楊 穩(wěn),周幫倫,向 禎,陳 超,胡曉康,楊辛艤

(貴州理工學(xué)院航空航天工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

在歷史上扇翼飛行器在發(fā)展過(guò)程中有過(guò)多次的性能提升,首次提出這一發(fā)明的是來(lái)自法國(guó)的Mortier,而將其首次利用于飛機(jī)上的是來(lái)自20世紀(jì)初的德國(guó)工程師Ackeret。在之后的20世紀(jì)60年代,Dornier首次嘗試將橫流式風(fēng)扇與固定翼機(jī)翼相結(jié)合,以此利用這樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生飛行動(dòng)力來(lái)源。20世紀(jì)末一位出生于英國(guó)的發(fā)明家成功地將橫流風(fēng)扇式飛行器的原型機(jī)進(jìn)行了首次飛行,這次成功飛行說(shuō)明橫流飛行器是具有飛行器潛力的一款機(jī)型。橫流飛行器的特殊飛行特性得到了許多航空強(qiáng)國(guó)的相繼研究。特別是在美國(guó)和英國(guó)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的傾力研究下,目前已有相關(guān)模型樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)飛行實(shí)驗(yàn)。在我國(guó),關(guān)于扇翼飛行器的探索還處于起步階段[1]。

扇翼是一種飛機(jī)配置,它使用安裝在機(jī)翼上的簡(jiǎn)單橫流風(fēng)扇,以極低的飛行速度提供分布式推進(jìn)和增強(qiáng)機(jī)翼升力。與目前較為成功的螺旋槳飛機(jī)相比,扇翼飛行器的葉尖轉(zhuǎn)速是相對(duì)較低的,對(duì)于在增加推進(jìn)效率與降低噪音方面有相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì),既提高了飛行穩(wěn)定性,又減少了阻力,從而顯著提高了巡航速度。橫流風(fēng)扇飛行器具有良好的慢速飛行能力、固有安全性和相對(duì)安靜的推進(jìn)力,能夠很好地適應(yīng)城市附近的貨運(yùn)作業(yè)。與飛機(jī)和直升機(jī)的比較表明,最近發(fā)展的扇翼概念飛機(jī)現(xiàn)在可以提供接近直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的短場(chǎng)性能,但運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性接近傳統(tǒng)飛機(jī)[2]。

本文介紹了關(guān)于扇翼飛行器的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及改變風(fēng)扇葉片形狀的方法,該技術(shù)對(duì)于扇翼飛行器具有極大的幫助,有助于實(shí)現(xiàn)扇翼飛行器的短距離起飛,甚至是垂直起飛,同時(shí)可以保證在不同的飛行環(huán)境下提供最理想的升力和推力,可以讓飛行器長(zhǎng)時(shí)間處于一種較高的飛行速度,可以滿(mǎn)足對(duì)于救援救災(zāi)等方面的要求。

1 橫流風(fēng)扇飛行器原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為一種具備新型飛行原理的扇翼飛行器,在無(wú)人飛行器中具備了很多的優(yōu)點(diǎn)。比如,飛行效率高、載荷較大,同時(shí)它的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,制造方便,并且可以實(shí)現(xiàn)在短距起降,甚至是垂直升降。由于扇翼無(wú)人機(jī)在眾多領(lǐng)域具有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì),在如今已經(jīng)成為了飛行器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

1.1 氣動(dòng)布局

常規(guī)飛行器的機(jī)翼僅僅只能產(chǎn)生升力,而不能提供飛行器前進(jìn)所需要的推力。但是扇翼無(wú)人機(jī)可以通過(guò)固定在機(jī)翼上表面的橫流式風(fēng)扇在飛行過(guò)程中提供扇翼無(wú)人機(jī)所需要的升力以及前進(jìn)的推力,其工作原理如圖1所示。

圖1 氣體流經(jīng)翼面

從圖1可以看出,在飛行器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,來(lái)流通過(guò)機(jī)翼時(shí)被分成兩部分:一部分經(jīng)過(guò)橫流風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)葉片加速?gòu)臋C(jī)翼上方流出;另一部分被機(jī)翼上安裝的橫流風(fēng)扇吸入風(fēng)扇內(nèi)部,并在葉片中心偏左方形成一個(gè)重要的低壓偏心渦。提供給橫流風(fēng)扇飛行器升力的主要來(lái)源有兩個(gè)部分:第一部分是橫流風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加速了機(jī)翼上表面的空氣,使得上表面的壓力降低,而機(jī)翼下表面流速又相對(duì)較慢壓力較大,從而形成壓力差,為飛行器提供升力;另一部分提供給飛行器的升力則來(lái)自于橫流風(fēng)扇內(nèi)部形成的低壓偏心渦與機(jī)翼下表面之間形成較大的壓力差而產(chǎn)生的升力。飛行器前進(jìn)所需要的推力也來(lái)自于兩部分:第一部分是由于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)機(jī)翼上表面來(lái)流快速向后排出所形成的反推力為飛行器帶來(lái)一個(gè)向前的動(dòng)力;另一部分則來(lái)自低壓偏心渦,由于低壓偏心渦大多形成于風(fēng)扇內(nèi)部偏右的下方位置,這就影響了橫流風(fēng)扇飛行器機(jī)翼水平方向的壓強(qiáng)分布,從而形成了一個(gè)壓力差,進(jìn)而提供一個(gè)向前的推力[3-4]。

1.2 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)橫流風(fēng)扇飛行器的排氣特征,建立了橫流風(fēng)扇飛行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的滑流模型并利用動(dòng)量理論分析飛行器滑流產(chǎn)生的氣動(dòng)力以及飛行器消耗的功率。通過(guò)葉素理論,對(duì)橫流風(fēng)扇葉片周?chē)膩?lái)流環(huán)境和風(fēng)扇葉片的受力進(jìn)行分析,從而得到橫流風(fēng)扇葉片的氣動(dòng)力及葉片的消耗功率。同時(shí)可以通過(guò)渦運(yùn)動(dòng)理論,分析橫流風(fēng)扇內(nèi)部低壓偏心渦的特性,并將飛行器整體機(jī)翼上表面的空氣流動(dòng)簡(jiǎn)化為在平行平面之間的流動(dòng),以此來(lái)分析在低壓偏心渦和橫流風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)的共同影響下,機(jī)翼因?yàn)閴翰疃a(chǎn)生升力和推力。根據(jù)橫流風(fēng)扇飛行器機(jī)翼的繞流特征,將飛行器的固定機(jī)翼和橫流風(fēng)扇看做一個(gè)整體,形成的飛行器機(jī)翼的厚翼模型并利用翼型理論分析機(jī)翼厚翼模型所能夠產(chǎn)生的升力和推力,最后做出總模型,其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程

2 橫流風(fēng)扇飛行器旋翼轉(zhuǎn)置設(shè)計(jì)

2.1 旋翼轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決橫流風(fēng)扇式飛行器在負(fù)載不同時(shí)轉(zhuǎn)速與進(jìn)出風(fēng)口的變化以及轉(zhuǎn)速較大時(shí),氣體流量的不匹配而發(fā)生喘振現(xiàn)象,而設(shè)計(jì)的一種橫流式葉輪結(jié)構(gòu),增加了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力的利用率,減弱喘振帶來(lái)的危害,同時(shí)能夠做到縮短飛行器的起飛距離,甚至可以實(shí)現(xiàn)垂直升降,減小了滑跑起飛所需的空間,更加適應(yīng)城市內(nèi)貨物運(yùn)輸。

本文設(shè)計(jì)了一種橫流風(fēng)扇飛行器上的槳葉結(jié)構(gòu),它包括法蘭型帶座軸承、同步皮帶、電機(jī)、限位法蘭、傳動(dòng)齒輪、葉片、傳動(dòng)軸、垂直安定面。機(jī)翼內(nèi)安有傳動(dòng)電機(jī),葉輪采用葉片與傳動(dòng)軸直接連接,傳動(dòng)軸與機(jī)翼通過(guò)連軸器連接,如圖3所示。

圖3 旋翼結(jié)構(gòu)示意

葉片弧角可改變,扇翼飛行器葉尖弧角(葉片外側(cè)起末連線(xiàn)與水平方向的夾角)的理想角度為30.17°～31.13°,在這一段角度范圍變化之內(nèi),扇翼飛行器葉輪進(jìn)風(fēng)量適中,與之連接的機(jī)翼振動(dòng)小,產(chǎn)生的噪音小,升力大。螺旋槳葉片采用圓型形狀,中間空體葉片呈短弧形的葉輪,葉片內(nèi)側(cè)起末連線(xiàn)與水平方向的夾角范圍為38.56°～39.52°,葉片外側(cè)起末連線(xiàn)與水平方向的夾角范圍為30.17°～31.13°,葉片最大幅度處切線(xiàn)與水平方向夾角范圍為31.13°～32.09°,如圖4所示。進(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)口槽為可調(diào)節(jié)槽。改善了橫流式飛行器機(jī)翼的氣動(dòng)干擾所造成的機(jī)翼震動(dòng),增強(qiáng)了飛行器的穩(wěn)定性,降低了飛行時(shí)所產(chǎn)生的噪音,提升了飛行器載重能力,符合節(jié)能降噪的要求[5]。

圖4 葉片設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載不同,調(diào)整轉(zhuǎn)速與進(jìn)出風(fēng)口的變化,可實(shí)現(xiàn)短距起飛。

2.2 橫流式飛行器葉輪結(jié)構(gòu)

葉片是飛行器產(chǎn)生動(dòng)力的部件,一種運(yùn)用在橫流風(fēng)扇飛行器上的槳葉結(jié)構(gòu)。機(jī)翼內(nèi)安有傳動(dòng)電機(jī),葉輪采用葉片與旋轉(zhuǎn)輪直接連接,旋轉(zhuǎn)輪與機(jī)翼通過(guò)連軸器連接,結(jié)構(gòu)緊湊,保證了橫流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn),震動(dòng)噪音低。以往的橫流風(fēng)扇葉片,當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí),可能會(huì)造成氣體流量的不匹配而發(fā)生喘振現(xiàn)象,甚至發(fā)生飛行器失控乃至墜機(jī)事件,對(duì)飛行器的安全造成了很大的困擾,而改變?nèi)~片的形狀,就可以減弱這種危害,也能夠做到縮短飛行器的起飛距離,甚至可以實(shí)現(xiàn)垂直升降,使該飛機(jī)占地面積變小,更加適合城市內(nèi)貨物運(yùn)輸。

3 可調(diào)節(jié)開(kāi)口角式機(jī)翼設(shè)計(jì)

本文將扇翼的開(kāi)口角,設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式的結(jié)構(gòu),在扇翼飛行器機(jī)翼前緣內(nèi)部有可滑動(dòng)的擋板,同時(shí)機(jī)翼外側(cè)帶有滑軌以方便擋板滑動(dòng),滑動(dòng)后的擋板與機(jī)翼前緣形成的新機(jī)翼前緣,兩側(cè)機(jī)翼內(nèi)部的滑動(dòng)擋板在靠近機(jī)身處延伸并直接相連鑄成一個(gè)整體,保證在改變機(jī)翼開(kāi)口槽時(shí)可以同時(shí)改變兩側(cè)機(jī)翼的開(kāi)口槽。擋板外側(cè)兩端與機(jī)翼外側(cè)相合,中間與機(jī)翼前緣形狀相似[6]。橫流風(fēng)扇內(nèi)部形成的偏心渦控制,對(duì)機(jī)翼升力也有影響[7],可通過(guò)開(kāi)口角控制進(jìn)入風(fēng)扇翼內(nèi)部流量大小,進(jìn)而控制影響偏心渦產(chǎn)生的位置和強(qiáng)度,從而獲得最優(yōu)升力。

這樣,增強(qiáng)了扇翼飛行器在面對(duì)不同來(lái)流速度時(shí)的應(yīng)對(duì)能力并降低了對(duì)能源的消耗,使扇翼飛行器適合在不同情況下進(jìn)行飛行,該結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)有較強(qiáng)的可靠性,效率得到了提升,維修成本低,更加節(jié)能環(huán)保。

3.1 氣動(dòng)原理

具有扇翼的飛行器的上升力和推進(jìn)力通過(guò)橫流式的風(fēng)扇在機(jī)翼的前緣工作產(chǎn)生,這些力量是通過(guò)圓形的機(jī)翼內(nèi)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦流產(chǎn)生,各種力相互依存產(chǎn)生作用,要想修改其中的某一個(gè)力就變得非常復(fù)雜,在某一層面上,直接影響了飛行器氣動(dòng)可調(diào)性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),通過(guò)改變前緣開(kāi)口槽,會(huì)對(duì)氣動(dòng)布局產(chǎn)生很大的變化。傳統(tǒng)的扇翼飛行器的機(jī)翼開(kāi)口槽是固定的,在面對(duì)不同的來(lái)流速度時(shí)不可避免有不足之處,影響飛行器的性能。在機(jī)翼前采用可變的開(kāi)口板,可以控制氣流進(jìn)入扇翼的方向與氣流量,這樣就可以改變飛行器的上升力和推進(jìn)力,開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)還可以將混合的氣流布局進(jìn)行一部分的分解[6]。

3.2 技術(shù)方案

為了使扇翼飛行器在起飛和著落時(shí)具有更好的穩(wěn)定性,并可以保持在同一迎角的機(jī)翼情況下起飛、降落以及飛行的過(guò)程中在不同來(lái)流速度下能讓飛行器保持最大升力用來(lái)減少飛行時(shí)所需要的能源消耗以及提升飛行器的負(fù)重能力和最遠(yuǎn)飛行距離[6]。本文設(shè)計(jì)帶有可調(diào)節(jié)開(kāi)口槽的新型機(jī)翼,解決在不同來(lái)流速度下的機(jī)翼無(wú)法保持最大升力所需要的開(kāi)口槽的問(wèn)題。調(diào)節(jié)扇翼飛行器前緣開(kāi)口槽的尺寸的裝置,它包括電機(jī)、齒條、傳動(dòng)齒輪、電機(jī)傳動(dòng)軸、同步皮帶、同步帶輪,如圖5所示。

圖5 開(kāi)口槽控制結(jié)構(gòu)示意

這樣,滑動(dòng)后的擋板與機(jī)翼前緣形成的新機(jī)翼前緣,兩側(cè)機(jī)翼內(nèi)部的滑動(dòng)擋板在靠近機(jī)身處延伸并直接相連鑄成一個(gè)整體,保證在改變機(jī)翼開(kāi)口槽的同時(shí)改變兩側(cè)機(jī)翼的開(kāi)口槽。擋板外側(cè)兩端與機(jī)翼外側(cè)相合,中間與機(jī)翼前緣形狀相似。

改變傳統(tǒng)的固定開(kāi)口槽機(jī)翼,在機(jī)翼前緣處加工制造圓弧平面形擋板,如圖6所示。

圖6 開(kāi)口槽設(shè)計(jì)

擋板外側(cè)兩端與機(jī)翼外側(cè)相合,擋板具體加工寬度為機(jī)翼前緣厚度的1/2,長(zhǎng)度與飛行器整體寬度相同。該新型機(jī)翼增加了可以調(diào)節(jié)開(kāi)口槽的滑動(dòng)擋板,在使用時(shí)相當(dāng)于機(jī)翼前緣的一部分,在電機(jī)的帶動(dòng)下改變?cè)摍C(jī)翼的開(kāi)口槽,使扇翼飛行器在不同的來(lái)流速度下達(dá)到可以保持最大升力的開(kāi)口槽。另外,改變開(kāi)口槽還可以使來(lái)流進(jìn)入扇翼橫流風(fēng)扇的前緣通道改變,改變進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流量,對(duì)偏心渦有一定的保護(hù)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

橫流風(fēng)扇飛行器特殊翼型相較于一般飛行器機(jī)翼翼型可以獲得更高的升力,因?yàn)轱L(fēng)扇翼上表面的氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的帶動(dòng)下速度將會(huì)增加,而風(fēng)扇翼下表面的氣流受扇翼運(yùn)動(dòng)的影響較小,速度幾乎不發(fā)生變化。機(jī)翼上下表面氣流速度不同,上下表面流體產(chǎn)生較大壓力差,因此在橫流風(fēng)扇機(jī)翼內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低壓偏心渦,提供飛行器向上的升力與向前的推力。

本文分析了橫流風(fēng)扇飛行器產(chǎn)生升力的原因與其影響因素,結(jié)合橫流風(fēng)扇飛行器氣動(dòng)布局對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了橫流風(fēng)扇的葉輪結(jié)構(gòu),確定了最佳葉片弧角與最佳葉片安裝角,并且設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)前緣開(kāi)口角。使得風(fēng)扇內(nèi)部產(chǎn)生的偏心渦強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、可控性高,那么飛行器在不同飛行過(guò)程中能夠提供不同的升力,更節(jié)能,更穩(wěn)定。