方如金，吳伏家

（中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

涵道風扇式微型飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、空中懸停，在空間狹小的環(huán)境或地形復(fù)雜的地區(qū)進行快速機動，而且其涵道保護功能能夠防止風扇與建筑之間碰撞，這些都是傳統(tǒng)固定翼結(jié)構(gòu)和旋翼螺旋槳結(jié)構(gòu)的微型飛行器所不能完成的。涵道風扇使用安全性高，氣動噪聲低，是一種高效、無聲、安全的動力推進裝置；其結(jié)構(gòu)、氣動性能良好，應(yīng)用范圍廣，具有很好的適應(yīng)能力，是目前微型飛行器動力裝置的研究熱點。然而這種涵道風扇式結(jié)構(gòu)也有其不足之處：由于涵道和風扇相互間的影響，風扇的吸流作用在涵道的唇口處會產(chǎn)生擾流，降低了涵道風扇的氣動效率；并且由于受涵道的影響，提升了涵道風扇的拉力，風扇槳葉的載荷就會增大，在高速飛行階段，容易導(dǎo)致失速；這種涵道風扇結(jié)構(gòu)的動力裝置起重小，有效載重就小，而能耗相對較高，造成留空時間比較短，不能執(zhí)行長航時的任務(wù)，也不適合執(zhí)行長時間懸停任務(wù)。

1 涵道風扇式微型飛行器的研究現(xiàn)狀

根據(jù)涵道風扇結(jié)構(gòu)的布局不同，可以將涵道風扇式微型飛行器大體分為3種類型：單旋翼涵道風扇式微型飛行器、共軸雙旋翼涵道風扇式微型飛行器和復(fù)合型涵道風扇式微型飛行器［1］。

1.1 單旋翼涵道風扇式微型飛行器

單旋翼涵道風扇結(jié)構(gòu)比較簡單，由電機驅(qū)動風扇旋轉(zhuǎn)來提供升力，風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩通過可調(diào)葉片和控制舵面來平衡，可調(diào)葉片位于風扇的下洗流中，風扇產(chǎn)生的氣流在可調(diào)葉片上產(chǎn)生氣壓差，由此產(chǎn)生力矩來平衡風扇產(chǎn)生的一部分反扭矩。在涵道風扇的底部安裝了一組控制舵面，氣流同樣能在控制舵面上產(chǎn)生氣壓差，從而平衡風扇產(chǎn)生的反扭矩?？刂贫婷嫱ㄟ^轉(zhuǎn)動一定的角度來實現(xiàn)飛行器的俯仰、偏航和翻滾運動。這種結(jié)構(gòu)布局類型的典型代表是美國聯(lián)合航宇（Allied Aerospace）公司的i－STAR［2］，如圖1所示。其風扇安裝在涵道機體的中上部，在涵道機體的內(nèi)部風扇的下方安裝有用來平衡風扇反扭矩的可調(diào)葉片和控制舵面，電機與其他器件都安裝在涵道上方的中心體內(nèi)，電機為使用燃料的發(fā)動機，上方中心體通過固定桿與涵道壁面連接，燃料油箱即為涵道機體，可調(diào)葉片和控制舵面通過下中心體來調(diào)節(jié)，涵道下方安裝著陸環(huán)，可在復(fù)雜地形進行著陸。這種微型飛行器結(jié)構(gòu)較為簡單，沒有復(fù)雜的機械裝置，成本低，尺寸小，便于生產(chǎn)。

圖1 i－STAR的外形及結(jié)構(gòu)

1.2 共軸雙旋翼涵道風扇式微型飛行器

共軸雙旋翼涵道風扇式微型飛行器采用共軸旋翼的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生升力和推力，較單旋翼結(jié)構(gòu)，雙旋翼能產(chǎn)生更大的升力，提高了氣動效率。兩個旋翼反向旋轉(zhuǎn)來平衡各自產(chǎn)生的反扭矩。旋翼安裝在涵道機身的內(nèi)部，起到保護作用，防止旋翼風扇發(fā)生碰撞受損。涵道下方安裝有控制舵面，通過操縱舵面來實現(xiàn)微型飛行器的偏航和前飛。通過調(diào)節(jié)旋翼風扇的轉(zhuǎn)速大小來改變升力的大小，從而實現(xiàn)微型飛行器的上下飛行和空中懸停。

在旋翼升力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，旋翼的驅(qū)動又可分為單電機驅(qū)動與雙電機驅(qū)動。單電機驅(qū)動是由一個電機驅(qū)動兩個旋翼，利用兩個旋翼風扇的同速反向旋轉(zhuǎn)來平衡各自產(chǎn)生的反扭矩，以穩(wěn)定飛行器的飛行姿態(tài)，抑制其在飛行過程中翻轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計對變速器以及各器件的要求比較高，需要精確可靠設(shè)計才能保證飛行器在飛行過程中的穩(wěn)定，因此這種結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。雙電機驅(qū)動是由兩個電機分別驅(qū)動兩個旋翼風扇，通過調(diào)節(jié)兩個旋翼風扇的反向轉(zhuǎn)速來平衡各自產(chǎn)生的反扭矩。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計需要將兩個電機之間的轉(zhuǎn)速差控制在一個允許范圍內(nèi)，因此在控制方面就需要有一定的性能要求，而且兩個電機又增加了整體負載，也增加了燃料的消耗，其使用成本也比較高。

圖2為美國西科斯基公司的Cypher－Ⅰ共軸式涵道風扇微型飛行器［3］。它不僅具有懸停、垂直起降等一般旋翼機的功能，還可以實現(xiàn)預(yù)定飛行、定點導(dǎo)航和自主返航。該微型飛行器的涵道長徑比較小，機體呈現(xiàn)扁平，在快速前飛時整個機體能產(chǎn)生部分氣動特性，通過調(diào)節(jié)旋翼的周期變距來調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)。而機內(nèi)的各種器件可安裝在較厚的涵道機體外壁。

圖2 Cypher－Ⅰ的外形及結(jié)構(gòu)

1.3 復(fù)合型涵道風扇式微型飛行器

復(fù)合型涵道風扇式微型飛行器是在涵道風扇的基礎(chǔ)上增加固定翼，這樣同時擁有兩個氣動特性可以提高飛行器的飛行效率，既可以平穩(wěn)地起降和懸停，又可以在飛行過程中快速前飛，在飛行高度、速度和長距離巡航等方面都能與固定翼飛行器相媲美。典型的代表有美國極光公司的Golden Eye系列飛行器和西科斯基公司的Cypher－Ⅱ飛行器，如圖3所示。

Golden Eye飛行器的涵道機體外部安裝了可拆卸的活動機翼，在涵道底部安裝了穩(wěn)定尾翼。飛行器在垂直起降時，由涵道風扇系統(tǒng)提供升力，達到一定高度轉(zhuǎn)為快速前飛狀態(tài)過程中，涵道風扇提供的推力使飛行器的機體轉(zhuǎn)動90°來改變飛行姿態(tài)，而在推力的驅(qū)動下飛行器加速到一定速度，涵道外部的活動機翼可以產(chǎn)生飛行器飛行所需的升力，此時的涵道風扇系統(tǒng)用于提供飛行器前飛的動力，尾翼用來調(diào)整其飛行姿態(tài)，并通過調(diào)節(jié)來控制飛行器的俯仰、偏航和翻滾運動。此類飛行器能夠像固定翼飛行器那樣飛行、巡航，執(zhí)行長距離任務(wù)。Cypher－Ⅱ飛行器是在Cypher－Ⅰ飛行器的基礎(chǔ)上改進的，在原有的結(jié)構(gòu)上增加了一個涵道風扇推進系統(tǒng)和水平機翼。涵道風扇推進系統(tǒng)能夠提供飛行器快速前飛動力，水平機翼用來提升升力，機翼邊上的副翼控制飛行器的俯仰、偏航和翻滾運動，從而使得原有的飛行器兼具了快速機動、長距離巡航等特點。

圖3 Golden Eye和Cypher－Ⅱ飛行器

以上3種結(jié)構(gòu)布局的涵道風扇式微型飛行器產(chǎn)品都已研制成熟，并投入生產(chǎn)使用。國內(nèi)涵道風扇式飛行器還處于探索階段，因研究起步晚，很多關(guān)鍵技術(shù)問題尚未得到很好解決，但也取得了一定的進展。西北工業(yè)大學、南京航空航天大學等高校已積極組成研究團隊，建立相應(yīng)實驗室進行研制。哈爾濱盛世特種飛行器有限公司以研制“碟”型特種飛行器為主，該飛行器為涵道風扇式結(jié)構(gòu)，具有低空、低速、垂直起降、穩(wěn)定懸停等特點，在國內(nèi)的軍演中完成了各項預(yù)定任務(wù)；但與國外成熟機型相比還存在氣動效率低、操縱性能不穩(wěn)定和偏航反應(yīng)差等缺點，有待進一步改善。

2 涵道風扇的氣動特性分析

涵道風扇式微型飛行器以涵道風扇為主升力／推力系統(tǒng)，由控制舵面調(diào)整飛行時的俯仰、偏航和翻滾運動。涵道風扇結(jié)構(gòu)緊湊、安全性能高、氣動效率高。根據(jù)旋翼動量理論和葉素理論，初步分析涵道風扇的氣動特性，推導(dǎo)出涵道風扇的動量、葉素理論公式，建立一套在懸停狀態(tài)和軸流狀態(tài)下適合涵道風扇氣動特性分析的簡化計算方法［4］。

2.1 涵道風扇動量理論

旋翼的動量理論又稱滑流理論，它將旋翼看成一個無數(shù)葉片的槳盤，采用流體的基本規(guī)律來計算。假設(shè)流體的密度為ρ、軸向速度為v0、壓強為p0，流場如圖4所示。流體通過涵道在旋翼的作用下，在槳盤上流體的速度為v1，壓強為p1，流體通過整個涵道，在涵道下的速度為v2，壓強為p2。

圖4 流場示意圖

由伯努利定理可得：

由動量理論得涵道與旋翼的總拉力T為：

其中：m為單位時間內(nèi)流過涵道任意截面的空氣的質(zhì)量。忽略不計涵道內(nèi)壁與旋翼的間隙δ，截面面積A基本相等，根據(jù)伯努力方程可得截面上下壓強差與截面面積的乘積等于旋翼的拉力Tp，即：

則涵道的拉力Ts為：

雖然由旋翼的動量理論可以得到一些有意義的結(jié)論，可以在涵道風扇計算中得到應(yīng)用，但由于動量理論在理想狀態(tài)下未考慮旋翼的一些實際參數(shù)，因此無法對涵道風扇進行具體的計算和分析。

2.2 涵道風扇葉素理論

葉素理論是將旋翼槳葉分解成有限個微小段（稱為葉素），先計算每個葉素上的分力，然后通過積分得到整個旋翼槳葉的總氣動力。在槳葉的徑向r處，取一維小段長度d r，相對應(yīng)的葉素弦長為b。在飛行中，葉素的綜合速度與其旋轉(zhuǎn)平面的夾角為θ，設(shè)葉素的阻升角為γ，葉素升力系數(shù)為CL，旋翼槳葉的葉素總數(shù)為N，槳轂半徑為r0，槳葉半徑為R。則旋翼的拉力T為：

3 結(jié)束語

本文討論了涵道風扇的研究現(xiàn)狀及氣動特性分析，介紹了3種類型的涵道風扇式微型飛行器，又從旋翼的動量理論和葉素理論簡單分析了涵道風扇的氣動特性，對于人們了解涵道風扇結(jié)構(gòu)并進行深入研究具有一定的意義。

［1］ 翁梓華，陳智敏.旋翼式微型飛行器升力系統(tǒng)設(shè)計［J］.廈門大學學報（自然科學版），2006（6）：802－806.

［2］ 宋文瑞.涵道風扇式微型飛行器氣動布局設(shè)計與氣動特性分析［D］.南京：南京航空航天大學，2012：2－6.

［3］ Lipera Jason D，Colboume Mark B，Tischler M，et al.The micro craft iSTAR micro air vehicle：control system design and testing［C］／／ American Helicopter Society 57th Annual forum.Wshington DC：［s.n.］，2001：34－37.

［4］ 劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.