收縮機(jī)翼垂直起降飛行汽車研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了收縮機(jī)翼垂直起降飛行汽車研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

【摘要】本文基于對(duì)垂直起降飛行器及固定翼飛行器的研究，設(shè)計(jì)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(jì)及基本參數(shù)估算參數(shù)，分析了包括可伸縮機(jī)翼、可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)、能源系統(tǒng)在內(nèi)的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該飛行器常規(guī)使用過(guò)程進(jìn)行了描述。通過(guò)研究我們認(rèn)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(yán)重等狀況，為我國(guó)城市居民出行及環(huán)境保護(hù)作出重大貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】垂直起降；陸空兩棲；可折疊機(jī)翼；城市通勤

1研究背景

隨著近年來(lái)新材料技術(shù)和混合式動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力汽車、新能源汽車越來(lái)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(duì)于城市交通帶來(lái)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(wèn)題[2]。在此基礎(chǔ)上，飛行器設(shè)計(jì)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(jì)中引入可“飛行”元素，讓汽車也可以“飛”起來(lái)，從而從根本上拓展城市交通的模式，解決交通擁堵問(wèn)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(jī)在多年來(lái)一直是城市飛行器的唯一解決方案[4]。直升飛機(jī)依靠旋翼高速旋轉(zhuǎn)提供升力，解決了起降場(chǎng)地的問(wèn)題[5]。但大尺寸旋翼一方面耗能過(guò)高，導(dǎo)致了極大的能源消耗，使得直升機(jī)的載荷航程受限；另一方面尺寸過(guò)大，導(dǎo)致飛行器的飛行速度和通過(guò)性均較低[6]。另外就是裸露旋翼同時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的噪音污染，對(duì)沿途各地都會(huì)有影響。本文希望能設(shè)計(jì)一種可收縮機(jī)翼垂直起降飛行汽車來(lái)解決上述問(wèn)題，因其同時(shí)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(guò)傾轉(zhuǎn)動(dòng)力和可伸縮機(jī)翼的設(shè)計(jì)來(lái)解決傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)起降場(chǎng)地受限和旋翼類垂直起降飛行器高耗能、低速度這對(duì)矛盾。與此同時(shí)，可收縮機(jī)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(dòng)供能以減少大氣及噪音污染。這樣的飛行汽車設(shè)計(jì)可以大大方便人們的生活。

2可收縮機(jī)翼垂直起降飛行汽車的設(shè)計(jì)

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

2.1外形及總體參數(shù)設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的可收縮機(jī)翼飛行汽車駕駛艙部分整體長(zhǎng)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(shí)，考慮到飛行中速度較高的問(wèn)題，將其設(shè)計(jì)得更加“扁小”以減小空氣阻力?？紤]到該飛行汽車對(duì)陸地行駛要求的降低，同時(shí)為了降低折疊高度、減輕重量，在設(shè)計(jì)中適當(dāng)減小了車輪胎的尺寸。同時(shí)對(duì)汽車駕駛艙頂部進(jìn)行加厚，以便于與固定翼相連接，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。該飛行汽車的機(jī)翼部分通過(guò)機(jī)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(jī)翼內(nèi)翼段在汽車狀態(tài)下可以沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至于駕駛艙平行，從而減小飛行汽車的橫向尺寸，提高通過(guò)性。在機(jī)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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)。固定機(jī)翼的內(nèi)翼翼尖部分弦長(zhǎng)大于為1.5m，左右外側(cè)分別安裝可收縮的外翼段?？墒湛s的外翼段由6段嵌套模塊構(gòu)成，模塊與模塊之間通過(guò)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(jī)驅(qū)動(dòng)完成收縮和伸長(zhǎng)。

2.2“陸翔寶”飛行狀態(tài)及操控過(guò)程（1）汽車狀態(tài)。飛行器在起飛前將機(jī)翼沿機(jī)翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至于駕駛艙平行，此時(shí)該飛行汽車橫向?qū)挾却蠹s為2m，通過(guò)性與普通汽車相近。（2）起飛。此時(shí)機(jī)翼通過(guò)機(jī)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(shí)涵道螺旋槳?jiǎng)恿Ψ较蛳蛳?，?dāng)達(dá)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(jìn)行空中狀態(tài)變化，垂直起飛后，需進(jìn)行向水平巡航狀態(tài)的狀態(tài)改變。此時(shí)外翼段完全展開(kāi)，螺旋槳?jiǎng)恿ωQ直向下緩慢向后偏轉(zhuǎn)一定角度，產(chǎn)生水平向前的推進(jìn)力，使飛行器逐漸獲得水平方向的速度，機(jī)翼上升力逐漸增加。當(dāng)飛行器達(dá)到一定速度時(shí)可加大偏轉(zhuǎn)角度，最終逐漸達(dá)到動(dòng)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(jī)翼水平放置，外翼段完全展開(kāi)，涵道螺旋槳?jiǎng)恿ο蚝螅仍谕ㄟ^(guò)地面行駛進(jìn)行加速，達(dá)到一定速度后，逐漸切換為螺旋槳提供動(dòng)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(jī)的起飛過(guò)程，在此不再進(jìn)行過(guò)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(dòng)力，同時(shí)外翼段展開(kāi)來(lái)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(guò)高，同時(shí)又螺旋槳向下分動(dòng)力輔助提供升力，實(shí)現(xiàn)低速飛行。俯仰轉(zhuǎn)向，翻滾等均可通過(guò)涵道螺旋槳的傾轉(zhuǎn)差動(dòng)靈活調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)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(dāng)改變動(dòng)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(kāi)啟，因飛行器無(wú)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(shí)估算本飛行器設(shè)計(jì)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(jì)最大巡航時(shí)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(jì)來(lái)提高機(jī)翼的整體展弦比。該飛行器的展弦比最大可達(dá)10以上。因此，根據(jù)飛行器總體設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(guò)程各耗時(shí)1min。本研究設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(jì)

3.1關(guān)鍵設(shè)計(jì)1：可伸縮機(jī)翼原因：在飛行時(shí)，飛行器需要足夠面積的機(jī)翼來(lái)提供升力，但在地面行駛狀態(tài)或垂起階段并不需要。過(guò)大的機(jī)翼會(huì)占據(jù)大量的空間，在地面行駛與停放中十分不便。機(jī)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(jì)成了可以伸縮狀的機(jī)翼。技術(shù)：由于翼根部分需安裝涵道螺旋槳，因此機(jī)翼會(huì)有很大的寬度與厚度。而飛行器機(jī)翼理應(yīng)為比較薄且展弦比較大，于是在與外翼段中會(huì)有過(guò)渡，恰可以利用這些點(diǎn)過(guò)渡中機(jī)翼寬度與厚度的漸變進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)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(wú)法進(jìn)行收縮，因此對(duì)其進(jìn)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(yú)桿。在翼梁中空中加入收縮彈簧與伸長(zhǎng)舵機(jī)。因飛行器在飛行時(shí)無(wú)較大受力，采用小型舵機(jī)即可完成。但收縮機(jī)翼與層間會(huì)有大小的變化，因此完全展開(kāi)的機(jī)翼上會(huì)有一些類似于臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)機(jī)翼上的氣流產(chǎn)生一些干擾。但由于在飛行時(shí)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(huì)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(jì)時(shí)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(jī)翼安裝在駕駛艙頂部。翼根部弦長(zhǎng)很大，為涵道螺旋槳提供空間，同時(shí)也可在水平飛行時(shí)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(shí)安裝有舵機(jī)可使涵道螺旋槳進(jìn)行俯仰角度變化，在垂直起降時(shí)動(dòng)力向下，在正常巡航中提供水平動(dòng)力也可在低速飛行中靈活選取角度。在飛行時(shí)也可以通過(guò)兩側(cè)動(dòng)力大小與角度來(lái)完成。機(jī)翼在水平放置時(shí)整體寬度仍較大，在空間受限時(shí)仍較麻煩，于是將機(jī)翼與機(jī)身通過(guò)一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)翼轉(zhuǎn)軸連接。在汽車狀態(tài)下，機(jī)翼與機(jī)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(jì)2：可傾轉(zhuǎn)涵道螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)原因：為了滿足在城市內(nèi)因空間不足而對(duì)垂直起降的需要和在水平飛行對(duì)水平動(dòng)力的需要，解決飛行中能量消耗過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)不因噪聲過(guò)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(diǎn)：（1）該涵道螺旋槳位于機(jī)身頂部的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力為增大效率而選取了較少的槳葉同時(shí)滿足滿載時(shí)的600kg機(jī)身的垂起要求，其直徑約1.5m（水平飛行時(shí)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(shí)所需的動(dòng)力方向不一樣，需要將動(dòng)力方向進(jìn)行調(diào)整，于是在涵道螺旋槳兩側(cè)沿機(jī)翼展向安裝轉(zhuǎn)軸固定，并由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)不同狀態(tài)下的動(dòng)力方向。與此同時(shí)，還可以在飛行時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)的動(dòng)力大小或傾轉(zhuǎn)方向的差動(dòng)來(lái)進(jìn)行飛行器的偏航和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（3）機(jī)翼水平放置進(jìn)使行整體寬度過(guò)大，所以將機(jī)翼整體設(shè)計(jì)為了可轉(zhuǎn)動(dòng)形式。該飛行汽車的機(jī)翼部分通過(guò)機(jī)翼轉(zhuǎn)軸與駕駛艙頂部相連接，機(jī)翼內(nèi)翼段在汽車狀態(tài)下可以沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至于駕駛艙平行，從而減小飛行汽車的橫向尺寸，提高通過(guò)性。

3.3關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)也減少了大功率內(nèi)燃機(jī)的噪音。選用高能量密度電池與高效率的電動(dòng)機(jī)，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(shí)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(lái)交通的解決方案。無(wú)論是直升機(jī)還是固定翼飛機(jī)，均存在各自不足之處。本研究設(shè)計(jì)了一種可收縮機(jī)翼垂直起降飛行汽車來(lái)解決上述問(wèn)題，因其同時(shí)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(guò)傾轉(zhuǎn)動(dòng)力和可伸縮機(jī)翼的設(shè)計(jì)來(lái)解決傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)起降場(chǎng)地受限和旋翼類垂直起降飛行器高耗能、低速度這對(duì)矛盾，實(shí)現(xiàn)了300km/h的較高速度飛行以及不小于4h的巡航時(shí)間。與此同時(shí)，可收縮機(jī)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(dòng)供能以減少大氣及噪音污染。這樣的飛行汽車設(shè)計(jì)可以大大方便人們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1]楊俊剛.飛行汽車伸縮翼設(shè)計(jì)與研究[D].南昌航空大學(xué)，2017.

[2]朱保利，程磊，吳恢鵬.飛行汽車概念設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析[J].機(jī)械工程師，2014（05）：87~89.

[3]賈小平，邢旺，于魁龍，樊石光.陸空兩用飛行汽車升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，26（04）：116~118.

[4]徐孝武，張煒.折疊機(jī)翼變體飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模與分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（05）：681~688.

[5]金鼎，張煒，艾俊強(qiáng).折疊機(jī)翼變體飛機(jī)縱向操縱性與穩(wěn)定性研究[J].飛行力學(xué)，2011，29（01）：5~8+12.

[6]桑為民，陳年旭.變體飛機(jī)的研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].飛行力學(xué)，2009，27（06）：5~9.

作者：郭紹賢 單位：濟(jì)寧孔子國(guó)際學(xué)校