机翼可收缩式飞行汽车设计

刘佳铭 刘震磊 周泽江 尚梦雨 穆浩磊

（1． 沈阳航空航天大学航空航天信息技术协会，辽宁 沈阳 110136；2． 沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136）

0 引言

随着城市的不断发展，交通拥堵问题也越来越严重，飞行汽车的概念被引出，它可以将汽车的交通方式由二维拓展成三维[1]，它是基于飞机和汽车2 种交通工具，可以实现陆空结合运输的功能，解决城市发展带来的交通拥堵问题，成为降低城市基础设施成本的未来新型交通工具[2]。该文研究的机翼可收缩式飞行汽车通过与涵道风扇的结合，可以实现在城市中的原地垂直起降，更直接地解决交通拥堵问题。创新点在于该飞行汽车实现了直升机、固定翼飞机、汽车的有机结合，综合三者的优点，更好地适应了现代的交通环境。

1 飞行汽车的总体设计

该文设计的飞行汽车运用固定机翼和4 个小型涵道风扇,两者配合,实现陆空转换。汽车模式下,伸缩翼和4 个涵道风扇收缩回车内,汽车正常行驶。飞行模式下,先将4 个小型涵道风扇伸出车身外,启动涵道风扇,升空后,微调涵道风扇的角度,保持飞行汽车在空中的稳定性,并伸出两侧机翼,保证飞行汽车可以低空稳定飞行。该文设计的飞行汽车结构及各项参数如图1、图2、表1所示。

图1 飞行汽车左视图

图2 飞行汽车俯视图

表1 飞行汽车基本参数估计值

2 机翼的设计

2.1 机翼的外形与可分离的“翼舱”设计

机翼的伸缩变形是飞行汽车实现变形的方法之一，其可以大幅改变机翼的翼展、展弦比，因此，采用可收缩式机翼[3]。

2.1.1 三级伸缩翼的设计

该文所设计的可伸缩机翼，为三级伸缩机翼，如图3所示。

图3 三级伸缩翼示意图

三级机翼的优势，主要体现在以下3 点。1）三级机翼有效地增大了机翼面积，升力大小与机翼面积大小成正比，增大了机翼面积，也就提升了飞行器升力。2）三级收缩的机翼在二级伸缩的基础上增加了伸缩次数，因此也可以增加飞行器的展弦比和翼展，提高飞行汽车在飞行状态时的稳定性。3）机翼三级收缩，最终缩回到飞行汽车顶端的“翼舱”内，与传统的伸缩翼飞行汽车设计相比，其能有效降低车宽，提高飞行汽车在普通道路上行驶时的适应性。

2.1.2 可分离“翼舱”的设计

“翼舱”设计整体呈流线型，“翼舱”内部分别布置可收缩机翼，燃油以及翼身加固装置，如图4 所示。

图4 “翼舱”设计示意图

“翼舱”为安放左右两侧机翼而设计，该文设计的左右两翼的基翼部分在“翼舱”内上下分布，当驾驶员开启飞行模式时，基翼部分从“翼舱”内伸出后，左侧机翼的基翼底部分布的滑道装置会将左侧基翼缓慢下放至与右侧基翼齐平的位置，然后左右基翼才会同时伸出中翼、端翼，以保证车身的平稳。

同时，“翼舱”可作为外部分离装置，当驾驶者无须使用飞行汽车的飞行功能时，便可将“翼舱”与车身拆分开，既减轻了车重，又大幅降低了该车的油耗。

2.1.3 伸缩机翼的分析与选取

目前应用于低空低速飞行的机翼类型共有NACA24系列、NACA44 系列、NACA230 系列3 类，在雷诺数为480000 时，通过运用Profili 软件对3 种系列的翼型24 系列（图中2 线），44 系列（图中1 线），230 系列（图中3线）进行Cl（升力系数）和Cd（阻力系数）模拟分析，得到如图5 所示的曲线。

图5 3 种不同翼型的Cd/Cl 关系曲线图

如图5 所示，相同的阻力系数条件下，NACA44 系列的翼型的升力是最大的，而在低飞条件下，飞行器的升力越大越好，因此，我们决定选用NACA44 系列作为三级伸缩翼的翼型，在选定NACA44 系列的翼型之后，我们把NACA44 系列中的4 种翼型4409（图中1 线），4412（图中2 线），4415（图中3 线），4418（图中4 线）进行了Cl和Cd的具体分析，得到4 条曲线，如图6 所示。

图6 NACA44 系列4 种翼型的Cd/Cl 关系

图中1 线在阻力系数为0.024 左右处产生拐点，因此1线的NACA4409 翼型不适合用作飞行汽车的伸缩翼。城市中的飞行汽车，能够提供适当的升力并保持一定的稳定性是其必备条件，通过观察图线可知，图中2 线相比于3 和4 线来说，稳定性更高，因此选择2 线的NACA4412 翼型作为飞行汽车三级机翼的翼型。

2.2 机翼伸缩的工作机制

在“翼舱”内，机翼伸缩主要依靠伺服电机和精密丝杠控制[4]。伺服电机依靠具体的脉冲信号，精确控制丝杠的转动，进而带动丝母移动。丝母与机翼利用紧锁螺钉固连，利用该装置驾驶员可以实现对机翼伸缩的精密控制。

在机翼以及中翼内，各自贯穿着2 组圆柱凸轮伸缩机构，如图7 所示。

图7 精密丝杠示意图

凸轮机构外圆柱的转动由伺服电机控制，驾驶员发出脉冲信号后，伺服电机接收信号，带动外圆柱的控制阀转动一定的角度，从而使内圆柱伸缩一定的长度。伺服电机接收不同频率的脉冲信号以实现正反转，带动机翼伸展或回缩。接收不同的脉冲数，以实现转动角度的任意变化，进而使得机翼伸缩长度可以任意改变。

3 涵道风扇的结构设计

该文设计在车身四周安置4 个小型涵道风扇，通过连杆和伸缩杆相结合的方式将涵道风扇与汽车连接起来，涵道风扇示意图如图8 所示。

涵道处于风扇的吸流中，其气动环境被改变。同时，涵道也抑制了风扇桨尖涡的产生和尾流的收缩，风扇的流场特性从而变得更加复杂。为了解决这一问题，可以采用CFD 和动量源方法建立分析模型，对参数进行优化设计，以此来提高涵道风扇的气动性能[5]。

采用涵道风扇有3 个优点。1）由于叶尖处受涵道限制，相较于直升机螺旋桨来说，冲击噪声小，同时可以有效减少桨叶尖部受到的冲击，防止桨叶受到破坏。2）行驶阻力减少，效率提高。在同样的功率消耗下，涵道风扇较同样直径的独立螺旋桨，会产生更大的推力。3）由于涵道的保护作用，扇叶的结构紧凑、噪声低、使用安全性好。采用涵道风扇的陆空汽车横向、纵向尺寸能够尽量减小[6]。

4 结论

该文所研究设计的可垂直起降、机翼可收缩飞行汽车概念模型，创造性地提出了三级可伸缩机翼的装置，当机翼回缩后，完全贮存于车身顶部的“翼舱”内。“翼舱”的设计，实现了机翼的“隐形化”，有效地缩减了车宽。模块化的“翼舱”为驾驶者提供了更多选择，使得该文设计的飞行汽车在未来市场中具有更大的竞争潜力。

图8 小型涵道风扇示意图