直起飛：外翼段可收縮也可伸出，但一般情況下為收縮狀態(tài)。此時涵道螺旋槳動力方向向下，當達到一定功率后，產(chǎn)生足夠大的升力可以使飛行器垂直升高。隨后進行空中狀態(tài)變化，垂直起飛后，需進行向水平巡航狀態(tài)的狀態(tài)改變。此時外翼段完全展開，螺旋槳動力豎直向下緩慢向后偏轉(zhuǎn)一定角度，產(chǎn)生水平向前的推進力，使飛行器逐漸獲得水平方向的速度，機翼上升力逐漸增加。當飛行器達到一定速度時可加大偏轉(zhuǎn)角度，最終逐漸達到動力完全水平，完成狀態(tài)切換。②滑翔起飛。此狀態(tài)適合于在比較空曠環(huán)境下使用。首先將機翼水平放置，外翼段完全展開，涵道螺旋槳動力向后，先在通過地面行駛進行加速，達到一定速度后，逐漸切換為螺旋槳提供動力，隨后依靠抬升迎角產(chǎn)生足夠的升力起飛，類似于普通飛機的起飛過程，在此不再進行過多介紹。（3）空中巡航狀態(tài)。空中飛行高速巡航中函道螺旋槳水平向后提供動力，同時外翼段展開來保證升力。但考慮到城市內(nèi)飛行的安全性，可以將涵道螺旋槳不完全水平，使飛行器水平速度不過高，同時又螺旋槳向下分動力輔助提供升力，實現(xiàn)低速飛行。俯仰轉(zhuǎn)向，翻滾等均可通過涵道螺旋槳的傾轉(zhuǎn)差動靈活調(diào)節(jié)來實現(xiàn)（4）降落。與起飛狀態(tài)類似，該飛行汽車在降落階段也可以根據(jù)不同地形采取兩種降落形式。①垂直降落：將涵道螺旋槳由同垂直起飛一樣有水平調(diào)到豎直并適當改變動力，隨后飛行器減速，升力主要轉(zhuǎn)變由螺旋槳提供。②滑翔降落：飛行器逐漸減速下降，地面行駛系統(tǒng)開啟，因飛行器無舵面，可以選擇將涵道螺旋槳向下提供輔助升力，完成降落。

2.3飛行汽車飛行狀態(tài)航時估算本飛行器設(shè)計最大起飛質(zhì)量600kg，選取飛行器結(jié)構(gòu)總量系數(shù)為0.4，則其飛行器結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量大約為240kg。需要保證200kg有效載荷，電池包質(zhì)量160kg。設(shè)計最大巡航時間不小于4h。估算航程：由于該飛行汽車采用了可收放外翼段結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高機翼的整體展弦比。該飛行器的展弦比最大可達10以上。因此，根據(jù)飛行器總體設(shè)計原理，該飛行器的巡航升阻不小于10。據(jù)此，我們可以估算出該飛行汽車在巡航狀態(tài)下的阻力大約為60kg。本設(shè)計中采用的涵道螺旋槳在巡航狀態(tài)下的總推力也必須不能小于60kg。根據(jù)資料，目前的涵道螺旋槳在巡航時候力效大約為16g/W，也就意味著該飛行汽車在巡航狀態(tài)下所需的功率是3.75kW。而在垂直起降階段的大功率狀態(tài)下，涵道螺旋槳一般力效較低，大約為6g/W，而垂直起降狀態(tài)需要提供的升力為600kg。所以在垂直起降階段飛行汽車所需的功率大約為100kW。垂直起飛降落過程各耗時1min。本研究設(shè)計的飛行汽車采用鋰離子電池供電，能量密度大約為150Wh/kg。整體電路及電動機傳輸效率大約為80%，因此可以估算飛行器航程大約為：t=（160kg×0.15kW•h/kg-100kW×2/60h÷0.8）÷3.75kW×0.8≈4.6h

3“陸翔寶”飛行汽車關(guān)鍵設(shè)計

3.1關(guān)鍵設(shè)計1：可伸縮機翼原因：在飛行時，飛行器需要足夠面積的機翼來提供升力，但在地面行駛狀態(tài)或垂起階段并不需要。過大的機翼會占據(jù)大量的空間，在地面行駛與停放中十分不便。機翼的折疊可以一定程度上減小空間，但仍然難以滿足私家車的停放與路面行駛的要求，于是將其設(shè)計成了可以伸縮狀的機翼。技術(shù)：由于翼根部分需安裝涵道螺旋槳，因此機翼會有很大的寬度與厚度。而飛行器機翼理應(yīng)為比較薄且展弦比較大，于是在與外翼段中會有過渡，恰可以利用這些點過渡中機翼寬度與厚度的漸變進行設(shè)計。機翼結(jié)構(gòu)為中空的，內(nèi)部有翼肋和翼梁作用固定與支撐。翼肋的形狀為片狀，在收縮后可以疊在一起空間占據(jù)并不大，因此可輕易完成收縮，但翼梁的形狀為條形普通的根本無法進行收縮，因此對其進行了一定的改造，將其改造成同樣可以分節(jié)收縮的形成，類似于魚桿。在翼梁中空中加入收縮彈簧與伸長舵機。因飛行器在飛行時無較大受力，采用小型舵機即可完成。但收縮機翼與層間會有大小的變化，因此完全展開的機翼上會有一些類似于臺階狀的結(jié)構(gòu)，會對機翼上的氣流產(chǎn)生一些干擾。但由于在飛行時氣流基本為水平方向，所以在不太高速的飛行狀態(tài)下并不會產(chǎn)生太大影響。而身為普通家庭適應(yīng)的“陸翔寶”的設(shè)計時速并不高，約為83.3m/s，所以并不用擔(dān)心。為方便翼根折疊與人員的出入，機翼安裝在駕駛艙頂部。翼根部弦長很大，為涵道螺旋槳提供空間，同時也可在水平飛行時提供一定升力。涵道螺旋槳采用涵道包圍，選取了較大直徑（1.5m）低轉(zhuǎn)速的形式，可以有放地降低噪音并提高效率，提高巡航里程。同時安裝有舵機可使涵道螺旋槳進行俯仰角度變化，在垂直起降時動力向下，在正常巡航中提供水平動力也可在低速飛行中靈活選取角度。在飛行時也可以通過兩側(cè)動力大小與角度來完成。機翼在水平放置時整體寬度仍較大，在空間受限時仍較麻煩，于是將機翼與機身通過一個可以轉(zhuǎn)動的機翼轉(zhuǎn)軸連接。在汽車狀態(tài)下，機翼與機身旋轉(zhuǎn)至平行狀態(tài)，最大限度地減小橫向尺寸。

3.2關(guān)鍵設(shè)計2：可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳動力系統(tǒng)原因：為了滿足在城市內(nèi)因空間不足而對垂直起降的需要和在水平飛行對水平動力的需要，解決飛行中能量消耗過大的問題，同時不因噪聲過大而產(chǎn)生污染，在翼根部分加入了可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳。特點：（1）該涵道螺旋槳位于機身頂部的電動機提供動力為增大效率而選取了較少的槳葉同時滿足滿載時的600kg機身的垂起要求，其直徑約1.5m（水平飛行時也可滿足）。（2）因該飛行汽車在垂直起降和水平飛行這兩種狀態(tài)時所需的動力方向不一樣，需要將動力方向進行調(diào)整，于是在涵道螺旋槳兩側(cè)沿機翼展向安裝轉(zhuǎn)軸固定，并由舵機驅(qū)動調(diào)節(jié)不同狀態(tài)下的動力方向。與此同時，還可以在飛行時通過調(diào)節(jié)兩側(cè)的動力大小或傾轉(zhuǎn)方向的差動來進行飛行器的偏航和滾轉(zhuǎn)運動。（3）機翼水平放置進使行整體寬度過大，所以將機翼整體設(shè)計為了可轉(zhuǎn)動形式。該飛行汽車的機翼部分通過機翼轉(zhuǎn)軸與駕駛艙頂部相連接，機翼內(nèi)翼段在汽車狀態(tài)下可以沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動至于駕駛艙平行，從而減小飛行汽車的橫向尺寸，提高通過性。

3.3關(guān)鍵設(shè)計3：能源系統(tǒng)該垂直起降飛行汽車的能源系統(tǒng)采用高性能鋰電池供電。該設(shè)計可以有效的減少因化石燃料燃燒而產(chǎn)生的大氣污染，同時也減少了大功率內(nèi)燃機的噪音。選用高能量密度電池與高效率的電動機，使得飛行器的總體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較低，其中飛行器結(jié)構(gòu)重量大約為240kg，電池包重量大約為160kg，保證了巡航時間不小于4h。

4結(jié)論

城市交通資源有限，空中通勤工具已經(jīng)成為未來交通的解決方案。無論是直升機還是固定翼飛機，均存在各自不足之處。本研究設(shè)計了一種可收縮機翼垂直起降飛行汽車來解決上述問題，因其同時擁有陸空兩種行駛方式。該飛行汽車整體布局將采用垂直起降與水平飛行相結(jié)合，通過傾轉(zhuǎn)動力和可伸縮機翼的設(shè)計來解決傳統(tǒng)固定翼飛機起降場地受限和旋翼類垂直起降飛行器高耗能、低速度這對矛盾，實現(xiàn)了300km/h的較高速度飛行以及不小于4h的巡航時間。與此同時，可收縮機翼在飛行汽車的陸地行駛狀態(tài)可以收縮折疊，從而方便地面行駛與停放。飛行器采用純電動供能以減少大氣及噪音污染。這樣的飛行汽車設(shè)計可以大大方便人們的生活。

參考文獻

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作者：郭紹賢 單位：濟寧孔子國際學(xué)校