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第三届创新杯飞行器设计大赛获奖作品--“青燕”引射扑翼机

2017-11-30 21:31| 发布者: dymodel| 查看: 241| 评论: 0|原作者: 红乌鸦

摘要: 第三届创新杯飞行器设计大赛获奖作品--“青燕”引射扑翼机“青燕”引射扑翼机个人休闲型飞行器个人休闲型飞行器个人休闲型飞行器  一、引言  垂直/短距起降,多少年来,成为航空器设计的至上目标之一。直升机、 ...

第三届创新杯飞行器设计大赛获奖作品--“青燕”引射扑翼机

“青燕”引射扑翼机


个人休闲型飞行器

个人休闲型飞行器

个人休闲型飞行器

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  一、引言

  垂直/短距起降,多少年来,成为航空器设计的至上目标之一。直升机、旋翼机、垂直起降喷气式飞机等,都不失为解决这一问题的有效方法。

  然而,为了达到垂直/短距起降,它们都各自付出了一定的代价:

  常规的解决方案是直升机。直升机的旋桨系统在垂直起降时的作用相当明显,但旋桨所能提供的前飞速度极为有限,若加装喷射推进装置,则在垂直起降时又增加了相当大的无效负载。此外,普通单旋翼直升机的不对称气流特性,以及共轴式双旋翼直升机的上旋翼对下旋翼的下洗流影响等都使得直升机的设计、分析情况较为复杂。

  倾转旋翼机及鸭式翼旋翼机在垂直起降与平飞过程中都分别表现出了优良的性能,但在垂直起降悬停与平飞转换时的稳定性问题仍然没有解决。

  目前,垂直起降喷气式飞机是一种效果较好的方法,但在垂直/短距起降过程中,机翼除了稳定作用,对升力并未做出贡献。

  另一方面,扑翼机的研究已有诸多方面的成果,各国纷纷推出了试验性的扑翼机。扑翼机的最大特点就在于将升力元件与动力元件合二为一,形成独特的升力系统,在中低速、高机动情况下飞行性能良好。

  人们很早就开始了对扑翼飞行的思考。先人曾经认为,只要上下扑打翅膀,就能够腾空飞翔。而事实上,单纯的上下扑动只能实现“上下跳跃”而无法腾空,关键在于上下扑动的同时应当有适当的俯仰角度变化以及扑动频率,加之对柔性翼特殊性能的运用,如今的人类,已在微型、小型扑翼机上获得了一定成功。然而,微型、小型扑翼机虽能执行一定特殊任务,但航程很短,带负载能力也极为有限。而柔性翼在更大一些的扑翼机上显然不适用,因此需要采取一定改进措施。

  通过对鸟类飞翔的观察以及风洞、水洞试验,我们不难发现,柔性翼的关键,在于翼的前缘后缘在扑动时,后缘的运动总是滞后于前缘,使翼在上扑时,翼呈仰角向上扑动,使空气切向通过翼的上下表面,产生升力,下扑时,翼呈俯角向下扑动,扇动空气,获得升力和推力。由此可见,只要适时调整翼的俯仰,采用刚性翼与挠性翼,同样可以实现扑翼飞行。

  扑翼机的另一大困难在于起飞,由于在低速度情况下,上扑时,要使升力克服阻力,就需要将扑动频率提得很高,若应用于稍大一些的扑翼机,则需要耗费很大的功率,同时,传动系统的强度刚度也难于保证。此外,单纯扑翼提供的动力是间歇性的,在低速、较低扑动频率情况下必然造成机身波动,影响飞行平稳性。

  同时,引射喷射技术则恰恰能够弥补上述扑翼飞行的不足,并使扑翼机获得了垂直/短距起降的性能。

  基于上述思考,这里提出一种新的垂直/短距起降方案:引射扑翼机。即结合引射喷气技术与扑翼技术,采用共同的动力源,以不同的方式提供升力并相互补偿。

  二、设计说明

  “青燕”引射扑翼机是为了实现垂直/短距起降以及超机动性能而设计的一款未来飞行器,结合引射喷射与扑翼,产生升力。

  该飞行器采取上单翼,V型尾翼,短形机身,前三点式起落架的布局。无人机型全长2.5米,最大翼展7米。单座机型全长6.5米,最大翼展16米。

  动力由一台新型燃气涡轴发动机提供,驱动主翼扑动。与普通直升机所用的燃气涡轴发动机相比,加装有“换档”装置,可将压气机输出的气体直接送至喷口,达到引射喷射所需的压力,由于扑动频率低于一般直升机旋翼旋转频率,所以耗油量并不大。

  机身上共有5个引射喷口。3个主喷口位于机腹,其中两个位于重心附近的喷口可限位旋转。2个辅助喷口位于机身背部,引导流过机身上方的气流更快通过,起到增升的效果。5个喷口均可调节流量,以配合满足不同情况下的升力要求与机动要求,并增加扑翼飞行的稳定性,也使扑翼频率得以大大降低。

  由于扑动的需要,采取全动式主翼,通过挥舞铰与机身相连。挥舞铰为主翼提供上下扑动及俯仰调整两个自由度。从主轴输出的动力由扑动杠杆传递至主翼,实现扑动,下扑时间是上扑时间的两倍。扑动杠杆装有离合器与锁定装置,使主翼能在任意姿态锁定。左右主翼的俯仰分别由独立的内置控制杠杆控制。在挥舞铰内部装有限位机构,分别限定主翼在上下扑动方向及俯仰调整方向上的限位角。主翼末端可动的外翼在张开时增加升力,收起时,减小阻力,由此可控制飞行姿态并在上扑时大大减小阻力,在下扑时调整作用面。在低速飞行时,出于机动性考虑,以扑动为主要动力;而在高速巡航时,考虑到扑翼挥舞铰强度难以保证,故以喷气为主要动力,并将主翼固定,可动外翼收起。

  此外,尾部的副翼和V形全动尾翼可调整飞行器的俯仰姿态以及一部分升力特性。后起落架可根据不同的起飞条件调整起飞时机身的仰角,以达到最短起飞距离。飞行器升空后,后起落架自动收起,以减小阻力。前起落架与机身连接部分为垂直安定翼,可弥补超机动性带来的稳定性下降问题。

  在单座机型方案中,座舱位于机首部位。由于采取短形机身,机首空间较小,有时不能满足电子设备的装置。对于这种情况,可适当加长鼻尖部位以增加机首空间。载弹方面,为了尽可能减少对气流的影响,并考虑到机身空间布置,采取置于机身侧下部的分支式悬伸挂架,并且共设有4个挂载点,根据不同任务需要,挂载相应的武器与吊舱。

  根据上述结构功能特点,“青燕”引射扑翼机有如下性能特点:

  1、短距/垂直起降:

  1)短距/垂直起飞:

  调整适当的扑翼特性与引射喷射方向,实现短距起飞,在适当气流条件下可实现垂直起飞。

  2)短距/垂直降落:

  引射与扑翼相结合,实现短距降落,同样的,在适当气流条件下可实现垂直降落。

  短距/垂直起降性能使“青燕”所需的起降要求大大降低,以适应多变的战场情况与不同的应用场合。

  2、超机动性能:

  1)空中急停:

  主翼充当减速板,引射装置防止失速,便可以做到空中急停,为其它低速超机动动作做准备。

  2)俯冲:

  主翼锁定,通过副翼、尾翼与引射装置使机身下倾,外翼收起以减小阻力,随后喷口转向后方,实现俯冲。

  3)空中急转弯:

  控制左右两边的主翼、副翼、尾翼分别调整至增升与减速姿态,动力方面完全交给引射喷射装置,此时,左右不平衡的气流在机身上形成一个扭矩,使机身迅速转过一个角度,与此同时,左右两边机翼调整姿态使机身旋转制动,最终完成空中急转弯。

  4)其它:

  与任何飞行器一样,许多性能需要在飞行中逐步探索,相信“青燕”也能在实际飞行中发展出更多实用的特殊性能。

  在未来空战中,上述的各种超机动性能将使“青燕”具有很强的实时反应能力与及时躲避能力。

  作为一款可执行对地打击、空中格斗、电子战侦查、遥感、农业监控、科研实验、事故搜救等多项任务的轻型飞行器,“青燕”必将在未来的天空中大显身手。


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