陸空兩用飛行汽車升力系統(tǒng)設(shè)計與分析?

賈小平，邢 旺，于魁龍，樊石光

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

陸空兩用飛行汽車升力系統(tǒng)設(shè)計與分析?

賈小平，邢 旺，于魁龍，樊石光

（裝甲兵工程學院，北京 100072）

設(shè)計一款采用涵道風扇作為飛行動力元件的陸空兩用飛行汽車，根據(jù)主要性能指標及布置形式，基于空氣動力學動量理論對涵道風扇升力進行設(shè)計計算。通過與發(fā)動機的匹配計算得出陸空兩用飛行汽車的飛行性能參數(shù)，最終提出一種涵道風扇式飛行汽車的設(shè)計方案，驗證了采用涵道風扇形式的輕型陸空兩用飛行汽車設(shè)計的可行性。

陸空汽車；垂直起降；涵道風扇；動量理論

1 前 言

飛行汽車是一種既能在地面行駛，又能在空中飛行的一種特種車輛，即地－空兩棲汽車。自從1903年懷特兄弟發(fā)明飛機以來，設(shè)計一輛能夠飛行的汽車一直是很多人的夢想。自1917年第一輛飛行汽車問世以來，人們開始了對飛行汽車的大量探索［1］，隨著人類活動范圍進一步擴大、社會進一步發(fā)展，人們對自身功能要求的不斷提高，一種能面向?qū)嵱玫目蓾M足陸、空兩種使用要求的特種車輛平臺引起了更多的關(guān)注。飛行汽車有多種布置形式［2］，在汽車上加裝機翼和尾翼通過翼面產(chǎn)生升力，采用螺旋槳推進，采用噴氣式發(fā)動機推進，還有采用涵道風扇推進。

涵道風扇系統(tǒng)作為一種推力或升力裝置，自20世紀50年代起開始在垂直起降和短距飛行器中得以應(yīng)用［3］。涵道風扇能夠改變螺旋槳下游的滑流狀態(tài)［4－6］，增大滑流面積、減小滑流損失；涵道壁面改善了螺旋槳槳尖區(qū)域的繞流特性，減小了槳尖損失從而具有較大的升力系數(shù)，能在同功率下產(chǎn)生較大拉力。利用涵道風扇作為陸空兩用車輛的升力來源可提高旋翼升力，減小風扇直徑和振動?；谝陨咸攸c，茲車輛可用于各種條件下的軍方偵察，并可供地質(zhì)勘探、護林及特種作業(yè)。

2 總體性能指標及布置形式

國外飛行汽車如圖1所示。參考國外幾種形式的陸空兩用飛行汽車主要參數(shù)并根據(jù)國內(nèi)發(fā)動機、材料以及機械加工水平等因素，初步提出目標車輛的主要技術(shù)性能如表1所列。

圖1 國外飛行汽車

表1 主要技術(shù)性能指標

該陸空兩用車輛采用縱向前、后布置的2組涵道風扇產(chǎn)生升力及推力。每組風扇有1對四葉共軸反旋螺旋槳，涵道外環(huán)橫掛在車架上。涵道內(nèi)罩又以二縱向軸懸掛在涵道外環(huán)上。2個反旋共軸螺旋槳由1個差速器裝置驅(qū)動，因此涵道風扇形成一陀螺，可自由地繞1對相互垂直的軸而旋轉(zhuǎn)。如不用人力操縱，在空中則無論車體朝哪個方向傾斜，涵道風扇均可借陀螺的作用來保持與地面垂直。提出的輕型陸空兩用車輛如圖2所示。

圖2 陸空車外觀想象圖

3 涵道風扇參數(shù)的選擇

在分析涵道風扇性能時，考慮空氣誘導(dǎo)速度沿槳葉半徑方向是不均勻的。當不受涵道影響時［4］，其分布如下：

由于涵道的存在，使得空氣誘導(dǎo)速度產(chǎn)生一增量Δv，且沿槳葉方向呈不均勻分布。實驗證明：如涵道前緣半徑等于進口半徑的5.2%，則涵道所產(chǎn)生的推力增量等于單獨風扇推力的40%。

由螺旋槳動量理論：

故陸空車推力增至1.4倍，平均誘導(dǎo)速度增至1.8倍，則：Δ

在理論上可用1個渦環(huán)代替涵道，在X／R＝0.5處的誘導(dǎo)速度增量平均值求得為1.965，故沿涵道半徑方向的誘導(dǎo)速度增量如式（3）所示。

由于槳葉傾角等于安裝角與空氣流入角之差：

為獲得最大推力，應(yīng)使槳葉尖的有效傾角達到翼面的最大升力傾角，即令安裝角為12°～18°。

利用螺旋槳動量理論可求出涵道風扇的推力，再利用螺旋槳葉素理論來求涵道風扇的扭矩和所需功率。推力為：

扭矩為誘導(dǎo)阻力產(chǎn)生的扭矩Mki和翼型阻力產(chǎn)生的扭矩Mkv之和：

由于涵道風扇槳尖損失較小可忽略，此時陸空車升空的總推力為：

所需要的總功率為：

考慮到反旋共軸螺旋槳的效率增加作用，還可以適當減小陸空車功率的需求值。

4 雙發(fā)動機時功率分配

為增加飛行安全系數(shù)，一般要求飛行車輛為雙發(fā)動機同時工作。且當其中1臺發(fā)生故障時，另外1臺發(fā)動機仍可維持工作，并且使陸空車垂直下降速度不大于5 m／s。

設(shè)單發(fā)動機工作時：

總扭矩Mk為6.2 kg·m；總功率Nz＝4·N1＝70.4 kW，此時產(chǎn)生的總升力應(yīng)為：

由于飛行汽車的總重為430 kg，所以1臺70 kW的發(fā)動機能夠維持車輛以5 m／s的速度垂直下降，可安全著陸?？紤]到既要滿足正常飛行條件，又要保證人員的安全，應(yīng)當選擇2臺功率均為70 kW的發(fā)動機共同工作，此時飛行汽車的總功率達到140 kW。

5 前飛性能估算

前后2個涵道可看作是縱向并列的圓筒，中間車身部分有蒙皮整流。故在計算涵道阻力時簡化成1個圓錐體，其阻力系數(shù)可查得cx＝0.62。前飛時，涵道前傾10°左右，車身縱軸線與氣流平行，前后兩端被涵道屏蔽。故在計算車身阻力時，只需考慮表面摩擦阻力，其系數(shù)為：cxf＝0.002 9。前飛時涵道內(nèi)氣流方向仍與旋葉平面垂直，可視為旋葉的總誘導(dǎo)阻力與翼型阻力均等于0，陸空兩用車輛總阻力為涵道阻力、機身阻力和其他阻力之和?？紤]車輪、風擋、軸系即涵道與機身的干擾阻力，將阻力系數(shù)總和放大1.2倍，風阻系數(shù)如表2所列。

可得總阻力：

由于v2＝3 560，所以前飛速度：v＝59.7 m／s＝215 km／h。

以發(fā)動機實際消耗功率為92 kW為準，取平均油耗為0.27 kg／（kW·h），油箱攜帶油量40 kg，可求得其續(xù)航時間為1.6 h。

若巡航速度為170 km／h，其續(xù)航里程為：

表2 風阻系數(shù)

6 結(jié) 論

（1）采用由兩組縱向排列的陀螺式涵道旋葉組成的陸空兩用車具備良好的垂直起降和前飛性能，能夠滿足陸空兩用飛行汽車的動力性要求，但其空中穩(wěn)定性還需進一步分析計算。

（2）采用涵道式升力風扇并選用共軸翻轉(zhuǎn)旋葉方式可達到扭矩平衡，能夠消除車身在空中反轉(zhuǎn)向發(fā)生，同時提高了升力效率。

（3）采用2臺發(fā)動機共同工作具有安全保證作用。當其中1臺發(fā)生故障時，另1臺可單發(fā)安全降落。但在實際設(shè)計中需考慮2臺發(fā)動機共同工作的功率耦合作用。

［1］ 王拖連，楊世文.陸空兩用飛行汽車發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.公路與汽運，2011（7）：12－15.

［2］ 林一平.面向?qū)嵱玫摹帮w行汽車”［J］.交通與運輸，2010（6）：53－55.

［3］ 劉沛清.空氣螺旋槳理論及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］ 李建波，高 正.涵道風扇升力系統(tǒng)的升阻特性試驗研究［J］.南京航空航天大學學報，2004（4）：164－168.

［5］ 許和勇，葉正寅.涵道螺旋槳與孤立螺旋槳氣動特性的數(shù)值模擬對比［J］.航空動力學報，2011（12）：2820－2825.

［6］ 鄭志成，周 洲.垂直起降飛機設(shè)計中升力風扇估算模型分析［J］.飛行力學，2010（28）：21－23.

Design and Study on the Lift System of the Flying Vehicle Based on Aerodynamic

JIA Xiao－ping，XING Wang，YU Kui－long，F(xiàn)ANG Shi－guang

（（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

The air－ground vehicle which can run on ground and fly in air is adopted the ducted fun as the flight power supply.In this paper，the lift system is designed based on the aerodynamics and vehicle performance index.The flight performance pa?rameter is obtained through matching computation with engine.The general planning of air－ground vehicle is presented.Final?ly，the feasibility of air－ground vehicle is proved.

air－ground vehicle；VTOL system；ducted fun；momentum theory

TH122

A

1007－4414（2013）04－0116－03

2013－06－06

賈小平（1958－），男，云南昆明人，教授，研究方向：軍用車輛系統(tǒng)論證、仿真與評估。

邢 旺（1958－），男，云南昆明人，教授，研究方向：軍用車輛系統(tǒng)論證、仿真與評估。