611未来飞行器设计作品“扶鳐号” 城市飞行器.docx

“扶鳐”号矢量旋翼城市飞行器内容提要 “扶鳐”号矢量旋翼城市用飞行器采用了新型可全方位转动矢量旋翼，并与固定机翼相结合，飞行器机动性、灵活性良好，采用绿色环保无污染电能驱动，合理使用新型材料，内部设计体现人性化思想，适合未来城市高楼林立的发展环境。关键词 城市飞行器；矢量旋翼；固定翼1 设计背景1.1 背景介绍城市中高层建筑林立，道路纵横交错，车流拥堵异常，随着城市的进一步发展，传统交通方式必将遇到极大地问题，设计一种适于城市空间飞行的飞行器，由于建筑的密集性，要求飞行器可以垂直起降，到达指定高度后水平巡航，充分利用城市空间的各种高度层，同时要求污染小，噪声小，安全性机动性良好，满足人们日常出行的需求。在这种背景下，“扶鳐”号未来飞行器应运而生。“扶鳐”号名字来源于庄子逍遥游“抟扶摇而上者九万里，去以六月息者也”，谐音扶摇，体现了“扶鳐”号矢量旋翼可以全方位转动提供力和力矩特点，同时“扶鳐”体现了飞行器结合鳐鱼形状的固定翼，提供水平巡航飞行时升力的特点。“扶鳐”号矢量旋翼城市飞行器是一款融合旋翼机和固定翼飞机的概念性飞行器，是一种具有垂直起降和悬停，水平巡航等多种飞行模式的新型未来城市交通工具，外形简单紧凑，结构设计可靠灵活，飞行稳定安全可靠，解决了固定翼飞行器体积结构较大，起飞距离较大，无法在狭小空间起飞，无法完成灵活空中操作等问题，同时解决了普通的旋翼飞行器方向控制复杂，提供升力有限的问题。“扶鳐”号的旋翼创新性的设计了矢量性旋翼，实现旋翼的全方位转动、倾斜，提供各个方向的力和力矩，通过两个旋翼不同状态的配合，加之与固定翼的合理配合，有效增强飞行器的机动性和适应环境的能力。1.2 适用环境根据“扶鳐”号飞行器的设计特点，其适用环境广泛，特别是在未来城市环境中，可以在城市街道，小型停车场甚至于楼顶等多种活动场所实现其起降，在城市中离地950m左右的高度实现水平巡航，安全性高，噪声小，可以实现在居民区，人员密集场所运行。其航程远、载重量大，升限达到3000米，在中长途飞行时，可以在2500米左右的高度层水平巡航飞行，满足中长途旅行、货运的需求。2 飞行器的设计2.1 飞行原理 “扶鳐”号主要是由旋翼作为飞行空气举升动力部件和飞行动力推动装置的航空飞行器，“扶鳐”号的起飞并不是和传统固定翼飞行器一样，需要一定长度的跑道助跑达到起飞速度，而是将旋翼与固定翼结合在一起，实现了垂直起飞。起飞时，镶嵌于左右固定翼中的旋翼旋转至水平状态，法线方向为垂直向上，两侧旋翼旋转方向相反，以抵消单侧旋翼产生的偏航力矩，为飞行器整体提供向上的升力，使其离开地面实现垂直起飞。当飞行器达到所需高度之后，左右旋翼由法向朝上逐渐改变至法向垂直朝前，这个过程将会在十几秒内完成。在这个过程中，旋翼提供的向上的升力慢慢减小，向前前的推力则逐渐增大，而这个向前的推力会使飞行器产生逐渐加快的水平飞行速度，从而使得飞行器的固定翼在其翼形气体动力的作用下产生补充升力，与当前旋翼产生升力的合力可以与重力相平衡，最后达到旋翼法线方向水平向前，升力完全由固定翼在飞行中产生的气动升力来提供，从而达到使其在空中平稳飞行的目的。若飞行器在平稳飞行中需要实现偏航，则使偏航方向异侧旋翼的法线方向由向前变为向前同时偏向于偏航方向，同时可以加大该旋翼的功率，产生偏航力矩，实现飞行器的左右偏航。若飞行器在平稳飞行过程中需要实现滚转，则使需抬升一侧旋翼法线方向由向前变为向前上方，同时可以加大该旋翼的功率，产生滚转力矩，实现飞行器的滚转操作。飞行器降落时，先使双旋翼法向向后偏，利用其反向推力使水平速度接近0，然后令旋翼法向逐渐完全垂直于水平面，此时速度恰好为零。再调整减小旋翼的功率，使其缓慢下降并展开起落架，最终实现安全平稳的垂直降落。2.2 飞行器整体设计飞行器总体效果图与上视图如图1、图2。图1图22.2.1 气动布局“扶鳐”号的固定翼设计从一种生活在深海中的扁体软骨鱼鳐鱼的外观上获取的灵感。鳐鱼生活在从浅海到2700米以下的深海的各区域，其体型经过几亿年的进化，适应水中的生活，以其外形为参照设计的鳐式机翼将可以在空中飞行时有效的减小空气阻力，且机翼的面积远大于普通机翼，产生的升力也大于普通机翼，加之与矢量旋翼的配合，具有良好的气动性能。机身采用的水滴形流线机身，有效提升整体的升阻比。V形尾翼有效降低干扰阻力，提升机身的稳定性，帮助其更好的在城市上空飞行。设计过程中简图如图3。图32.2.2 结构设计2.2.2.1 机翼与旋翼 “扶鳐”号创新的矢量旋翼与固定翼结合。矢量旋翼指旋翼法线方向可以延不同方向偏转以提供不同方向的动力，从而提供不同飞行状态下飞行器所需要的推力或升力的新型旋翼。“扶鳐”号的矢量旋翼镶嵌于其固定翼中，旋翼周围装有护圈，护圈内侧以互相呈120角的三根高强度固定杆连接固定旋翼发动机，护圈的外侧连接两根可转轴伸入固定翼上特定设计的弧形滑轨中，同时设计特定的连接和控制机构，实现固定轴绕自身中心的转动和沿固定翼上的滑轨滑动，并在所需位置锁死，实现旋翼方向的多角度改变和使用。2.2.2.2 机身和起落架 机身分为上下两层。下层为储能层，内置用于给旋翼发动机提供电能的高效蓄电池，配备散热风扇。两层中间有隔热层，防止储能层热量对功能层产生影响。上层为功能层；前方为驾驶舱，由四分之一球面有机玻璃罩围绕，玻璃罩顶端与机身铰链连接，实现75最大开启角的开启和闭合，玻璃罩外涂有深色防晒层，防止城市光污染炫目造成驾驶人员情况误判发生事故；后方为储物区，可放置约1立方米左右的物体。采用传统后三点式起落架，除可供飞行器停降用外，当飞行器起飞环境不理想时，还可在矢量旋翼的配合下实现短距离低速移动，找到适合起飞的环境，以适应复杂的城市环境。2.3 动力系统 城市飞行器设计使用环境为城市，计划采用电能驱动。采用蓄电池，使用两个电动机带动旋翼的转动。使用电力驱动，清洁环保噪声小，适合城市环境。同时可以考虑采用设置太阳能电池板，旋翼风力发电功能等提供电能。2.4 技术、性能参数2.4.1 技术参数机身长度/m2.6高度/m1.5宽度/m1.6固定翼最大弦长/m1 .4展长/m5.0机翼最大厚度/m0.09旋翼叶片数量3片内直径/m0.9外直径/m1.0固定翼开孔直径/m1.1V形尾翼尾翼夹角/rad/4宽度/m0.25长度/m0.5动力参数最大升力/ kN1.2x104重量参数最大起飞重量 /kg980有效载荷/kg420空机重量/kg560飞行器主视图、侧视图如图4、图5所示。图4图52.4.2 性能参数性能数据最大平飞速度/ km/h367.2最小平飞速度/ km/h0 载人量34人起降方式垂直起降最大航程/km4406.4最高巡航速度0.3Ma巡航时间/h12实用巡航高度/m950升限/m3000飞机最大平飞速度367.2 km/h，同时保证了对高速的需求和使用时候的安全性；巡航时间、实用巡航高度升限也符合城市标准，满足未来城市对飞行器的要求。整体性能数据也为飞行器功能的拓展提供了可能。2.5 材料运用机身采用先进复合材料，性能优良，质量轻，使用寿命长；同时，碳纤维增强树脂基复合材料的运用也在确保飞机高安全性的同时实现了有效减重。大量运用轻质铝合金，铝锂合金，超高强度钢等轻质高强金属结构材料，有效提高了飞机的机动性能、结构安全性和使用寿命。2.6 控制与操纵系统 考虑到飞行器使用人群的广泛性，采用自动飞行控制系统，在起降等阶段需要一些简单的手动操作。采用电传操纵系统。运用现有成熟的一些装置、仪表等，并根据此飞行器情况做适当改进。起飞段，选择适合起飞的区域，通过控制系统设置目的地、路线与飞行高度，自动规划路径，确定旋翼的方向和转速，实现可控飞行。飞行过程中，通过导航系统实时定位调整航向；通过雷达识别周围大范围内障碍物，提前更改航线，避免碰撞；通过传感器、陀螺仪的使用，确定飞行器所需的偏航、滚转与俯仰状态；通过控制系统，应用开发的程序自动计算旋翼应处的状态，实时调控旋翼的方向和转速，自动校准航向、规避障碍、调整机身状态。 为了保障整体的安全性能，系统采用亢余设计，采用两套电传操纵系统和控制系统，同时保留人工控制系统，在突风等一些特殊情况下，通过该系统人工控制飞行器。通过以上设计，实现简单快捷，安全高效的控制和操控。2.7 安全保障系统考虑到飞行器要实现载人，要特别设计飞行器的安全保障系统，首先，要通过设计中的一些结构、控制等，例如机翼、旋翼的结构设计，操纵系统的设计，来提高整个系统的可靠性；另外，要设计充分可靠的安全保障系统，如设置坠落安全气囊和坠落降落伞，在飞行器发生故障时，系统可自动紧急启动安全保护装置，弹出设置在机身四周的安全气囊，弹出降落伞为飞机减速，以保证安全。3 创新性分析“扶鳐”号矢量旋翼城市飞行器创新性明显，包括：a.创新性的提出了矢量型旋翼的概念，扩大了旋翼的功能，使旋翼具备提供不同方向力和力矩的功能，与现有的四旋翼或其他旋翼飞行器需要通过调整不同旋翼的转速实现部分操作相比，与传统的固定翼需要襟翼等实现部分操作相比，“扶鳐”号旋翼使偏航，滚转等控制更加简单，同时具备提供升力和推力的功能，创新性明显；b.旋翼与固定翼相结合，通过旋翼的推动结合固定翼提供升力，解决的现有的旋翼飞行器升力提供有限的问题，同时固定翼与矢量旋翼的配合，使飞行器整体的操纵性和机动性更加良好，更加适合城市复杂的环境。4 设计总结与发展展望“扶鳐”号矢量旋翼城市飞行器设计过程中，主要在旋翼和固定的使用上实现了创新，创新性的提出了矢量旋翼的概念，同时与固定翼结合实现相关功能。未来的发展前景良