機(jī)翼可收縮式飛行汽車(chē)設(shè)計(jì)

劉佳銘 劉震磊 周澤江 尚夢(mèng)雨 穆浩磊

（1． 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天信息技術(shù)協(xié)會(huì)，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2． 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，交通擁堵問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，飛行汽車(chē)的概念被引出，它可以將汽車(chē)的交通方式由二維拓展成三維[1]，它是基于飛機(jī)和汽車(chē)2 種交通工具，可以實(shí)現(xiàn)陸空結(jié)合運(yùn)輸?shù)墓δ埽鉀Q城市發(fā)展帶來(lái)的交通擁堵問(wèn)題，成為降低城市基礎(chǔ)設(shè)施成本的未來(lái)新型交通工具[2]。該文研究的機(jī)翼可收縮式飛行汽車(chē)通過(guò)與涵道風(fēng)扇的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在城市中的原地垂直起降，更直接地解決交通擁堵問(wèn)題。創(chuàng)新點(diǎn)在于該飛行汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)、固定翼飛機(jī)、汽車(chē)的有機(jī)結(jié)合，綜合三者的優(yōu)點(diǎn)，更好地適應(yīng)了現(xiàn)代的交通環(huán)境。

1 飛行汽車(chē)的總體設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的飛行汽車(chē)運(yùn)用固定機(jī)翼和4 個(gè)小型涵道風(fēng)扇,兩者配合,實(shí)現(xiàn)陸空轉(zhuǎn)換。汽車(chē)模式下,伸縮翼和4 個(gè)涵道風(fēng)扇收縮回車(chē)內(nèi),汽車(chē)正常行駛。飛行模式下,先將4 個(gè)小型涵道風(fēng)扇伸出車(chē)身外,啟動(dòng)涵道風(fēng)扇,升空后,微調(diào)涵道風(fēng)扇的角度,保持飛行汽車(chē)在空中的穩(wěn)定性,并伸出兩側(cè)機(jī)翼,保證飛行汽車(chē)可以低空穩(wěn)定飛行。該文設(shè)計(jì)的飛行汽車(chē)結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)如圖1、圖2、表1所示。

圖1 飛行汽車(chē)左視圖

圖2 飛行汽車(chē)俯視圖

表1 飛行汽車(chē)基本參數(shù)估計(jì)值

2 機(jī)翼的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)翼的外形與可分離的“翼艙”設(shè)計(jì)

機(jī)翼的伸縮變形是飛行汽車(chē)實(shí)現(xiàn)變形的方法之一，其可以大幅改變機(jī)翼的翼展、展弦比，因此，采用可收縮式機(jī)翼[3]。

2.1.1 三級(jí)伸縮翼的設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的可伸縮機(jī)翼，為三級(jí)伸縮機(jī)翼，如圖3所示。

圖3 三級(jí)伸縮翼示意圖

三級(jí)機(jī)翼的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下3 點(diǎn)。1）三級(jí)機(jī)翼有效地增大了機(jī)翼面積，升力大小與機(jī)翼面積大小成正比，增大了機(jī)翼面積，也就提升了飛行器升力。2）三級(jí)收縮的機(jī)翼在二級(jí)伸縮的基礎(chǔ)上增加了伸縮次數(shù)，因此也可以增加飛行器的展弦比和翼展，提高飛行汽車(chē)在飛行狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。3）機(jī)翼三級(jí)收縮，最終縮回到飛行汽車(chē)頂端的“翼艙”內(nèi)，與傳統(tǒng)的伸縮翼飛行汽車(chē)設(shè)計(jì)相比，其能有效降低車(chē)寬，提高飛行汽車(chē)在普通道路上行駛時(shí)的適應(yīng)性。

2.1.2 可分離“翼艙”的設(shè)計(jì)

“翼艙”設(shè)計(jì)整體呈流線(xiàn)型，“翼艙”內(nèi)部分別布置可收縮機(jī)翼，燃油以及翼身加固裝置，如圖4 所示。

圖4 “翼艙”設(shè)計(jì)示意圖

“翼艙”為安放左右兩側(cè)機(jī)翼而設(shè)計(jì)，該文設(shè)計(jì)的左右兩翼的基翼部分在“翼艙”內(nèi)上下分布，當(dāng)駕駛員開(kāi)啟飛行模式時(shí)，基翼部分從“翼艙”內(nèi)伸出后，左側(cè)機(jī)翼的基翼底部分布的滑道裝置會(huì)將左側(cè)基翼緩慢下放至與右側(cè)基翼齊平的位置，然后左右基翼才會(huì)同時(shí)伸出中翼、端翼，以保證車(chē)身的平穩(wěn)。

同時(shí)，“翼艙”可作為外部分離裝置，當(dāng)駕駛者無(wú)須使用飛行汽車(chē)的飛行功能時(shí)，便可將“翼艙”與車(chē)身拆分開(kāi)，既減輕了車(chē)重，又大幅降低了該車(chē)的油耗。

2.1.3 伸縮機(jī)翼的分析與選取

目前應(yīng)用于低空低速飛行的機(jī)翼類(lèi)型共有NACA24系列、NACA44 系列、NACA230 系列3 類(lèi)，在雷諾數(shù)為480000 時(shí)，通過(guò)運(yùn)用Profili 軟件對(duì)3 種系列的翼型24 系列（圖中2 線(xiàn)），44 系列（圖中1 線(xiàn)），230 系列（圖中3線(xiàn)）進(jìn)行Cl（升力系數(shù)）和Cd（阻力系數(shù)）模擬分析，得到如圖5 所示的曲線(xiàn)。

圖5 3 種不同翼型的Cd/Cl 關(guān)系曲線(xiàn)圖

如圖5 所示，相同的阻力系數(shù)條件下，NACA44 系列的翼型的升力是最大的，而在低飛條件下，飛行器的升力越大越好，因此，我們決定選用NACA44 系列作為三級(jí)伸縮翼的翼型，在選定NACA44 系列的翼型之后，我們把NACA44 系列中的4 種翼型4409（圖中1 線(xiàn)），4412（圖中2 線(xiàn)），4415（圖中3 線(xiàn)），4418（圖中4 線(xiàn)）進(jìn)行了Cl和Cd的具體分析，得到4 條曲線(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 NACA44 系列4 種翼型的Cd/Cl 關(guān)系

圖中1 線(xiàn)在阻力系數(shù)為0.024 左右處產(chǎn)生拐點(diǎn)，因此1線(xiàn)的NACA4409 翼型不適合用作飛行汽車(chē)的伸縮翼。城市中的飛行汽車(chē)，能夠提供適當(dāng)?shù)纳Σ⒈３忠欢ǖ姆€(wěn)定性是其必備條件，通過(guò)觀察圖線(xiàn)可知，圖中2 線(xiàn)相比于3 和4 線(xiàn)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性更高，因此選擇2 線(xiàn)的NACA4412 翼型作為飛行汽車(chē)三級(jí)機(jī)翼的翼型。

2.2 機(jī)翼伸縮的工作機(jī)制

在“翼艙”內(nèi)，機(jī)翼伸縮主要依靠伺服電機(jī)和精密絲杠控制[4]。伺服電機(jī)依靠具體的脈沖信號(hào)，精確控制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)絲母移動(dòng)。絲母與機(jī)翼利用緊鎖螺釘固連，利用該裝置駕駛員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼伸縮的精密控制。

在機(jī)翼以及中翼內(nèi)，各自貫穿著2 組圓柱凸輪伸縮機(jī)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 精密絲杠示意圖

凸輪機(jī)構(gòu)外圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，駕駛員發(fā)出脈沖信號(hào)后，伺服電機(jī)接收信號(hào)，帶動(dòng)外圓柱的控制閥轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而使內(nèi)圓柱伸縮一定的長(zhǎng)度。伺服電機(jī)接收不同頻率的脈沖信號(hào)以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)翼伸展或回縮。接收不同的脈沖數(shù)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的任意變化，進(jìn)而使得機(jī)翼伸縮長(zhǎng)度可以任意改變。

3 涵道風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)在車(chē)身四周安置4 個(gè)小型涵道風(fēng)扇，通過(guò)連桿和伸縮桿相結(jié)合的方式將涵道風(fēng)扇與汽車(chē)連接起來(lái)，涵道風(fēng)扇示意圖如圖8 所示。

涵道處于風(fēng)扇的吸流中，其氣動(dòng)環(huán)境被改變。同時(shí)，涵道也抑制了風(fēng)扇槳尖渦的產(chǎn)生和尾流的收縮，風(fēng)扇的流場(chǎng)特性從而變得更加復(fù)雜。為了解決這一問(wèn)題，可以采用CFD 和動(dòng)量源方法建立分析模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高涵道風(fēng)扇的氣動(dòng)性能[5]。

采用涵道風(fēng)扇有3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）由于葉尖處受涵道限制，相較于直升機(jī)螺旋槳來(lái)說(shuō)，沖擊噪聲小，同時(shí)可以有效減少槳葉尖部受到的沖擊，防止槳葉受到破壞。2）行駛阻力減少，效率提高。在同樣的功率消耗下，涵道風(fēng)扇較同樣直徑的獨(dú)立螺旋槳，會(huì)產(chǎn)生更大的推力。3）由于涵道的保護(hù)作用，扇葉的結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、使用安全性好。采用涵道風(fēng)扇的陸空汽車(chē)橫向、縱向尺寸能夠盡量減小[6]。

4 結(jié)論

該文所研究設(shè)計(jì)的可垂直起降、機(jī)翼可收縮飛行汽車(chē)概念模型，創(chuàng)造性地提出了三級(jí)可伸縮機(jī)翼的裝置，當(dāng)機(jī)翼回縮后，完全貯存于車(chē)身頂部的“翼艙”內(nèi)?！耙砼摗钡脑O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼的“隱形化”，有效地縮減了車(chē)寬。模塊化的“翼艙”為駕駛者提供了更多選擇，使得該文設(shè)計(jì)的飛行汽車(chē)在未來(lái)市場(chǎng)中具有更大的競(jìng)爭(zhēng)潛力。

圖8 小型涵道風(fēng)扇示意圖