扇翼飞行器 论文.doc

扇翼飞行器模型的设计与制作 作者：陶明 指导老师：王菲茹、江善元、张栋 【摘要】扇翼飞机是介于直升机和固定飞机的一种大载荷低速新型飞行器，其飞行原理特殊，结构独特。本文根据其设计原理，参考国内外扇翼飞行器为数不多的模型案例，研究、设计、并制作了一架扇翼飞行器的模型，同时，通过试飞，验证了扇翼飞行器的飞行原理和基本控制原理。 扇翼飞行器是利用机翼加上风扇上的吹风装置，将升力和推力结合起来，从而使飞行器能够飞起来。该构思开辟了一类新型通用飞行器研究、开发的新领域。 扇翼飞机的扇翼由水平叶片组成，类似“松鼠笼”，该“松鼠笼”的柱状机翼取代了直升机的旋翼。这种机翼能提供相当大的升力，同时具有很好的低速安全性能。与普通的直升机和固定翼飞机相比，扇翼飞机只要很小的动力就能飞行，其优点表现为： 1)升力大； 2)可以短距离起飞和降落； 3)飞行时噪音小，非常安静； 4)飞行安全性好，机翼不会失速，飞行稳定 5)控制操纵系统简单； 6）飞行效率高，节省能源。 有研究表示扇翼飞行器要比直升机的飞行效率高50％，并且预测具有100马力的扇翼飞行器其最大载荷量可以达到2吨。由于其独特的飞行原理和结构设计，使该种结构的机翼永远不会失速，具有很好的安全性。可以预见，将扇翼飞行器作为一种新型无人机机型，在军用及民用领域将会有很广阔的应用前景。 1 扇翼飞行器的飞行原理 常见的固定翼飞机飞行原理，是当飞机在向前运动时，空气在机翼的前缘分流为上下两股气流，上表面的气流，受到机翼翼型突起的影响，使流线收敛变密，流速加快；而流过下表面的流线也受凸起的影响，但下表面的凸起程度小于上表面，所以，相对于上表面来说流线较疏松，流速较慢。由于机翼上表面流管变细，流速加快，压力较小，而下表面流管粗，流速慢，压力较大。从而在机翼上、下表面产生了压力差。而上下压力差使机翼产 生了升力。 扇翼飞行器是根据马格努斯效应制造而成的。所谓马格努斯效应是：当气流沿着一个旋转物体的旋转平面流过时，就会在物体上产生一个垂直于气流流向的作用力。该构想的实现，是通过在机翼上装配水平轴向转动的风扇，从而获得升力。 该装置类似‘松鼠笼’。通过水平 图1 扇翼飞行器原理图 轴上扇翼的主动旋转，在机翼前缘抽取空气，通过叶片的旋转使上表面的气流加速，由于机翼下表面的空气流速没有经过加速的，增大机翼上下表面的压力差，使扇翼飞行器的机翼能够产生足够的升力。 1 999年，英国的发明家帕特·皮布尔斯与他的妻子狄科拉·皮布尔斯，以及来自美国的加雷斯·詹金，共同研制并成功试飞了第一架扇翼飞行器的原型机。该原型机最大起飞重量为44磅(约20千克)，其中载荷就达22磅(10千克)。同年12月在JMR Graham教授的指导下，对扇翼飞行器的机翼进行了风洞试验。并在2000年7月和2001年5月份再次进行了风洞试验。2001年lO月在风洞试验的基础上制作并试飞成功了—个全新的扇翼飞行器原型机，该原型机展长1．8米、重6千克。随后，为了向小型机发展，2002年2月制作了一个较小的原型机并试飞成功。该原型机翼展8O厘米，转动部分重600克，该模型表现了良好的飞行性能。2003年9月，制作完成了一架翼展为2．2米的扇翼飞行器模型，该模型表现了良好的飞行性能。2005年l 2月，制作了一架可垂直起降的扇翼飞行器的原型机，起飞重量6千克，翼展1．4米，飞行速度0—75千米／小时。 目前，美国和英国政府已经把扇翼飞行器当作一种无人侦察机的可行模型，而据资料介绍，有人驾驶的扇翼飞机在几年内将进入样机测试。扇翼飞机的低速特性将使它在低速通用飞行器有非常广阔的前景。 2.扇翼飞行器模型的设计 2.1扇翼飞行器转动部分的设计 扇翼飞行器叶片宽度、叶片偏心角度、叶片数量及转动半径等都是影响扇翼飞行器升力的主要因素。 经过资料收集和实验验证，我们选用的扇翼飞行器转动部分的基本数据如下: 风扇由16片叶片和中间的转动轴组成，每个叶片都是半径为50mm的圆弧，叶片厚1.5mm，叶片宽为2mm，叶片的偏心角度为8度。 为了减轻风扇转筒的整体质量，同时在保证整个风扇结构强度的前提下，我们在风扇叶片的固定圆片上，做了16个减重孔，如上图所示。 图2 扇翼叶片固定圆片 图3 扇翼固定翼型 2.2扇翼飞行器固定部分及翼型 扇翼飞行器翼型基本数据和结构：扇翼飞行器翼型弦340mm，外缘直径170mm。翼型后缘部分上下表面均为直线，上表面