橫流式飛行器旋翼結構設計

楊 穩,周幫倫,向 禎,陳 超,胡曉康,楊辛艤

(貴州理工學院航空航天工程學院,貴州 貴陽 550025)

0 引 言

在歷史上扇翼飛行器在發展過程中有過多次的性能提升,首次提出這一發明的是來自法國的Mortier,而將其首次利用于飛機上的是來自20世紀初的德國工程師Ackeret。在之后的20世紀60年代,Dornier首次嘗試將橫流式風扇與固定翼機翼相結合,以此利用這樣的結構產生飛行動力來源。20世紀末一位出生于英國的發明家成功地將橫流風扇式飛行器的原型機進行了首次飛行,這次成功飛行說明橫流飛行器是具有飛行器潛力的一款機型。橫流飛行器的特殊飛行特性得到了許多航空強國的相繼研究。特別是在美國和英國的相關實驗室的傾力研究下,目前已有相關模型樣機進行了相關飛行實驗。在我國,關于扇翼飛行器的探索還處于起步階段[1]。

扇翼是一種飛機配置,它使用安裝在機翼上的簡單橫流風扇,以極低的飛行速度提供分布式推進和增強機翼升力。與目前較為成功的螺旋槳飛機相比,扇翼飛行器的葉尖轉速是相對較低的,對于在增加推進效率與降低噪音方面有相對較大的優勢,既提高了飛行穩定性,又減少了阻力,從而顯著提高了巡航速度。橫流風扇飛行器具有良好的慢速飛行能力、固有安全性和相對安靜的推進力,能夠很好地適應城市附近的貨運作業。與飛機和直升機的比較表明,最近發展的扇翼概念飛機現在可以提供接近直升機和傾轉旋翼飛機的短場性能,但運營經濟性接近傳統飛機[2]。

本文介紹了關于扇翼飛行器的機翼結構設計以及改變風扇葉片形狀的方法,該技術對于扇翼飛行器具有極大的幫助,有助于實現扇翼飛行器的短距離起飛,甚至是垂直起飛,同時可以保證在不同的飛行環境下提供最理想的升力和推力,可以讓飛行器長時間處于一種較高的飛行速度,可以滿足對于救援救災等方面的要求。

1 橫流風扇飛行器原理與結構設計

作為一種具備新型飛行原理的扇翼飛行器,在無人飛行器中具備了很多的優點。比如,飛行效率高、載荷較大,同時它的結構較為簡單,制造方便,并且可以實現在短距起降,甚至是垂直升降。由于扇翼無人機在眾多領域具有較大的發展優勢,在如今已經成為了飛行器領域研究的熱點之一。

1.1 氣動布局

常規飛行器的機翼僅僅只能產生升力,而不能提供飛行器前進所需要的推力。但是扇翼無人機可以通過固定在機翼上表面的橫流式風扇在飛行過程中提供扇翼無人機所需要的升力以及前進的推力,其工作原理如圖1所示。

圖1 氣體流經翼面

從圖1可以看出,在飛行器運轉過程中,來流通過機翼時被分成兩部分:一部分經過橫流風扇旋轉葉片加速從機翼上方流出;另一部分被機翼上安裝的橫流風扇吸入風扇內部,并在葉片中心偏左方形成一個重要的低壓偏心渦。提供給橫流風扇飛行器升力的主要來源有兩個部分:第一部分是橫流風扇在轉動時加速了機翼上表面的空氣,使得上表面的壓力降低,而機翼下表面流速又相對較慢壓力較大,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自于橫流風扇內部形成的低壓偏心渦與機翼下表面之間形成較大的壓力差而產生的升力。飛行器前進所需要的推力也來自于兩部分:第一部分是由于葉片轉動時推動機翼上表面來流快速向后排出所形成的反推力為飛行器帶來一個向前的動力;另一部分則來自低壓偏心渦,由于低壓偏心渦大多形成于風扇內部偏右的下方位置,這就影響了橫流風扇飛行器機翼水平方向的壓強分布,從而形成了一個壓力差,進而提供一個向前的推力[3-4]。

1.2 設計流程

根據橫流風扇飛行器的排氣特征,建立了橫流風扇飛行器在運動過程中的滑流模型并利用動量理論分析飛行器滑流產生的氣動力以及飛行器消耗的功率。通過葉素理論,對橫流風扇葉片周圍的來流環境和風扇葉片的受力進行分析,從而得到橫流風扇葉片的氣動力及葉片的消耗功率。同時可以通過渦運動理論,分析橫流風扇內部低壓偏心渦的特性,并將飛行器整體機翼上表面的空氣流動簡化為在平行平面之間的流動,以此來分析在低壓偏心渦和橫流風扇葉片旋轉的共同影響下,機翼因為壓差而產生升力和推力。根據橫流風扇飛行器機翼的繞流特征,將飛行器的固定機翼和橫流風扇看做一個整體,形成的飛行器機翼的厚翼模型并利用翼型理論分析機翼厚翼模型所能夠產生的升力和推力,最后做出總模型,其設計流程如圖2所示。

圖2 設計流程

2 橫流風扇飛行器旋翼轉置設計

2.1 旋翼轉置結構設計

為了解決橫流風扇式飛行器在負載不同時轉速與進出風口的變化以及轉速較大時,氣體流量的不匹配而發生喘振現象,而設計的一種橫流式葉輪結構,增加了發動機產生的推力的利用率,減弱喘振帶來的危害,同時能夠做到縮短飛行器的起飛距離,甚至可以實現垂直升降,減小了滑跑起飛所需的空間,更加適應城市內貨物運輸。

本文設計了一種橫流風扇飛行器上的槳葉結構,它包括法蘭型帶座軸承、同步皮帶、電機、限位法蘭、傳動齒輪、葉片、傳動軸、垂直安定面。機翼內安有傳動電機,葉輪采用葉片與傳動軸直接連接,傳動軸與機翼通過連軸器連接,如圖3所示。

圖3 旋翼結構示意

葉片弧角可改變,扇翼飛行器葉尖弧角(葉片外側起末連線與水平方向的夾角)的理想角度為30.17°～31.13°,在這一段角度范圍變化之內,扇翼飛行器葉輪進風量適中,與之連接的機翼振動小,產生的噪音小,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,葉片內側起末連線與水平方向的夾角范圍為38.56°～39.52°,葉片外側起末連線與水平方向的夾角范圍為30.17°～31.13°,葉片最大幅度處切線與水平方向夾角范圍為31.13°～32.09°,如圖4所示。進出風口的開口槽為可調節槽。改善了橫流式飛行器機翼的氣動干擾所造成的機翼震動,增強了飛行器的穩定性,降低了飛行時所產生的噪音,提升了飛行器載重能力,符合節能降噪的要求[5]。

圖4 葉片設計

根據負載不同,調整轉速與進出風口的變化,可實現短距起飛。

2.2 橫流式飛行器葉輪結構

葉片是飛行器產生動力的部件,一種運用在橫流風扇飛行器上的槳葉結構。機翼內安有傳動電機,葉輪采用葉片與旋轉輪直接連接,旋轉輪與機翼通過連軸器連接,結構緊湊,保證了橫流風機的運行平穩,震動噪音低。以往的橫流風扇葉片,當轉速較大時,可能會造成氣體流量的不匹配而發生喘振現象,甚至發生飛行器失控乃至墜機事件,對飛行器的安全造成了很大的困擾,而改變葉片的形狀,就可以減弱這種危害,也能夠做到縮短飛行器的起飛距離,甚至可以實現垂直升降,使該飛機占地面積變小,更加適合城市內貨物運輸。

3 可調節開口角式機翼設計

本文將扇翼的開口角,設計成可調節式的結構,在扇翼飛行器機翼前緣內部有可滑動的擋板,同時機翼外側帶有滑軌以方便擋板滑動,滑動后的擋板與機翼前緣形成的新機翼前緣,兩側機翼內部的滑動擋板在靠近機身處延伸并直接相連鑄成一個整體,保證在改變機翼開口槽時可以同時改變兩側機翼的開口槽。擋板外側兩端與機翼外側相合,中間與機翼前緣形狀相似[6]。橫流風扇內部形成的偏心渦控制,對機翼升力也有影響[7],可通過開口角控制進入風扇翼內部流量大小,進而控制影響偏心渦產生的位置和強度,從而獲得最優升力。

這樣,增強了扇翼飛行器在面對不同來流速度時的應對能力并降低了對能源的消耗,使扇翼飛行器適合在不同情況下進行飛行,該結構運轉起來有較強的可靠性,效率得到了提升,維修成本低,更加節能環保。

3.1 氣動原理

具有扇翼的飛行器的上升力和推進力通過橫流式的風扇在機翼的前緣工作產生,這些力量是通過圓形的機翼內一個旋轉的渦流產生,各種力相互依存產生作用,要想修改其中的某一個力就變得非常復雜,在某一層面上,直接影響了飛行器氣動可調性。經過實驗,通過改變前緣開口槽,會對氣動布局產生很大的變化。傳統的扇翼飛行器的機翼開口槽是固定的,在面對不同的來流速度時不可避免有不足之處,影響飛行器的性能。在機翼前采用可變的開口板,可以控制氣流進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力,開口槽結構還可以將混合的氣流布局進行一部分的分解[6]。

3.2 技術方案

為了使扇翼飛行器在起飛和著落時具有更好的穩定性,并可以保持在同一迎角的機翼情況下起飛、降落以及飛行的過程中在不同來流速度下能讓飛行器保持最大升力用來減少飛行時所需要的能源消耗以及提升飛行器的負重能力和最遠飛行距離[6]。本文設計帶有可調節開口槽的新型機翼,解決在不同來流速度下的機翼無法保持最大升力所需要的開口槽的問題。調節扇翼飛行器前緣開口槽的尺寸的裝置,它包括電機、齒條、傳動齒輪、電機傳動軸、同步皮帶、同步帶輪,如圖5所示。

圖5 開口槽控制結構示意

這樣,滑動后的擋板與機翼前緣形成的新機翼前緣,兩側機翼內部的滑動擋板在靠近機身處延伸并直接相連鑄成一個整體,保證在改變機翼開口槽的同時改變兩側機翼的開口槽。擋板外側兩端與機翼外側相合,中間與機翼前緣形狀相似。

改變傳統的固定開口槽機翼,在機翼前緣處加工制造圓弧平面形擋板,如圖6所示。

圖6 開口槽設計

擋板外側兩端與機翼外側相合,擋板具體加工寬度為機翼前緣厚度的1/2,長度與飛行器整體寬度相同。該新型機翼增加了可以調節開口槽的滑動擋板,在使用時相當于機翼前緣的一部分,在電機的帶動下改變該機翼的開口槽,使扇翼飛行器在不同的來流速度下達到可以保持最大升力的開口槽。另外,改變開口槽還可以使來流進入扇翼橫流風扇的前緣通道改變,改變進入發動機的氣體流量,對偏心渦有一定的保護作用。

4 結語

橫流風扇飛行器特殊翼型相較于一般飛行器機翼翼型可以獲得更高的升力,因為風扇翼上表面的氣流在發動機風扇的帶動下速度將會增加,而風扇翼下表面的氣流受扇翼運動的影響較小,速度幾乎不發生變化。機翼上下表面氣流速度不同,上下表面流體產生較大壓力差,因此在橫流風扇機翼內部將會產生一個低壓偏心渦,提供飛行器向上的升力與向前的推力。

本文分析了橫流風扇飛行器產生升力的原因與其影響因素,結合橫流風扇飛行器氣動布局對結構進行優化設計,設計了橫流風扇的葉輪結構,確定了最佳葉片弧角與最佳葉片安裝角,并且設計了可調節前緣開口角。使得風扇內部產生的偏心渦強度高、穩定性好、可控性高,那么飛行器在不同飛行過程中能夠提供不同的升力,更節能,更穩定。