横流式飞行器旋翼结构设计

杨 稳,周帮伦,向 祯,陈 超,胡晓康,杨辛舣

(贵州理工学院航空航天工程学院,贵州 贵阳 550025)

0 引 言

在历史上扇翼飞行器在发展过程中有过多次的性能提升,首次提出这一发明的是来自法国的Mortier,而将其首次利用于飞机上的是来自20世纪初的德国工程师Ackeret。在之后的20世纪60年代,Dornier首次尝试将横流式风扇与固定翼机翼相结合,以此利用这样的结构产生飞行动力来源。20世纪末一位出生于英国的发明家成功地将横流风扇式飞行器的原型机进行了首次飞行,这次成功飞行说明横流飞行器是具有飞行器潜力的一款机型。横流飞行器的特殊飞行特性得到了许多航空强国的相继研究。特别是在美国和英国的相关实验室的倾力研究下,目前已有相关模型样机进行了相关飞行实验。在我国,关于扇翼飞行器的探索还处于起步阶段[1]。

扇翼是一种飞机配置,它使用安装在机翼上的简单横流风扇,以极低的飞行速度提供分布式推进和增强机翼升力。与目前较为成功的螺旋桨飞机相比,扇翼飞行器的叶尖转速是相对较低的,对于在增加推进效率与降低噪音方面有相对较大的优势,既提高了飞行稳定性,又减少了阻力,从而显著提高了巡航速度。横流风扇飞行器具有良好的慢速飞行能力、固有安全性和相对安静的推进力,能够很好地适应城市附近的货运作业。与飞机和直升机的比较表明,最近发展的扇翼概念飞机现在可以提供接近直升机和倾转旋翼飞机的短场性能,但运营经济性接近传统飞机[2]。

本文介绍了关于扇翼飞行器的机翼结构设计以及改变风扇叶片形状的方法,该技术对于扇翼飞行器具有极大的帮助,有助于实现扇翼飞行器的短距离起飞,甚至是垂直起飞,同时可以保证在不同的飞行环境下提供最理想的升力和推力,可以让飞行器长时间处于一种较高的飞行速度,可以满足对于救援救灾等方面的要求。

1 横流风扇飞行器原理与结构设计

作为一种具备新型飞行原理的扇翼飞行器,在无人飞行器中具备了很多的优点。比如,飞行效率高、载荷较大,同时它的结构较为简单,制造方便,并且可以实现在短距起降,甚至是垂直升降。由于扇翼无人机在众多领域具有较大的发展优势,在如今已经成为了飞行器领域研究的热点之一。

1.1 气动布局

常规飞行器的机翼仅仅只能产生升力,而不能提供飞行器前进所需要的推力。但是扇翼无人机可以通过固定在机翼上表面的横流式风扇在飞行过程中提供扇翼无人机所需要的升力以及前进的推力,其工作原理如图1所示。

图1 气体流经翼面

从图1可以看出,在飞行器运转过程中,来流通过机翼时被分成两部分:一部分经过横流风扇旋转叶片加速从机翼上方流出;另一部分被机翼上安装的横流风扇吸入风扇内部,并在叶片中心偏左方形成一个重要的低压偏心涡。提供给横流风扇飞行器升力的主要来源有两个部分:第一部分是横流风扇在转动时加速了机翼上表面的空气,使得上表面的压力降低,而机翼下表面流速又相对较慢压力较大,从而形成压力差,为飞行器提供升力;另一部分提供给飞行器的升力则来自于横流风扇内部形成的低压偏心涡与机翼下表面之间形成较大的压力差而产生的升力。飞行器前进所需要的推力也来自于两部分:第一部分是由于叶片转动时推动机翼上表面来流快速向后排出所形成的反推力为飞行器带来一个向前的动力;另一部分则来自低压偏心涡,由于低压偏心涡大多形成于风扇内部偏右的下方位置,这就影响了横流风扇飞行器机翼水平方向的压强分布,从而形成了一个压力差,进而提供一个向前的推力[3-4]。

1.2 设计流程

根据横流风扇飞行器的排气特征,建立了横流风扇飞行器在运动过程中的滑流模型并利用动量理论分析飞行器滑流产生的气动力以及飞行器消耗的功率。通过叶素理论,对横流风扇叶片周围的来流环境和风扇叶片的受力进行分析,从而得到横流风扇叶片的气动力及叶片的消耗功率。同时可以通过涡运动理论,分析横流风扇内部低压偏心涡的特性,并将飞行器整体机翼上表面的空气流动简化为在平行平面之间的流动,以此来分析在低压偏心涡和横流风扇叶片旋转的共同影响下,机翼因为压差而产生升力和推力。根据横流风扇飞行器机翼的绕流特征,将飞行器的固定机翼和横流风扇看做一个整体,形成的飞行器机翼的厚翼模型并利用翼型理论分析机翼厚翼模型所能够产生的升力和推力,最后做出总模型,其设计流程如图2所示。

图2 设计流程

2 横流风扇飞行器旋翼转置设计

2.1 旋翼转置结构设计

为了解决横流风扇式飞行器在负载不同时转速与进出风口的变化以及转速较大时,气体流量的不匹配而发生喘振现象,而设计的一种横流式叶轮结构,增加了发动机产生的推力的利用率,减弱喘振带来的危害,同时能够做到缩短飞行器的起飞距离,甚至可以实现垂直升降,减小了滑跑起飞所需的空间,更加适应城市内货物运输。

本文设计了一种横流风扇飞行器上的桨叶结构,它包括法兰型带座轴承、同步皮带、电机、限位法兰、传动齿轮、叶片、传动轴、垂直安定面。机翼内安有传动电机,叶轮采用叶片与传动轴直接连接,传动轴与机翼通过连轴器连接,如图3所示。

图3 旋翼结构示意

叶片弧角可改变,扇翼飞行器叶尖弧角(叶片外侧起末连线与水平方向的夹角)的理想角度为30.17°～31.13°,在这一段角度范围变化之内,扇翼飞行器叶轮进风量适中,与之连接的机翼振动小,产生的噪音小,升力大。螺旋桨叶片采用圆型形状,中间空体叶片呈短弧形的叶轮,叶片内侧起末连线与水平方向的夹角范围为38.56°～39.52°,叶片外侧起末连线与水平方向的夹角范围为30.17°～31.13°,叶片最大幅度处切线与水平方向夹角范围为31.13°～32.09°,如图4所示。进出风口的开口槽为可调节槽。改善了横流式飞行器机翼的气动干扰所造成的机翼震动,增强了飞行器的稳定性,降低了飞行时所产生的噪音,提升了飞行器载重能力,符合节能降噪的要求[5]。

图4 叶片设计

根据负载不同,调整转速与进出风口的变化,可实现短距起飞。

2.2 横流式飞行器叶轮结构

叶片是飞行器产生动力的部件,一种运用在横流风扇飞行器上的桨叶结构。机翼内安有传动电机,叶轮采用叶片与旋转轮直接连接,旋转轮与机翼通过连轴器连接,结构紧凑,保证了横流风机的运行平稳,震动噪音低。以往的横流风扇叶片,当转速较大时,可能会造成气体流量的不匹配而发生喘振现象,甚至发生飞行器失控乃至坠机事件,对飞行器的安全造成了很大的困扰,而改变叶片的形状,就可以减弱这种危害,也能够做到缩短飞行器的起飞距离,甚至可以实现垂直升降,使该飞机占地面积变小,更加适合城市内货物运输。

3 可调节开口角式机翼设计

本文将扇翼的开口角,设计成可调节式的结构,在扇翼飞行器机翼前缘内部有可滑动的挡板,同时机翼外侧带有滑轨以方便挡板滑动,滑动后的挡板与机翼前缘形成的新机翼前缘,两侧机翼内部的滑动挡板在靠近机身处延伸并直接相连铸成一个整体,保证在改变机翼开口槽时可以同时改变两侧机翼的开口槽。挡板外侧两端与机翼外侧相合,中间与机翼前缘形状相似[6]。横流风扇内部形成的偏心涡控制,对机翼升力也有影响[7],可通过开口角控制进入风扇翼内部流量大小,进而控制影响偏心涡产生的位置和强度,从而获得最优升力。

这样,增强了扇翼飞行器在面对不同来流速度时的应对能力并降低了对能源的消耗,使扇翼飞行器适合在不同情况下进行飞行,该结构运转起来有较强的可靠性,效率得到了提升,维修成本低,更加节能环保。

3.1 气动原理

具有扇翼的飞行器的上升力和推进力通过横流式的风扇在机翼的前缘工作产生,这些力量是通过圆形的机翼内一个旋转的涡流产生,各种力相互依存产生作用,要想修改其中的某一个力就变得非常复杂,在某一层面上,直接影响了飞行器气动可调性。经过实验,通过改变前缘开口槽,会对气动布局产生很大的变化。传统的扇翼飞行器的机翼开口槽是固定的,在面对不同的来流速度时不可避免有不足之处,影响飞行器的性能。在机翼前采用可变的开口板,可以控制气流进入扇翼的方向与气流量,这样就可以改变飞行器的上升力和推进力,开口槽结构还可以将混合的气流布局进行一部分的分解[6]。

3.2 技术方案

为了使扇翼飞行器在起飞和着落时具有更好的稳定性,并可以保持在同一迎角的机翼情况下起飞、降落以及飞行的过程中在不同来流速度下能让飞行器保持最大升力用来减少飞行时所需要的能源消耗以及提升飞行器的负重能力和最远飞行距离[6]。本文设计带有可调节开口槽的新型机翼,解决在不同来流速度下的机翼无法保持最大升力所需要的开口槽的问题。调节扇翼飞行器前缘开口槽的尺寸的装置,它包括电机、齿条、传动齿轮、电机传动轴、同步皮带、同步带轮,如图5所示。

图5 开口槽控制结构示意

这样,滑动后的挡板与机翼前缘形成的新机翼前缘,两侧机翼内部的滑动挡板在靠近机身处延伸并直接相连铸成一个整体,保证在改变机翼开口槽的同时改变两侧机翼的开口槽。挡板外侧两端与机翼外侧相合,中间与机翼前缘形状相似。

改变传统的固定开口槽机翼,在机翼前缘处加工制造圆弧平面形挡板,如图6所示。

图6 开口槽设计

挡板外侧两端与机翼外侧相合,挡板具体加工宽度为机翼前缘厚度的1/2,长度与飞行器整体宽度相同。该新型机翼增加了可以调节开口槽的滑动挡板,在使用时相当于机翼前缘的一部分,在电机的带动下改变该机翼的开口槽,使扇翼飞行器在不同的来流速度下达到可以保持最大升力的开口槽。另外,改变开口槽还可以使来流进入扇翼横流风扇的前缘通道改变,改变进入发动机的气体流量,对偏心涡有一定的保护作用。

4 结语

横流风扇飞行器特殊翼型相较于一般飞行器机翼翼型可以获得更高的升力,因为风扇翼上表面的气流在发动机风扇的带动下速度将会增加,而风扇翼下表面的气流受扇翼运动的影响较小,速度几乎不发生变化。机翼上下表面气流速度不同,上下表面流体产生较大压力差,因此在横流风扇机翼内部将会产生一个低压偏心涡,提供飞行器向上的升力与向前的推力。

本文分析了横流风扇飞行器产生升力的原因与其影响因素,结合横流风扇飞行器气动布局对结构进行优化设计,设计了横流风扇的叶轮结构,确定了最佳叶片弧角与最佳叶片安装角,并且设计了可调节前缘开口角。使得风扇内部产生的偏心涡强度高、稳定性好、可控性高,那么飞行器在不同飞行过程中能够提供不同的升力,更节能,更稳定。