飞行汽车重心位置研究

2014-03-01中北大学机械与动力工程学院杨林苏铁熊

河北农机 2014年4期

中北大学机械与动力工程学院杨林苏铁熊

1 绪论

飞行汽车是当今世界各科研机构都在研究的一款新型车型，它可以在空中飞行或在陆地上行驶，可以从一辆公路行驶的汽车变身为一架空中飞行的飞机。最初的飞行汽车装有比车身宽5至6倍的平直固定翼，在公路上行驶或起降时，不仅会影响正常的交通秩序，而且车翼也会受到道路旁障碍物的限制，这就很难得到实用。经过几十年的研发设计，飞行汽车的机翼设计为折叠式，在尾部有一个螺旋桨，由一台Rotax912引擎负责驱动。飞行汽车陆地行驶时，它将会收起机翼，这样就能够轻松地将飞行汽车停进一般的停车位或车库，也能在普通街道上行驶；飞行汽车要空中飞行时，它能在数秒内打开机翼，变身成一架超轻型飞行器，着陆时也能够在数秒内收起机翼，变身成一辆普通汽车[1]，如图1.1所示。

图1.1 旋翼可折叠型飞行汽车

2 重心位置对飞行汽车的影响

飞行汽车既有飞行状态又有行驶状态，当飞行汽车空中飞行着陆后，可以通过旋翼的折叠使飞行汽车从飞行状态变为陆地行驶状态。飞行汽车一般是作为一辆普通汽车在道路上行驶，只有在遇到一些特殊情况时才变身为一架飞行器。因此，飞行汽车无论在陆地行驶时还是空中飞行时，都必须具有良好的稳定性，避免发生危险。

2.1 空中飞行状态的重心位置研究

飞行汽车在空中飞行时，具有自转旋翼飞行机的飞行特点。而重心的相对位置是影响旋翼机纵向静态平衡的重要因素，并且整机的稳定性和操纵性都与重心范围有着非常重要的关系。纵向静稳定性可以理解为，旋翼机等速直线行驶过程中，由于机身受到空气扰动发生向上的倾斜，旋翼机的升力会增加，而升力增加会导致机头上仰程度增加，如果重心相对升力增量的焦点位置在前，则旋翼机会自动恢复到平衡状态，这就是静平衡。因此，当旋翼机受到微小的扰动时会导致纵向平衡状态的破坏，但是在这个扰动消失的瞬间，旋翼机又能够不经驾驶员的操纵就能够自动恢复到原先平衡状态，表明旋翼机具有纵向静稳定性[3]。

飞行汽车在空中飞行时，可以把其看成是一架普通旋翼机，重心的位置对飞行汽车的影响同样很重要，因此飞行汽车的重心在其焦点的前方。飞行汽车正常巡航处于平衡状态，重心应当在旋翼轴心的垂直线上。在上一节分析中，由于飞行汽车飞行速度不高，其焦点位置不会发生变化，然而飞行汽车的重心位置却因燃料的消耗等外界扰动影响而发生移动。如果重心位置后移到飞行汽车焦点之后时，就会造成飞行汽车的纵向不稳定，甚至有可能造成更严重的后果。因此要求飞行汽车的重心在旋翼轴心垂直线前，如图2.1所示，飞行汽车受到外界扰动后，重心后移保持在焦点之前，飞行汽车才是稳定的，才能够保证飞行汽车在空中安全飞行以及飞行员的生命安全。

图2.1 重心在旋翼垂直线前

飞行汽车的车身背部有一垂直水平的螺旋桨，螺旋桨运转后会对整车提供向前的推动力，当螺旋桨推力线低过重心点时，螺旋桨推力增加会导致飞行汽车的车头上仰，会造成旋翼的迎角低于最小迎风角，从而导致旋翼的旋转速度降低，飞行汽车的升力降低或失去，飞行高度迅速降低，严重影响飞行的安全性和稳定性。当螺旋桨推力线高过重心点时，螺旋桨推力增加会导致飞行汽车的车头下沉，为了克服下沉力矩，飞行员要过度地操纵拉杆以致旋翼的仰角增加，操纵性较差。并且在起飞阶段，车头下沉导致飞行汽车所需的升力和速度增加，就增大燃油的消耗。通过分析重心相对于螺旋桨推力线的位置，螺旋桨推力线正好通过重心位置时，如图2.2所示，才能够保证飞行汽车车头不会有俯仰动作发生，使飞行汽车具有良好的稳定性、操纵性和燃油经济性。

综上所述，飞行汽车重心位置的合理确定，不仅会影响飞行汽车的平衡和稳定，还会危及飞行员和飞行汽车的安全。重心位置不应过分靠前，虽然纵向稳定性增强，但是车头容易产生下俯的力矩，下俯力矩增大，飞行员对操纵拉杆的操纵力矩增大，操纵性变差，飞行汽车的机动性就会降低。而且如果重心过分靠前，着陆减速能力减弱，甚至发生危险情况，这就决定了飞行汽车的重心前限。当然重心位置不应靠后，虽然飞行汽车的机动性增加，但是容易产生上仰力矩，操纵推杆的力矩增大，操纵性也变差，并且飞行汽车的起飞增速能力减弱，决定了重心位置的后限。为保证飞行汽车具有良好的稳定性和操纵性，飞行汽车的重心位置应位于螺旋桨推力线与旋翼轴心垂直线交点的前方。并且在保证飞行汽车重心位于旋翼轴心垂直线前方的前提条件下，重心位置必须遵循重心前后限规定。

2.2 陆地行驶状态下的重心位置研究

根据对飞行汽车的动力学模型分析，得出侧翻静态稳定系数SSF和动态稳定系数DSF：

可以看出：重心高度对侧翻静态稳定系数SSF和动态稳定系数DSF的影响很大，并且根据图2.3所示的汽车横向加速度与重心高度的稳定区域，可以得出横向加速度随着重心高度增加而减小。因此，在汽车设计中减小汽车高度这一参数值，是提高汽车侧翻稳定性的最有效措施。图2.4是速度与汽车质心到前轴距离参数平面内的稳定区域，汽车重心与前轴距离越小，汽车的抗侧翻能力越强，但是在提高汽车侧翻稳定性时，减小重心与前轴之间距离比降低汽车重心高度更有效，因为重心前移会导致汽车的甩尾。

图2.3 横向加速度与重心高度的稳定区域

对旋翼可以进行合理的折叠收缩，例如图1.1中由西安美联航空公司研发的飞行汽车，对旋翼和主支架进行折叠，飞行汽车由飞行模式转向汽车行驶模式后，只有重心高度的变化，而重心不会出现前后移动。因此，飞行汽车陆地行驶时，把旋翼系统设计成可以折叠的收缩型，不仅不会对外界造成不良影响，还会增加自身陆地行驶的侧翻稳定性。

2.3 飞行汽车重心位置约束

因为飞行汽车的重心位置要比普通汽车高，所以飞行汽车陆地行驶的抗侧翻能力比普通汽车要弱，飞行汽车更不稳定。根据飞行汽车陆地行驶侧翻稳定因子的影响特性，降低飞行的重心高度会增强飞行汽车的侧翻稳定性，但是如果当重心位置下降到螺旋桨推力线之下时，飞行汽车在空中飞行时的稳定性就会减弱。因此，对重心位置高度进行优化时就有了约束条件，重心位置在螺旋桨推力线中就是优化重心高度对陆地行驶侧翻稳定性影响的约束条件。同样对重心与前轴的距离也有约束条件，即：重心位置在旋翼轴心垂直线的前方，并且要遵循重心的前后限。

飞行汽车的重心位置不仅是陆地行驶侧翻稳定性的一个重要参数，也是空中飞行稳定性的重要因数，因此对飞行汽车的重心位置有着严格的要求。因为空中飞行的危险性要远远高于陆地行驶的危险性，研究重心位置对飞行汽车稳定性的影响，就必须要以飞行汽车满足飞行状态的稳定性为前提条件。飞行汽车设计过程中，重心位置处于飞行稳定状态的位置，具有很好的稳定性。由于它的重心位置偏高，陆地行驶时的抗侧翻能力较弱，但也认为飞行汽车的设计是合理的。