飞行背包优化设计

1、北京航空航夭大学B E I H A N G UNIVERSITY飞行背包优化设计2014年2月20日摘要：飞行背包是是外形类似于背包内部含有动力装置的可以载单人飞行的重 于空气的航空器。人类关于飞行背包的初期设想来自科幻小说和科幻电影。在科 幻世界中，人们可以利用简易的飞行背包自由飞行，其便捷程度超过了任何一种 交通工具。在早些年，这种背包还只是停留在科幻中，随着科技的进步，这种设 想逐渐的变为现实。2011年，喷气飞行背包和水动力飞行背包相继问世，飞行 背包已不再只是幻想。虽然这种发明问世，但它依然有许多可以改进的方面，如 增加飞行时间、减小体积和增加飞行模式等。为了进一步了解与探究飞行背包

2、的 优势与缺陷，并将其改进与运用，使其用途更加广泛。为此，本项目进一步了解 多种飞行器飞行原理，以求将不同飞行模式集合于飞行背包中，以马丁喷气飞行 背包为蓝本在其基础上加以改进和想象，设计了一款改进型的飞行背包。关键字：飞行背包，变体飞机，垂直起降，陀螺仪目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 引言1、简述2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 二、飞行原理2 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document （一）马丁飞行背包飞行原理

3、2 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document （二）优化背包飞行原理2 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 三、详细设计3 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document （一）总体参数3 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document （二）机械结构设计3 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 1、动力喷管结构设计3 HYPERLINK l bookmark58 o Current Do

4、cument 2、机翼结构及传动机构设计4 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document （三）动力装置设计6 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document （四）控制部分设计7 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 1、垂直起降控制7 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 2、垂直飞行与水平飞行模式切换控制8 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 四、材料选择8 HYPERLINK

5、 l bookmark79 o Current Document 五、应用前景9 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 六、结论9参考文献10图表目录表1背包总体参数3图1整体设想图3图2动力装置喷管14图3动力装置喷管24图4通常展开状态5图5最大展开状态5图6机翼折叠过程图6图7强劲电子脉冲马达概念图7图8起降控制流程图8引言自古以来，人们渴望翱翔蓝天，于是人们制造了飞机来实现梦想，但是飞机 不会给人带来自由飞行的感觉，而飞行背包可以给人以更加真实的飞行体验。A-A- *-11一、间述马丁飞行背包携带两升的燃料，采用200马力的汽油马达，驱动两

6、台强力风 扇，让驾驶员能在空中160英尺的高度以每小时60英里的速度飞行。这种背包 的风扇每分钟旋转6000转，它携带的燃料足以让它维持30分钟的飞行。改进型背包的垂直飞行模式与马丁背包相似，而水平飞行模式采用压缩可折 叠机翼来提供升力，这样利用空气动力减少了部分能量损耗可以增加飞行时间与 飞行速度。二、飞行原理（一）马丁飞行背包飞行原理据马丁飞行器制造公司执行总裁理查德劳恩说：“你只要系好安全带，旋转 操纵杆，它就会带你离开地面。这款飞行器的飞行原理非常简单，正如牛顿所说， 每一个动作都有作用力和反作用力。因此只要快速向下发射大量气体，它产生的 反作用力就会推你飞入空中。”马丁背包的动力装置

7、是两台200马力的强力风扇， 携带两升燃料供飞行使用。（二）优化背包飞行原理从马丁背包中，我们发现只要有能提供足够推力的风扇就可以做到基本的起 飞，但他存在一定的缺陷：（1）如果其中一个风扇不能正常工作，在飞行时出现故障，那将很危险；（2）强力风扇虽然效率高，但体积大。（3）仅能携带两升燃料，由于仅靠风扇提供动力，因而飞行时间不宜过长。（4）只能垂直飞行或者带一定倾角飞行不能做到水平飞行，因而速度不宜 过快。基于对以上几点的改进，优化背包设计有4台动力装置，背部加装特殊机翼。 4台动力装置可以选择性工作以适应不同的飞行环境，背部机翼采用特殊材料制 成，水平飞行时可以提供一部分升力减轻能源的损耗

8、。背包的总体设想如错误! 未找到引用源。所示。图1整体设想图三、详细设计（一）总体参数经过对普通背包的测量，以及对整体比例的比较，改进背包的总体参数如下 表所示。表1背包总体参数背包高度510mm翼展2500mm重量80kg最大爬升速度60miles/h最大平飞速度120miles/h伺服驱动16个数字伺服单元控制动力装置在轨道的滑动动力装置Dyson推出的强劲电子脉冲马达主要材料智能材料、碳纤维材料等（二） 机械结构设计1、动力喷管结构设计考虑到机翼伸展后重心的变化，经过分析，最终选定了以下结构：电机通过 带动滑轮沿轨道滑动，到特定位置后锁住滑轮及轨道，从而改变喷管的位置，以适应重心的变化。

9、同时，由于人体重量的不同，也可以通过改变喷管位置来适应。如错误！未找到弓I用源。所示：图2动力装置喷管1图3动力装置喷管22、机翼结构及传动机构设计改进背包的机翼设计是此次设计的重点。机翼的设计灵感来源于变体飞机。 早在1916年，美国就有一个专利提出了可变机翼几何外形。2002年，美国开展 了“智能翼(Smart Wing)”的研究，展示了形状记忆合金等智能材料的应用潜力。2003 年，DARPA 正式启动了 MAS(Morphing Aircraft Structures)研究计划。 参与MAS项目的三家公司提供了各自的设计方案：Lockheed Martin公司的折叠 机翼、Next G

10、en Aeronautics 公司的滑动蒙皮机翼和 Raytheon Missile Systems 公 司的压缩机翼。为了节省空间，将折叠机翼、压缩机翼与记忆合金相结合，可以是的机翼结 构变化更加灵活。下图展示了不同状态机翼的简化结构。图4通常展开状态图5最大展开状态图6机翼折叠过程图（三）动力装置设计马丁飞行背包的动力装置一一强力风扇，重量和体积都很大，因而虽然动力 强劲，但由于自身重力的影响，飞行效率会大大降低，燃料消耗也会增加。如果 可以在减小体积和重量的情况下，任然保持相同的动力，那么既减小了阻力，也 提高了效率。解决这一问题的灵感来源于一位法国设计师的想法，以高压空气代替传统帆 布

11、的雨伞，他基于Dyson推出的强劲电子脉冲马达，让高压空气在使用者上方 形成一个倒锥形空气罩，从而为打伞的人提供一定范围的庇护。图7强劲电子脉冲马达概念图优化背包的动力装置采用大型强劲电子脉冲马达，将空气压缩并集中排除以 提供动力。为解决在不同情况下的各种问题，在背包上加装4台大型强劲电子脉 冲马达。通常情况下，背包两边各有一个马达工作，为减少马达的疲劳损耗，在 工作一定时间后，会换为另外两个马达工作。若在飞行过程中某个马达出现故障， 可以换用另一个以安全着陆。若遇到紧急情况，可以将4台马达同时开启，以最 大功率，最大速度逃离危险或赶往救援地点。（四）控制部分设计1、垂直起降控制不同人的身高和

12、体重不同，因而在背上背包时，整体重心位置不一样，所以 在飞行前需要将自己的体重与身高出入背包中，通过计算得出整体重心的位置， 然后通过一系列传感器，与传动装置将喷管至于合适的位置，然后顺利起飞。图8起降控制流程图2、垂直飞行与水平飞行模式切换控制在垂直飞行过程中，若要伸展机翼，则整体重心必然发生变化，此时采用陀 螺仪测出偏离平衡位置的角度，输送给中央处理器以计算出平衡位置，将数值传 送到控制喷管的舵机，达到平衡。垂直飞行模式切换到平飞模式，中间还有一段倾斜飞行过程，此过程中喷管 向后方移动，使整体向前转动，最终达到水平飞行状态；水平飞行模式转化为垂 直飞行模式时，先减速，同时喷管向下移动，然后

13、马达加大马力，通过喷管的作 用推动将背包向上转动，恢复到垂直位置。故障排除系统控制若某台马达出现故障，则会导致，压缩空气压力不足、空气流速降低等问题。 利用传感器测量这些数据，将各部件状态传输给中央处理器，处理器会根据数值 正常与否做出相应的反馈。四、材料选择选材的总体思路是在满足结构强度、刚度要求的前提下尽可能的选择又轻又 强的材料，诸如复合材料、高分子材料等。此项设计中，背部机翼的选材非常重要，对材料的要求也非常高，因此决定 将智能材料运用于机翼结构上，主要实现翼面形状的改变。目前应用最广泛的是 利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的形状记忆合金，利用这种 合金，机翼的折叠与伸展

14、过程将相对简单一些。高压空气使得喷管的材料必须耐压，而且耐高温，高速气流向后喷出是与管 壁摩擦产生相当的热量，使管壁温度上升。所以喷管采用高分子复合材料。其余部件由于需要高强度、质量轻的特点，因而采用碳纤维复合材料。五、应用前景优化飞行背包与传统飞行器相比，大大缩小了体积，灵活度也有所增强，对 环境的适应能力强；与传统飞行背包相比，用电提供能源，较燃料环保，加装机 翼，可延长飞行时间。故有在多方面都有实用价值。初步设想优化后的背包主要有以下两种主要用途：（1）飞行体验：人们都渴望飞行，可传统飞行器不能使人们真正体验到飞 行的感觉，因而人们可以背上飞行背包，体验到真实飞行的感觉。（2）处理突发事件：面对森林火灾、海上救援、夜间搜救等这些困难而又 紧急的任务，虽然人们通常利用空中手段来实施救援，但是风险较大，而且传统 飞行器对于环境的要求较高。利用这种简易的飞行器便可以完成任务。六、结论优化飞行背包融合