收缩机翼垂直起降飞行汽车研究范文

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【摘要】本文基于对垂直起降飞行器及固定翼飞行器的研究，设计并探讨了一种能供普通家庭在城市内使用的陆空两用飞行器构想。给出了该新型城市通勤的总体外形设计及基本参数估算参数，分析了包括可伸缩机翼、可倾转涵道螺旋桨动力系统、能源系统在内的三项关键技术设计方案，并对该飞行器常规使用过程进行了描述。通过研究我们认为，该城市通勤概念出现将改变人们传统的出行模式，大大减缓了城市内交通拥挤、尾气污染严重等状况，为我国城市居民出行及环境保护作出重大贡献。

【关键词】垂直起降；陆空两栖；可折叠机翼；城市通勤

1研究背景

随着近年来新材料技术和混合式动力技术的发展，混合动力汽车、新能源汽车越来越多地出现在我们的日常生活中[1]。使用新能源的交通工具对于城市交通带来的污染有一定的限制作用，但其并不能从根本上解决交通拥堵的问题[2]。在此基础上，飞行器设计师们考虑利用城市空间中垂直方向的空域，在城市通勤工具设计中引入可“飞行”元素，让汽车也可以“飞”起来，从而从根本上拓展城市交通的模式，解决交通拥堵问题[3]。在城市中，由于起降空间受限，空中通勤工具一般需要采用垂直起降的工作模式。作为最成熟的垂直起降飞行器，直升飞机在多年来一直是城市飞行器的唯一解决方案[4]。直升飞机依靠旋翼高速旋转提供升力，解决了起降场地的问题[5]。但大尺寸旋翼一方面耗能过高，导致了极大的能源消耗，使得直升机的载荷航程受限；另一方面尺寸过大，导致飞行器的飞行速度和通过性均较低[6]。另外就是裸露旋翼同时会产生巨大的噪音污染，对沿途各地都会有影响。本文希望能设计一种可收缩机翼垂直起降飞行汽车来解决上述问题，因其同时拥有陆空两种行驶方式，所以起名为“陆翔宝”。该飞行汽车整体布局将采用垂直起降与水平飞行相结合，通过倾转动力和可伸缩机翼的设计来解决传统固定翼飞机起降场地受限和旋翼类垂直起降飞行器高耗能、低速度这对矛盾。与此同时，可收缩机翼在飞行汽车的陆地行驶状态可以收缩折叠，从而方便地面行驶与停放。飞行器采用纯电动供能以减少大气及噪音污染。这样的飞行汽车设计可以大大方便人们的生活。

2可收缩机翼垂直起降飞行汽车的设计

针对上述垂直起降飞行器所遇到的问题，本文提出了一种“陆翔宝”的可收缩机翼垂直起降飞行汽车设计。该飞行汽车结合了倾转动力和可收缩机翼机构，在具备垂直起降功能的同时大大提升了飞行器的航程。

2.1外形及总体参数设计本研究设计的可收缩机翼飞行汽车驾驶舱部分整体长约4m，宽约2m，高约1.5m。在陆行状态下其驾驶舱部分与普通的汽车差别不大，可承载两名乘客。同时，考虑到飞行中速度较高的问题，将其设计得更加“扁小”以减小空气阻力。考虑到该飞行汽车对陆地行驶要求的降低，同时为了降低折叠高度、减轻重量，在设计中适当减小了车轮胎的尺寸。同时对汽车驾驶舱顶部进行加厚，以便于与固定翼相连接，具体设计如图1所示。该飞行汽车的机翼部分通过机翼转轴与驾驶舱顶部相连接，整体飞行器构型接近于上单翼布局。机翼内翼段在汽车状态下可以沿转轴转动至于驾驶舱平行，从而减小飞行汽车的横向尺寸，提高通过性。在机翼靠近翼根处，横向贴近驾驶舱外侧的左右两边各预留出两个直径约1.5m的圆形缺口用于安装可倾转涵道螺旋桨。涵道螺旋桨沿飞行器横轴安装在两个可倾转轴承上，使得该倾转螺旋桨可以沿飞行器横轴实现180°旋转。固定机翼的内翼翼尖部分弦长大于为1.5m，左右外侧分别安装可收缩的外翼段。可收缩的外翼段由6段嵌套模块构成，模块与模块之间通过卡槽连接，模块为中空结构，内部有翼肋和翼梁作用固定与支撑。翼肋的形状为片状，在收缩后可以叠在一起空间占据并不大，由舵机驱动完成收缩和伸长。

2.2“陆翔宝”飞行状态及操控过程（1）汽车状态。飞行器在起飞前将机翼沿机翼转轴旋转至于驾驶舱平行，此时该飞行汽车横向宽度大约为2m，通过性与普通汽车相近。（2）起飞。此时机翼通过机翼转轴转至飞行状态，因其特殊的布局起飞方式可分为两种：①垂直起飞：外翼段可收缩也可伸出，但一般情况下为收缩状态。此时涵道螺旋桨动力方向向下，当达到一定功率后，产生足够大的升力可以使飞行器垂直升高。随后进行空中状态变化，垂直起飞后，需进行向水平巡航状态的状态改变。此时外翼段完全展开，螺旋桨动力竖直向下缓慢向后偏转一定角度，产生水平向前的推进力，使飞行器逐渐获得水平方向的速度，机翼上升力逐渐增加。当飞行器达到一定速度时可加大偏转角度，最终逐渐达到动力完全水平，完成状态切换。②滑翔起飞。此状态适合于在比较空旷环境下使用。首先将机翼水平放置，外翼段完全展开，涵道螺旋桨动力向后，先在通过地面行驶进行加速，达到一定速度后，逐渐切换为螺旋桨提供动力，随后依靠抬升迎角产生足够的升力起飞，类似于普通飞机的起飞过程，在此不再进行过多介绍。（3）空中巡航状态。空中飞行高速巡航中函道螺旋桨水平向后提供动力，同时外翼段展开来保证升力。但考虑到城市内飞行的安全性，可以将涵道螺旋桨不完全水平，使飞行器水平速度不过高，同时又螺旋桨向下分动力辅助提供升力，实现低速飞行。俯仰转向，翻滚等均可通过涵道螺旋桨的倾转差动灵活调节来实现（4）降落。与起飞状态类似，该飞行汽车在降落阶段也可以根据不同地形采取两种降落形式。①垂直降落：将涵道螺旋桨由同垂直起飞一样有水平调到竖直并适当改变动力，随后飞行器减速，升力主要转变由螺旋桨提供。②滑翔降落：飞行器逐渐减速下降，地面行驶系统开启，因飞行器无舵面，可以选择将涵道螺旋桨向下提供辅助升力，完成降落。

2.3飞行汽车飞行状态航时估算本飞行器设计最大起飞质量600kg，选取飞行器结构总量系数为0.4，则其飞行器结构部分质量大约为240kg。需要保证200kg有效载荷，电池包质量160kg。设计最大巡航时间不小于4h。估算航程：由于该飞行汽车采用了可收放外翼段结构设计来提高机翼的整体展弦比。该飞行器的展弦比最大可达10以上。因此，根据飞行器总体设计原理，该飞行器的巡航升阻不小于10。据此，我们可以估算出该飞行汽车在巡航状态下的阻力大约为60kg。本设计中采用的涵道螺旋桨在巡航状态下的总推力也必须不能小于60kg。根据资料，目前的涵道螺旋桨在巡航时候力效大约为16g/W，也就意味着该飞行汽车在巡航状态下所需的功率是3.75kW。而在垂直起降阶段的大功率状态下，涵道螺旋桨一般力效较低，大约为6g/W，而垂直起降状态需要提供的升力为600kg。所以在垂直起降阶段飞行汽车所需的功率大约为100kW。垂直起飞降落过程各耗时1min。本研究设计的飞行汽车采用锂离子电池供电，能量密度大约为150Wh/kg。整体电路及电动机传输效率大约为80%，因此可以估算飞行器航程大约为：t=（160kg×0.15kW•h/kg-100kW×2/60h÷0.8）÷3.75kW×0.8≈4.6h

3“陆翔宝”飞行汽车关键设计

3.1关键设计1：可伸缩机翼原因：在飞行时，飞行器需要足够面积的机翼来提供升力，但在地面行驶状态或垂起阶段并不需要。过大的机翼会占据大量的空间，在地面行驶与停放中十分不便。机翼的折叠可以一定程度上减小空间，但仍然难以满足私家车的停放与路面行驶的要求，于是将其设计成了可以伸缩状的机翼。技术：由于翼根部分需安装涵道螺旋桨，因此机翼会有很大的宽度与厚度。而飞行器机翼理应为比较薄且展弦比较大，于是在与外翼段中会有过渡，恰可以利用这些点过渡中机翼宽度与厚度的渐变进行设计。机翼结构为中空的，内部有翼肋和翼梁作用固定与支撑。翼肋的形状为片状，在收缩后可以叠在一起空间占据并不大，因此可轻易完成收缩，但翼梁的形状为条形普通的根本无法进行收缩，因此对其进行了一定的改造，将其改造成同样可以分节收缩的形成，类似于鱼杆。在翼梁中空中加入收缩弹簧与伸长舵机。因飞行器在飞行时无较大受力，采用小型舵机即可完成。但收缩机翼与层间会有大小的变化，因此完全展开的机翼上会有一些类似于台阶状的结构，会对机翼上的气流产生一些干扰。但由于在飞行时气流基本为水平方向，所以在不太高速的飞行状态下并不会产生太大影响。而身为普通家庭适应的“陆翔宝”的设计时速并不高，约为83.3m/s，所以并不用担心。为方便翼根折叠与人员的出入，机翼安装在驾驶舱顶部。翼根部弦长很大，为涵道螺旋桨提供空间，同时也可在水平飞行时提供一定升力。涵道螺旋桨采用涵道包围，选取了较大直径（1.5m）低转速的形式，可以有放地降低噪音并提高效率，提高巡航里程。同时安装有舵机可使涵道螺旋桨进行俯仰角度变化，在垂直起降时动力向下，在正常巡航中提供水平动力也可在低速飞行中灵活选取角度。在飞行时也可以通过两侧动力大小与角度来完成。机翼在水平放置时整体宽度仍较大，在空间受限时仍较麻烦，于是将机翼与机身通过一个可以转动的机翼转轴连接。在汽车状态下，机翼与机身旋转至平行状态，最大限度地减小横向尺寸。

3.2关键设计2：可倾转涵道螺旋桨动力系统原因：为了满足在城市内因空间不足而对垂直起降的需要和在水平飞行对水平动力的需要，解决飞行中能量消耗过大的问题，同时不因噪声过大而产生污染，在翼根部分加入了可倾转涵道螺旋桨。特点：（1）该涵道螺旋桨位于机身顶部的电动机提供动力为增大效率而选取了较少的桨叶同时满足满载时的600kg机身的垂起要求，其直径约1.5m（水平飞行时也可满足）。（2）因该飞行汽车在垂直起降和水平飞行这两种状态时所需的动力方向不一样，需要将动力方向进行调整，于是在涵道螺旋桨两侧沿机翼展向安装转轴固定，并由舵机驱动调节不同状态下的动力方向。与此同时，还可以在飞行时通过调节两侧的动力大小或倾转方向的差动来进行飞行器的偏航和滚转运动。（3）机翼水平放置进使行整体宽度过大，所以将机翼整体设计为了可转动形式。该飞行汽车的机翼部分通过机翼转轴与驾驶舱顶部相连接，机翼内翼段在汽车状态下可以沿转轴转动至于驾驶舱平行，从而减小飞行汽车的横向尺寸，提高通过性。

3.3关键设计3：能源系统该垂直起降飞行汽车的能源系统采用高性能锂电池供电。该设计可以有效的减少因化石燃料燃烧而产生的大气污染，同时也减少了大功率内燃机的噪音。选用高能量密度电池与高效率的电动机，使得飞行器的总体结构质量较低，其中飞行器结构重量大约为240kg，电池包重量大约为160kg，保证了巡航时间不小于4h。

4结论

城市交通资源有限，空中通勤工具已经成为未来交通的解决方案。无论是直升机还是固定翼飞机，均存在各自不足之处。本研究设计了一种可收缩机翼垂直起降飞行汽车来解决上述问题，因其同时拥有陆空两种行驶方式。该飞行汽车整体布局将采用垂直起降与水平飞行相结合，通过倾转动力和可伸缩机翼的设计来解决传统固定翼飞机起降场地受限和旋翼类垂直起降飞行器高耗能、低速度这对矛盾，实现了300km/h的较高速度飞行以及不小于4h的巡航时间。与此同时，可收缩机翼在飞行汽车的陆地行驶状态可以收缩折叠，从而方便地面行驶与停放。飞行器采用纯电动供能以减少大气及噪音污染。这样的飞行汽车设计可以大大方便人们的生活。

参考文献

[1]杨俊刚.飞行汽车伸缩翼设计与研究[D].南昌航空大学，2017.

[2]朱保利，程磊，吴恢鹏.飞行汽车概念设计与气动特性分析[J].机械工程师，2014（05）：87~89.

[3]贾小平，邢旺，于魁龙，樊石光.陆空两用飞行汽车升力系统设计与分析[J].机械研究与应用，2013，26（04）：116~118.

[4]徐孝武，张炜.折叠机翼变体飞机的动力学建模与分析[J].西北工业大学学报，2012，30（05）：681~688.

[5]金鼎，张炜，艾俊强.折叠机翼变体飞机纵向操纵性与稳定性研究[J].飞行力学，2011，29（01）：5~8+12.

[6]桑为民，陈年旭.变体飞机的研究进展及其关键技术[J].飞行力学，2009，27（06）：5~9.

作者：郭绍贤 单位：济宁孔子国际学校