611未來飛行器設(shè)計作品“扶鰩號” 城市飛行器.docx

“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)動矢量旋翼，并與固定機(jī)翼相結(jié)合，飛行器機(jī)動性、靈活性良好，采用綠色環(huán)保無污染電能驅(qū)動，合理使用新型材料，內(nèi)部設(shè)計體現(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)計背景1.1 背景介紹城市中高層建筑林立，道路縱橫交錯，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，同時要求污染小，噪聲小，安全性機(jī)動性良好，滿足人們?nèi)粘３鲂械男枨?。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)動提供力和力矩特點(diǎn)，同時“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，同時解決了普通的旋翼飛行器方向控制復(fù)雜，提供升力有限的問題?！胺鲻帯碧柕男韯?chuàng)新性的設(shè)計了矢量性旋翼，實(shí)現(xiàn)旋翼的全方位轉(zhuǎn)動、傾斜，提供各個方向的力和力矩，通過兩個旋翼不同狀態(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，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2.1 飛行原理 “扶鰩”號主要是由旋翼作為飛行空氣舉升動力部件和飛行動力推動裝置的航空飛行器，“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，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，這個過程將會在十幾秒內(nèi)完成。在這個過程中，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，從而使得飛行器的固定翼在其翼形氣體動力的作用下產(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偏向于偏航方向，同時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，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，然后令旋翼法向逐漸完全垂直于水平面，此時速度恰好為零。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 氣動布局“扶鰩”號的固定翼設(shè)計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)計的鰩式機(jī)翼將可以在空中飛行時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，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)計過程中簡圖如圖3。圖32.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計的弧形滑軌中，同時設(shè)計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)動和沿固定翼上的滑軌滑動，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。2.2.2.2 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，還可在矢量旋翼的配合下實(shí)現(xiàn)短距離低速移動，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 動力系統(tǒng) 城市飛行器設(shè)計使用環(huán)境為城市，計劃采用電能驅(qū)動。采用蓄電池，使用兩個電動機(jī)帶動旋翼的轉(zhuǎn)動。使用電力驅(qū)動，清潔環(huán)保噪聲小，適合城市環(huán)境。同時可以考慮采用設(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)機(jī)身長度/m2.6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/rad/4寬度/m0.25長度/m0.5動力參數(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巡航時間/h12實(shí)用巡航高度/m950升限/m3000飛機(jī)最大平飛速度367.2 km/h，同時保證了對高速的需求和使用時候的安全性；巡航時間、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，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)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料，有效提高了飛機(jī)的機(jī)動性能、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，采用自動飛行控制系統(tǒng)，在起降等階段需要一些簡單的手動操作。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)的程序自動計算旋翼應(yīng)處的狀態(tài)，實(shí)時調(diào)控旋翼的方向和轉(zhuǎn)速，自動校準(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，采用兩套電傳操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，同時保留人工控制系統(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，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)計飛行器的安全保障系統(tǒng)，首先，要通過設(shè)計中的一些結(jié)構(gòu)、控制等，例如機(jī)翼、旋翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，操縱系統(tǒng)的設(shè)計，來提高整個系統(tǒng)的可靠性；另外，要設(shè)計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，系統(tǒng)可自動緊急啟動安全保護(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)動性更加良好，更加適合城市復(fù)雜的環(huán)境。4 設(shè)計總結(jié)與發(fā)展展望“扶鰩”號矢量旋翼城市飛行器設(shè)計過程中，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