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基本信息

項目名稱:
扇翼機
小類:
機械與控制
簡介:
本作品設計了一種新概念扇翼飛行器——扇翼機,其飛行原理與現有固定翼、旋翼飛行器的原理不同,它是在機翼上表面安裝橫流風扇,利用風扇旋轉時產生的升力和推力供給飛行器進行飛行。該飛行器具有超短距起降、大迎角不失速、操縱控制簡單、低速飛行穩定性和安全性好等優點。它比直升機結構和操控系統簡單,巡航效率高;比固定翼機起降距離短,低速飛行時有效載荷大,是一種性能介于直升機和固定翼機之間的新型飛行器。
詳細介紹:
一、設計、發明目的: 本作品是設計制造一種新概念新原理的飛行器――扇翼機。其基本布局是在固定翼飛行器機翼前緣的上表面裝有橫流風扇,利用橫流風扇旋轉時產生的升力和推力進行飛行。因此,我們把它稱之為扇翼飛行器或扇翼機,是一種從原理到構型都具有創新意義的飛行器,與常見的固定翼、旋翼、撲翼飛行器有本質的區別。 扇翼機在功能上的特點有:超短距起降(甚至可垂直起降)、大迎角飛行時不失速、結構和操控系統簡單、低速飛行時載荷大、穩定性和安全性好等,特別適合低空低速飛行,以及在起降條件較差的地區使用。 扇翼機與直升機相比,結構和操控系統要簡單得多,巡航效率高,沒有直升機具有的氣動、結構、氣彈、飛控、振動、噪聲等一系列十分復雜的問題,研制和使用維護成本小;它與固定翼機相比,起降距離短,大迎角及紊流飛行狀態下不失速,有效載荷大,低空低速飛行時穩定性和安全性好。這是一種性能介于直升機和固定翼機之間的新型飛行器。由于這種飛行器在原理上的獨創性, 相關機構把其評為“自萊特兄弟發明飛機以來少數幾個真正意義上的新型飛行器之一”,“具有革命性的意義”。 通過設計制作該作品,進一步探索扇翼類飛行器的飛行原理、空氣動力學性能、飛行力學和動力學特性,研究總體氣動布局、結構設計、動力、傳動、飛行控制等技術,從而掌握該類飛行器的基本原理和設計方法,形成具有自主知識產權的扇翼類飛行器的設計技術和能力。 二、基本思路: 在深入研究并掌握扇翼機的飛行原理和相關技術的基礎上,結合當前的實際條件,進行作品的創新設計,包括扇翼機總體構型、動力裝置和總體參數選擇、系統總體布置、氣動布局設計、氣動性能和飛行特性計算,以及風洞試驗驗證等。根據設計、計算和試驗結果,不斷調整設計參數,優化總體設計方案。在總體方案確定后,進行各分系統和相關部件的設計,以及樣機各部件加工制作、總體裝配、地面調試和飛行試驗,完成項目研究。 三、創新點: 扇翼機是一種新原理新概念飛行器,具有多方面的創新點,主要表現在: 1)系統創新 扇翼飛行器是一種從原理到結構都有重要創新的飛行器,其整體結構簡單,操控方便,載荷大,功能獨特,優點突出,是一種新型的飛行器,具有整體系統上的創新意義。 2)原理創新 扇翼飛行器采用橫流風扇提供升力和推力,其升力和推力的產生方式與固定翼、旋翼、撲翼飛行器升力和推力的產生方式都不同,因此,本飛行器在最基本的工作原理方面有所創新,這是一種機理方面的本質上的創新。 3)構型創新 基于扇翼飛行器的新型飛行原理,它在構型方面采用在固定翼飛行器機翼前緣上表面安裝橫流風扇的獨特結構設計,其總體氣動布局與固定翼、旋翼、撲翼飛行器的布局都不同。 4)升力、推力控制技術創新 扇翼機通過調節橫流風扇的轉速、機翼前緣進氣口的角度、風扇的葉片數量、葉片的安裝角等參數,實現對升力和推力的控制,這也與其它飛行器的控制方式有很大區別。 5)設計和分析方法創新 扇翼機具有獨特的原理和結構,需要有其它飛行器不具備的創新設計技術和分析方法,如適合飛行器的高性能橫流風扇設計技術,適合扇翼機橫流風扇內、外部流場,以及與整機流場耦合問題的高精度分析方法等。 6)本作品是我國首架成功進行了飛行試驗的扇翼機。 四、關鍵技術: 扇翼機涉及總體、氣動、結構、動力、傳動、飛行控制等眾多學科的關鍵技術,無論在理論分析還是在試驗方面都存在一定的技術難度。根據最新研究分析,新概念扇翼機研制的關鍵技術主要有: 1)扇翼機的總體布局及優化設計技術。 扇翼機是一種新型飛行器,其總體構型與參數的選擇,氣動布局的確定,氣動性能與飛行特性的分析計算,動力、傳動、操控系統的設計等,決定了扇翼機的總體性能,是扇翼機最主要的關鍵技術。因此,本設計須根據實際需要,結合國內外的研究基礎,初步確定系統平臺的總體構型、參數和布局,通過理論分析和試驗,對總體布局方案進行反復比較和優化設計。 2)高性能橫流風扇及扇翼設計技術。 扇翼機靠橫流風扇產生升力和推力,橫流風扇的性能對扇翼機的飛行性能具有重要影響,高性能橫流風扇設計技術,以及風扇與機翼組合的扇翼設計技術,直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能。因此,扇翼設計是扇翼機氣動設計的關鍵技術。 3)扇翼機分布式推力、渦升力及其控制技術。 扇翼機依靠橫流風扇產生分布式升力和推力,其升力的大部分又受風扇內部的偏心渦控制,因此,研究掌握偏心渦的強度和位置的變化規律,即偏心渦的控制技術,才能真正掌握扇翼機的飛行原理和核心技術。扇翼機偏心渦的強度和位置受風扇轉速、來流、風扇葉片等眾多因素影響,需要通過深入細致的理論和試驗研究來解決。 4)扇翼機的氣動特性分析技術。 扇翼機與其它飛行器的最大區別,在于升力和推力的形成機理不同,即升力和推力的產生方法與控制方式不同,因此,現有飛行器的氣動特性分析方法不適合扇翼機,需要建立一套適合扇翼機橫流風扇內外部流場和整機流場耦合問題的新的分析方法。 5)扇翼機的飛行控制技術。 盡管扇翼機和固定翼飛行器在總體構型上有較大的相似,在飛行操縱和控制部件及參數方面有多處相同,但因其升力和推力的產生、控制方式及變化規律不同,飛行環境也有差異,因此需要對扇翼飛行器的飛行力學規律、操縱和飛控系統的設計技術進行重新研究,以滿足扇翼飛行器的需求。 6)扇翼機試飛驗證技術。 任何具有實用意義的飛行器,都要經過長期反復嚴格的飛行試驗,以確保其可用性和安全性。固定翼、旋翼類飛行器已經建立了一套嚴謹規范的試飛驗證技術,而扇翼機在飛行試驗方面的技術還是一個空白,需要在不斷地探索過程中,建立一套科學嚴謹規范的扇翼機試飛驗證技術。 如前所述,扇翼機是一種新概念新原理飛行器,在構型、原理、布局等方面與現有飛行器有很大不同,因此,本作品在設計、分析和制造方面,具有許多獨特的技術和方法,主要體現在: 1.獨特的飛行原理 扇翼機是通過安裝在機翼前緣上表面的橫流風扇提供升力和推力進行飛行。扇翼機升力由兩部分組成:一部分是當風扇旋轉時,機翼后半部分上下表面的流速不同,造成機翼上下表面的壓力差,形成機翼的升力;另一部分是當風扇旋轉時,在風扇內部產生一個很強的偏心旋渦低壓區,使得機翼前半部分圓弧形區域的上下表面產生較大的壓力差,形成更大部分的機翼升力。它的推力是當風扇旋轉時,葉片對空氣作用向后推出氣流,形成向前的推力。由此看出,扇翼飛行器是一種與固定翼、旋翼、撲翼飛行器的工作原理都不同的新概念新原理飛行器。 2.獨到的扇翼設計技術 扇翼機主要靠風扇的旋轉產生升力和推力,適合飛行器的高性能風扇以及風扇與機翼組合的扇翼設計技術,直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能,也是扇翼機獨有的關鍵技術之一。影響扇翼性能的因素眾多,如風扇的轉速、風扇的直徑、風扇與機翼凹面間的間隙、葉片的數量、葉片安裝角、葉片弦長、葉片弧度、機翼后部上表面的傾斜角、機翼的形狀、機翼的迎角等,我們經過計算分析,選擇了一組較好的參數,進行了橫流風扇和扇翼的組合設計。 3.創新的總體構型和氣動布局設計 扇翼機主要的升力和推力來源于復合式機翼結構,同時考慮到其低速大載荷的特點,需要對扇翼機各承力面之間的相互位置以及相對尺寸和形狀進行設計。在總體構型方面,扇翼機采用了正常布局,即在機翼的前端沿展向布置橫流風扇,并采用高平尾平衡風扇的扭矩。動力系統采用單臺發動機驅動橫流風扇以產生分布式推力和升力,操控系統與固定翼飛機相似,但副翼設計在扇翼的外側,尾部安裝平尾及雙垂尾,用于保證扇翼機的穩定性。通過副翼、升降舵、方向舵以及控制風扇轉速來實現扇翼機的操縱。起落架采用四點式布局。 4.獨有的升力、推力控制技術 扇翼機在機翼上表面的前緣安裝橫流風扇,依靠橫流風扇的旋轉,使得機翼上下表面的流速不同,并在風扇內部形成旋渦低壓區,造成機翼上下表面的壓力差,使得機翼獲得升力和推力,推動飛行器飛行。研究發現,旋渦低壓區所在的圓弧形機翼上下表面形成的壓差力占了扇翼機升力的70%以上,同時旋渦低壓區的強度和位置顯著地影響了扇翼機升力、推力的大小和方向。此外影響旋渦強度和位置的因素包括:風扇的轉速、葉片的安裝角、機翼前緣的進氣角度、葉片弦長、葉片數量等。因此我們可以通過控制風扇的轉速、機翼前緣的進氣角度、葉片安裝角等因素來控制旋渦低壓區域的強度和位置,從而實現對扇翼機升力、推力的控制,該項控制技術是扇翼機獨有的技術。本團隊在深入地研究扇翼機飛行原理的基礎上,發展了這種全新的升力、推力的控制技術。 5.低速巡航時的大載荷特性 由于扇翼機獨特的飛行原理,使其在低速巡航飛行時具有比固定翼飛行器和直升機大得多的載荷性能。經詳細的理論分析和實驗研究發現,在低速飛行時,同樣消耗100馬力的功率,扇翼機的載荷大約是固定翼飛行器的2倍,是直升機的4倍。 6.低速飛行控制律設計 扇翼機主要適合低空低速飛行,在這種狀態下,固定翼飛行器的飛控系統,不適合扇翼機的飛控要求,因此必須針對扇翼機低空低速和大迎角狀態下的飛行特點,研究開發扇翼機的飛控系統,這將填補國內的研究空白。 7.先進的氣動特性分析方法 由于扇翼機在飛行原理、總體構型、氣動布局和結構方面的特殊性,現有飛行器的氣動特性分析方法不適合扇翼機,需要建立一套能夠處理扇翼機橫流風扇內外部流場和整機流場耦合問題的數值分析方法。為此,我們根據扇翼機升力、推力和流場具有二維特性的特點,建立了基于計算流體動力學(CFD)技術的扇翼機氣動特性分析的數值計算模型。 8.簡潔的驅動和傳動系統 采用外轉子無刷電機作為動力裝置,通過傳動軸、軸承、聯軸器等部件驅動橫流風扇,實現高效傳動。固定軸承位置以保證兩側風輪的同軸度;使用聯軸器實現扭矩從傳動軸到風輪的傳遞;安裝多個聯軸器,均勻分布扭矩至兩側風輪,消除扭矩傳遞不均現象,減輕風輪變形以及振動。 9.高效的操控系統 操控系統布局與固定翼飛機相似,機翼外側安裝副翼,尾部安裝平尾、垂尾、升降舵和方向舵。與固定翼飛機不同的是,操縱舵面的設計需要考慮扇翼機低速大載荷以及短距起降的特性,因此采用較大的操縱舵面,改善低速飛行時的操縱效率,此外扇翼機可以通過控制風扇的轉速來控制升力和推力的大小。 10.飛行試飛技術 扇翼機是一種新概念新原理飛行器,現有飛行器的試飛技術不能完全適應扇翼機,特別是在升力、推力以及起飛降落的操控方面。但因扇翼機與固定翼飛機在操控方面總體上的相似性,在對扇翼機進行了大量的地面調試后,逐步掌握了橫流風扇轉速的調節規律,以及轉速與起飛速度間的關系,實現了短距起飛;空中飛行時,通過操縱升降舵、方向舵和副翼,來改變扇翼機的飛行姿態和飛行軌跡;降落時,通過減小風扇轉速,并配合操縱升降舵,保證扇翼機平穩降落。 11.技術難點 1)扇翼機的原理研究。 由于該類飛行器是基于一種新的飛行原理,對其的認識和了解還非常膚淺,鑒于其比較復雜的復合式機翼升力推力系統結構,加上其風扇內部流場的旋渦結構和整體的內外部流場的耦合作用,給原理分析帶來很大困難,需要建立一套合適的分析方法進行原理探索。 2)扇翼機的升力推力控制技術。 由于扇翼機的升力推力受旋翼轉速、風扇尺寸、葉片數量等眾多參數的影響,必須弄清各個參數對升力推力的影響規律,以及參數之間的相互影響規律,才能掌握對升力推力的控制技術,這需要做大量深入細致和系統的工作。 3)高效的橫流風扇和扇翼設計技術。 風扇和扇翼直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能,扇翼組合設計技術是扇翼機獨有的關鍵技術之一,該技術目前在國內還是空白,并且影響扇翼性能的因素眾多,如風扇的轉速、風扇的直徑、風扇與機翼凹面間的間隙、葉片的數量、葉片安裝角、葉片弦長、葉片弧度、機翼后部上表面的傾斜角、機翼的形狀、機翼的迎角等,要在這眾多的參數中選擇一組合適的設計參數,是本設計的又一個技術難點。

作品圖片

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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

1.發明目的: 通過設計制作扇翼機,可以對扇翼機的飛行原理、總體氣動布局、空氣動力學與飛行力學特性等方面進行探索和研究,從而掌握扇翼機的基本原理和設計方法,形成具有自主知識產權的扇翼類飛行器的設計技術和能力。 2.基本思路: 在研究了扇翼機飛行原理的基礎上,本團隊進行了扇翼機總體和氣動布局的初步設計,確定總體參數,建立數學模型,進行性能計算和風洞實驗驗證。根據計算和實驗結果,調整設計參數,優化設計方案。在總體方案確定后,進行相關零部件和各分系統的設計,再進行各部件加工制作和總體裝配,最后進行飛行試驗,完成項目研究。 3.創新點: 1)系統創新 2)原理創新 3)構型創新 4)升力、推力控制技術創新 5)設計和分析方法創新 6)本作品是我國首架成功進行了飛行試驗的扇翼機 4.關鍵技術: 1)扇翼機的總體布局及優化設計技術。 2)高性能橫流風扇及扇翼設計技術。 3)扇翼機分布式推力、渦升力及其控制技術。 4)扇翼機的氣動特性分析技術。 5)扇翼機的飛行控制技術。 6)扇翼機試飛驗證技術。 5.主要技術指標: 有效機翼展長: 1m 空重: 5kg 最大起飛重量: 8kg 有效載荷: 2kg 平飛速度: 36km/h 起飛距離: 小于5m

科學性、先進性

一、獨特的飛行原理 扇翼機通過橫流風扇的旋轉產生升力和推力。 二、獨到的扇翼設計技術 適合飛行器的高性能風扇以及風扇與機翼組合的扇翼設計技術,直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能。 三、創新的總體構型和氣動布局設計 考慮到扇翼機低速大載荷的特點,需要對其各承力面之間的相互位置以及相對尺寸和形狀進行設計。 四、獨有的升力、推力控制技術 通過調節影響旋渦低壓區強度和位置的參數可以顯著地改變扇翼機升力、推力的大小和方向。 五、低速巡航時的大載荷特性 在低速飛行時,同樣消耗100馬力的功率,扇翼機的載荷大約是固定翼飛行器的2倍,是直升機的4倍。 六、低速飛行控制律設計 針對扇翼機低空低速和大迎角狀態下的飛行特點,研發適合于扇翼機的飛控系統。 七、先進的氣動特性分析方法 根據扇翼機的流場特性,建立了一套適合于扇翼機氣動特性分析方法。

獲獎情況及鑒定結果

獲得大學生課外學術科技作品競賽校內選拔賽特等獎。

作品所處階段

本作品處于中試階段,已經完成了原理驗證并實現飛行。

技術轉讓方式

技術轉讓或合作開發

作品可展示的形式

本作品可以通過圖片和實物來展示它獨特的外形。還可以通過飛行視頻來展示它不同于傳統飛行器的飛行原理。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

扇翼機具有超短距起降、大迎角不失速、 操縱控制簡單、噪聲小、低空低速性能好、穩定性強等優點。 與直升機比: 1)機械結構簡單 2)操控系統簡單 3)效率高、噪聲低、振動小 4)穩定性好 與固定翼飛機比: 1)超短距起降,低速載荷大,穩定性好 2)紊流及大迎角下無氣流分離、不失速 應用前景 基于扇翼機超短距起降的特點,它可以在邊疆、海島、沙漠等起降條件不好的地方執行任務。同時扇翼機低空低速性能好、穩定性強以及安全性能好的優點可以使它成為一種高效實用的城市短途交通工具。此外,扇翼機還有更多的應用: 1)城市監測 2)農林作物病蟲害防治 3)消防 4)無人機 5)海上、陸上救援

同類課題研究水平概述

國外研究情況: 扇翼飛行器因其獨特的飛行原理和飛行性能,受到了美國、英國、伊朗、以色列等國家的相關研究機構的關注。在美國NASA、英國SMART等機構的資助下,英國的Imperial College、Kingston University、FanWing公司、美國的Syracuse University、Naval Postgraduate School、Propulsive Wing公司、伊朗的Iran University of Science and Technology等研究機構開展了扇翼類飛行器的原理、構型、氣動特性、結構優化等多方面的理論和實驗研究,并制造了原理樣機。 近年來,Joseph Kummer和Dang TQ提出了將橫流風扇內置于厚機翼中后部,加上尾部導流片對流動的控制,可以獲得分布式矢量推力和升力,發明了推進翼的新概念。2006年,Joseph Kummer等人在美國成立了Propulsive Wing, LLC公司,致力于新概念推進翼飛行器的研究,研制并成功試飛了兩種形式的推進翼飛行器樣機。 隨著CFD技術的發展,Kingston University的Deepthi D.等、Syracuse University的Joseph Kummer等、Iran University of Science and Technology的S.Askari等人對扇翼類飛行器的原理和性能,進行了基于CFD技術的分析研究,揭示了扇翼類飛行器的特殊機理,獲得了改善飛行器性能和效率的方法,同時,Imperial College的Q. Ahad等人還進行了扇翼類飛行器的實驗和飛行仿真。總的說來,由于扇翼飛行器發明不久,對它的許多研究還處于起步階段,需要在各方面做很多系統化的深入研究,以獲得高性能高效率高可靠性和安全性的扇翼飛行器。 國內研究情況: 我國對于扇翼類飛行器的研究還剛剛起步,主要集中在高校和科研單位。對于扇翼類飛行器的研究正處于理論探索階段。
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