鄒汝紅　胡瑋軍　王海容

摘 要：兩棲飛行器是既能在地面上行駛又可以在空中飛行的一種新型飛行器。文章研究的涵道式飛行汽車是通過車身的主涵道螺旋槳產(chǎn)生升力，車尾的推進(jìn)螺旋槳產(chǎn)生推力完成升降及前進(jìn)。利用ANSYS-CFX對(duì)飛行汽車在空中飛行時(shí)的飛行姿態(tài)進(jìn)行了仿真分析，得到飛行汽車的升力，翻滾力矩，俯仰力矩及偏航力矩等參數(shù)，并分析飛行汽車前飛狀態(tài)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)值結(jié)果對(duì)飛行汽車空中飛行姿態(tài)進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：涵道式兩棲飛行器 螺旋槳 ANSYS-CFX 飛行姿態(tài)

涵道式兩棲飛行器（飛行汽車）是一種新概念的飛行器，作為一種方便、快捷且適應(yīng)多層次出行需求的飛行器，成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。在地面交通順暢的情況下，飛行汽車與普通陸地交通工具一樣，能在地面上行走，達(dá)到能少能耗的目的；當(dāng)遇到緊急情況或者路面交通擁堵的情況下，它可以垂直起降，迅速升空，像飛機(jī)一樣飛行，盡顯其靈活便捷之處。

飛行汽車具有獨(dú)特的垂直起降和空中懸停特性，使其在軍民兩用中正發(fā)揮越來越重要的作用。目前，對(duì)涵道飛行器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究至今還沒有形成統(tǒng)一的方法與原則，特別是缺乏理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。在飛行汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)更偏重于懸停及垂直起降性能的考量，而忽略了飛行汽車前飛狀態(tài)的氣動(dòng)特性研究[1]。針對(duì)目前這一問題，本文重點(diǎn)分析飛行汽車在前飛狀態(tài)下主涵道螺旋槳與推進(jìn)螺旋槳之間相互作用的氣動(dòng)關(guān)系，并進(jìn)行外流場(chǎng)的模擬仿真，研究涵道飛行器在前飛狀態(tài)的俯仰和偏航特性。

1 飛行汽車計(jì)算模型的建立

1.1 飛行汽車的工作原理

涵道飛行器大多還在研發(fā)階段，目前還未形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用自主設(shè)計(jì)的飛行汽車外觀，如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上來說，具備汽車和直升機(jī)的特點(diǎn)；從功能上來說，也是地面行走和空中飛行的結(jié)合體。其外觀與汽車相似，但是為了實(shí)現(xiàn)在空中的懸停及飛行，在車身前后分別有為汽車提供豎直方向升力的主涵道螺旋槳，汽車尾部有兩個(gè)提供推進(jìn)力的推進(jìn)涵道螺旋槳。

在地面行駛時(shí)，前后涵道的柵格處于關(guān)閉狀態(tài)，螺旋槳處于不工作狀態(tài)，與汽車類似，依靠輪胎上的輪轂電機(jī)提供行駛的動(dòng)力，利用機(jī)械控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向模式[2]完成轉(zhuǎn)向操作。在空中飛行時(shí)，輪胎上輪轂電機(jī)停止工作，前后主涵道的柵格開啟，主螺旋槳開始轉(zhuǎn)動(dòng)，為飛行汽車提供升力，讓其垂直起飛；當(dāng)達(dá)到預(yù)定高度后，推進(jìn)涵道的柵格開啟，推進(jìn)螺旋槳開始轉(zhuǎn)動(dòng)，為其提供前進(jìn)的動(dòng)力。當(dāng)在空中轉(zhuǎn)向時(shí)，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)推進(jìn)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，則產(chǎn)生的推進(jìn)力不同，因此得到汽車轉(zhuǎn)向所要的水平方向的偏轉(zhuǎn)力矩，從而達(dá)到汽車轉(zhuǎn)向的目的[3-4]。同理，飛行汽車的俯仰運(yùn)動(dòng)需要通過前后主涵道螺旋槳的轉(zhuǎn)速差提供的俯仰力矩達(dá)成。

1.2 涵道飛行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

飛行汽車車身內(nèi)部的尺寸設(shè)計(jì)，參照普通汽車的車身外形及X-Hawk飛行汽車[5]的外觀構(gòu)造，設(shè)計(jì)完成后的飛行汽車地面行駛姿態(tài)下的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

研究涵道螺旋槳的氣動(dòng)特性選取兩個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)以地面為參照物，用來研究飛行汽車的運(yùn)動(dòng)；還有一個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)與車體質(zhì)心重合，稱為機(jī)體坐標(biāo)系[6]。待坐標(biāo)體系確定好了之后，便能夠?qū)︼w行器開展飛行動(dòng)力學(xué)的研究。

2 涵道螺旋槳外流場(chǎng)仿真模擬

為了準(zhǔn)確分析涵道體在涵道飛行器飛行過程中氣動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)飛行汽車在前飛狀態(tài)下進(jìn)行了流體仿真分析。

1.靜止域邊界：將流體域的6個(gè)面都設(shè)定為開口邊界，選取標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型[7]，流體選取常溫常壓下的空氣。

2.旋轉(zhuǎn)域邊界：分別給主涵道和推進(jìn)涵道螺旋槳設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速。

利用ANSYS-CFX后處理中提取的結(jié)果對(duì)飛行汽車的空中姿態(tài)進(jìn)行分析，當(dāng)主涵道前后兩個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速為10kr/min，推進(jìn)涵道螺旋槳轉(zhuǎn)速為6kr/min時(shí)，流線圖如圖4所示。

飛行汽車空中姿態(tài)流線圖可看出飛行汽車主涵道前側(cè)的流線繞著車頭形成環(huán)量，由茹可夫斯基升力定理[8]可知，只要存在繞柱體的環(huán)量都會(huì)產(chǎn)生升力，因而主涵道螺旋槳為飛行汽車提供了升力。飛行汽車后側(cè)流線圖可看出飛行汽車尾部存在環(huán)狀的流線，從而對(duì)飛行汽車產(chǎn)生推進(jìn)力?？罩凶藨B(tài)與許多參數(shù)有關(guān)，主要研究飛行汽車空中姿態(tài)有關(guān)的俯仰力矩（繞x軸）、偏航力矩（繞y軸）。

1）俯仰運(yùn)動(dòng)

俯仰運(yùn)動(dòng)是通過控制主涵道前后螺旋槳的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)的，將推進(jìn)涵道的左右螺旋槳均設(shè)為6kr/min不變，主涵道前側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)置為10kr/min， 主涵道后側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為8kr/min，9kr/min，10kr/min，11kr/min，12kr/min，13kr/min。，，分別表示主涵道前，后螺旋槳提供的升力和飛行汽車的俯仰力矩。飛行汽車的后側(cè)升力和俯仰力矩的趨勢(shì)圖見圖5所示。

前后主涵道附近車身結(jié)構(gòu)存在差異，且后側(cè)主涵道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)受到推進(jìn)涵道螺旋槳的流場(chǎng)的影響，即便前后主涵道螺旋槳轉(zhuǎn)速都是10kr/min的情況下，它們提供的升力也存在一定差異，且后側(cè)螺旋槳提供的升力大于前側(cè)螺旋槳提供的升力。隨著主涵道后側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速的提升，俯仰力矩也在逐漸增加，這是由于主涵道后側(cè)螺旋槳提供的升力增加，提供了正的俯仰力矩。因此可以通過改變主涵道前后螺旋槳的轉(zhuǎn)速來控制飛行汽車的俯仰運(yùn)動(dòng)。

2）偏航運(yùn)動(dòng)

偏航運(yùn)動(dòng)是通過控制推進(jìn)涵道左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速差的，因此將主涵道的前后螺旋槳均設(shè)為10kr/min不變，左側(cè)推進(jìn)涵螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為6kr/min，右側(cè)推進(jìn)涵道螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為4kr/min，5kr/min，6kr/min，7kr/min，8kr/min，9kr/min。在這6種情況下，，，分別表示推進(jìn)涵道左，右螺旋槳提供的推進(jìn)力和飛行汽車的偏航力矩。飛行汽車的右推力和偏航力矩的趨勢(shì)圖見圖6所示。

由于推進(jìn)涵道受到主涵道后側(cè)螺旋槳的流場(chǎng)的影響，使得即使在推進(jìn)涵道左右螺旋槳轉(zhuǎn)速都為6kr/min時(shí)，提供的推進(jìn)力也有一定的差異。隨著推進(jìn)涵道右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速的提升，偏航力矩也在逐漸增加，這是由于推進(jìn)涵道右側(cè)螺旋槳提供的推進(jìn)力增加，提供了正的偏航力矩。因此可以通過改變推進(jìn)涵道左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速來控制飛行汽車的偏航運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到飛行汽車轉(zhuǎn)向的目的。

3 結(jié)論與展望

文中采用流體仿真的方法對(duì)涵道飛行器前飛時(shí)俯仰及偏航特性進(jìn)行了分析，結(jié)合前人的研究得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）主涵道螺旋槳前后轉(zhuǎn)速一致時(shí)，受推進(jìn)涵道螺旋槳的影響，飛行器前后會(huì)存在升力差異，即不能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行駛，會(huì)呈現(xiàn)一定的俯仰角度。

2）前后主螺旋槳轉(zhuǎn)速差異越大，升力值差異越大，俯仰角度也越大。

3）推進(jìn)螺旋槳左右轉(zhuǎn)速一致時(shí)，受主涵道螺旋槳的影響，飛行器左右會(huì)存在推進(jìn)力差異，即不能實(shí)現(xiàn)直線行駛，會(huì)呈現(xiàn)一定程度的偏航。

4）左右推進(jìn)螺旋槳轉(zhuǎn)速差異越大，推進(jìn)力值差異越大，可以通過改變推進(jìn)涵道左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速來控制飛行汽車的偏航運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到飛行汽車轉(zhuǎn)向的目的。

由于數(shù)值仿真的局限性，多數(shù)具體參數(shù)還需要大量的實(shí)驗(yàn)研究來確定，但是文中的計(jì)算結(jié)論在涵道飛行器定性分析上具有有益的參考價(jià)值。

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳一般項(xiàng)目（2019C1642）。

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