基本信息
- 项目名称：
- 垫升式起降技术验证机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 当今世界航空技术迅速发展，但普通固定翼飞机的起降方式存在很大的局限性，并不能很好的应对各式各样的突发状况。本作品就是以改良固定翼飞机起降性能为出发点，将垫升原理应用在其起降方式上，具体来说，就是将传统的轮式起落架转换为气垫式起落架，从而使固定翼飞机具有起降地形适应能力强、地面可操作性强等优点。
- 详细介绍：
- 一、研究目的 世界航空技术迅速发展，固定翼飞机的起降方式也各有不同。但是到目前为止，这些起降方式仍存在很大的局限性，并不能很好的应对各式各样的突发状况。例如，在近年来发生的汶川、玉树和日本地震中，由于灾区地面沙砾很多，平整度不够，普通固定翼飞机无法起飞，或因起飞过程中震动太大，装载设备、运送物资严重受损，所以很多有人或无人固定翼飞机均无用武之地。无独有偶，在军事野战中，无论是丛林、草地，还是沙漠、沼泽，在这些地形中自由起降一直是固定翼飞机未能突破的瓶颈。 由此可见，现有的固定翼飞机起降方式在很大程度上需要对跑道质量（长度，宽度，硬度，平整度，材料，保养程度等）做严格的要求，如何有效地提高其起降性能成为亟待解决的问题。而现有的能提高固定翼飞机起降性能的方法很少，且不适合推广。例如，完全弹射式起飞、阻拦降落的方法能实现快速发射，但对飞机结构强度的要求极高，而且依赖于发射台，很大程度上增大了成本；手抛式起飞、阻拦降落的方法仅仅适用于小型无人机；垂直起降技术很大程度上提高了战斗机的起降性能，但它带来的副作用也是不能忽视的，如弹载少，油耗高，操纵复杂，作战半径短，设计和维修的难度大等。 那么，要显著提高固定翼飞机的起降性能，就必须要打破传统起降方式限制，从新的角度和思路出发，研究出一种全新的起降方式，从而解决以上种种困难。出于这样的目的，我们提出并验证了垫升式起降技术。 垫升式起降技术利用垫升原理，通过使飞机机体和地面之间建立空气层，从而降低飞机起降时对地面硬度、平整度等方面的要求，使得飞机可以在无机场跑道的情况下顺利完成起降过程。同时，垫升式起降技术的使用可以有效减少飞机机体与地面之间的摩擦阻力，从而降低对飞机起飞动力的要求。 二、垫升原理简介 垫升是一个很广的概念，本作品中所述的垫升是指物体被气囊抬起，从而脱离原来支撑面的过程。垫升力正是由这个气囊以及使气囊膨胀起来的增压装置作用而产生的。接下来简单分析一下其构成。 1、气垫 在航行器底面与运行表面（地面或水表面）之间制造一个高于大气压1%～5% 的空气层，使得航行器脱离或部分脱离运行表面，这层被增压的空气层称为“气垫”。 按照气垫的形成和维持方法，气垫可分为周边射流式和增压室式两种。 1）周边射流式气垫是用风扇驱动空气进入气道,由周边的喷口喷出并拐折向外，形成射流式气幕，使内侧压力高于外侧压力，将航行器抬升起来。气幕依靠射流的动量变化对气垫起封闭作用。被封闭的气垫的压力大小同气幕喷射的速度、垫升高度和喷射角度有关。 2）增压室式气垫是在航行器和运行表面之间构成一个较大的气室（增压室），空气经风扇驱动，进入气室，在底部周围泄出，气流流过气室后受到阻滞，空气由动压头转化为静压头，产生增压效应。 2、增压装置 普通气垫都是以风扇作为增压装置，在达到一定的功率后，可将电能、化学能等转化为气流的动能，使外部气体高速流入气室内部，以增加气室内部的压强。当气室内部压强大于外界环境压强时，气室内部气体将通过柔性围裙等向外界喷出，从而使被垫升的物体与支撑面之间形成一个气体层，这个气体层便是前面所述的气垫。 在形成气垫以后，持续给风扇能量，让其保持运转，便会有持续不断的气体流入气室内部，从而使气室内部压强始终高于外界环境压强。这时，便会有气体持续不断地从气室中流出，从而一直保持当初形成的那一层气垫。 这样，由于气垫的持续存在，被垫升的物体就将一直保持垫升状态，从而达到垫升的目的。 三、创新点 本作品的创新点主要体现在以下几个方面： 1）能够显著提高飞机的起降性能。常规飞机对跑道的长度、宽度和平整度均有严格的要求，其只能在规定的跑道上起飞和降落，适应能力很差。垫升原理的应用，使飞机与跑道之间形成一层被增压的空气层（即气垫），使飞机在很大程度上脱离了地面起伏带来的影响，大大增强其对周边使用环境或者复杂战场环境的适应能力。 2）降低飞机起飞时对动力系统的要求，可实现飞机的快速起飞。垫升原理的应用使得飞机与跑道完全脱离，实现了飞机与跑道之间的近似“零摩擦”。这样一来，在飞机起飞滑跑的滑行段，仅仅需要相对比较小的动力，就可以使飞机滑行很长距离；在起飞滑跑的加速段，能有效减小阻力对于飞机加速度增加的影响，使飞机能更快地达到起飞速度，即实现快速起飞。 3）有效减小飞机转弯回转半径，可以实现小回转半径转弯甚至原地转弯。飞机垫升起来之后，通过对动力系统进行修正或者对各个气垫风扇转速进行改变，能够调整飞机滑跑姿态，使飞机在滑跑过程中改变滑跑方向。由于垫升原理的应用，避免起落架机轮的最大转角对飞机滑跑转弯回转半径的束缚，使得飞机在滑跑转弯过程中的转弯半径可以无限的小。这样，就可以显著提高飞机在滑跑过程中的机动性。 四、应用前景 垫升原理是一套比较成熟的理论，它已在气垫船等方面得到了成熟而广泛的应用。固定翼飞机如果采用基于垫升原理的起降技术，相对同等载重条件下对跑道要求不高的直升机，具有载重大、速度快等优势；相对普通飞机而言，它在海面、军舰、陆地、沙地、沼泽、雪地等上均可顺利起降，在适应较复杂的起降环境的同时，提高飞机战术的灵活性。在技术成熟之后，这些优势必定会被普遍推广。 就其使用前景来看，这种气垫式起降系统适用范围广泛。它不但能够作为常规飞机的补充完成常规任务，而且能够在特定环境下完成难度较高的特定任务。例如从事沙漠探索、丛林冒险、开辟荒地、抗震救灾等活动，这些任务是常规固定翼飞机难以完成的。尤其在灾后救援方面，近几年我国发生两次大地震，国外也发生多起灾难，灾后救援工作仍然迫于运力不足显得有些捉襟见肘。由于气垫飞机对地面的平整度和硬度要求不太苛刻，所以在灾区起降具有明显优势。另外，气垫飞机也可以用于海军，它既可以在军舰上起降，又可以在水面起降，灵活度高，能够迅速而有效地完成海上任务。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品提出了一种全新的固定翼飞机起降方式。它基于垫升原理，可以解决现有起降技术存在的部分问题，从一定程度上提高固定翼飞机的起降性能。其基本思路为：起飞滑跑时，开启增压装置（鼓风机或储气罐），向下喷出气流，周围的柔性围裙限制其逸出，使整机与跑道（可以是平地、洼地、草地、雪地、水面甚至是沙砾地段和沼泽地）之间形成一层气垫。“悬空”的飞机在动力的作用下加速到起飞速度，飞机起飞，飞行稳定后关闭增压装置，并收起围裙。降落时，控制好飞机的下滑航线，当飞机即将与地面接触时，打开围裙，运行增压装置并抛出减速伞，飞机与地面形成气垫，向前滑行直至停止，最后关闭气垫。 本作品所具有的创新点如下： 1）垫升式起降技术可提高固定翼飞机对复杂地形的适应能力，有效增强飞机的起降性能。 2）垫升式起降技术使飞机在滑跑过程中与跑道脱离，近似“零摩擦”，实现快速起飞。 3）垫升式起降相比轮式起降，不存在最大转角对飞机地面转弯半径的束缚，使其转弯半径可以非常小，从而提高飞机的地面机动性。 为了实现以上设想，需解决以下问题： 1）围裙气室结构布局的优化设计； 2）滑跑过程中，气垫飞机的操作性和稳定性； 3）提供一套有效而安全的起降方案。 验证机的主要技术指标如下： 起飞重量：5kg 续航时间：10min 翼展:2.8m 机身长度：1.8m 起飞速度：10m/s 垫升高度：5mm 垫升功率：190W 压气流速：35m/s
科学性、先进性
- 科学性：本作品的创意是在一定的理论以及实践基础上提出来的，而且在两个方面都有良好的体现。理论方面，有垫升原理、空气动力学等专业学科的支持，这两者在理论层面已经发展到了相当的高度，足以满足现在各种气动装置的理论计算以及模拟仿真；而在应用方面，气垫船对垫升原理、飞行器对空气动力学的实际应用都经过了相当长时间的发展与完善，已经相当成熟，而且在研究范围内，两者能够成功实现有效结合。 先进性：本作品的出发点是改良固定翼飞机的起降性能，其先进性表现在合理大胆的创新性以及新的起降方式在性能方面的优越性等方面。首先，在寻求改良起降方式的过程中，从思路上突破传统起降方式的限制，将改进的要点放在新的起降方式的验证方面，从而扩展了改进方式的操作空间和起降性能的提升空间。然后，通过大量的理论计算、计算机模拟仿真以及多次实物试验证明，该起降方式在地形适应、地面控制等方面具有传统起降方式无法比拟的优越性。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 验证机已初步试验成功，地面控制和可操作性有待于进一步完善。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 可以提供实物模型，图片，视频。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 垫升式起降技术提出了一种全新的起降方式，它利用垫升原理，通过建立空气层，虚拟出可供飞机起降的跑道，可以在无机场的条件下执行任务，可从一定程度上提高飞机的起降性能。相对同等条件下的直升机而言，载重大、速度快；相对普通飞机而言，在海面、军舰、陆地、沙地、沼泽、雪地等上均可顺利起降，可提高飞机战术的灵活性。 就其使用前景来看，这种垫升式起降系统适用范围广泛。它不但能够作为常规飞机的补充完成常规任务，而且能够在特定环境下完成难度较高的任务。例如沙漠探索、丛林冒险、开辟荒地、抗震救灾等。尤其在灾后救援方面，近几国内外发生多起地震，灾后救援工作捉襟见肘。依靠垫升式起降技术的飞机对地面的平整度和硬度要求不太苛刻，所以在灾区起降具有明显优势。另外，其也可以用于海军，它既可以在军舰上起降，又可以在水面起降，灵活度高，能够迅速而有效地完成海上任务。 由此可见，垫升式起降技术具有明显优势，所以必定会有广阔的应用前景，也必定会带来巨大的经济、社会、军事战术效益。
同类课题研究水平概述
- 世界上固定翼飞机的起降系统多为起落架，但是，起落架始终不能摆脱对跑道质量的严格要求，所以其局限性很大。目前，世界航空领域也相继出现了不少提高飞机起降性能的方法。 滑跳起飞/阻拦降落是舰载机经常用的起降方式。飞机在起飞的时候以自身的动力经由跳台的协助升上空中。与其类似的是弹射起飞∕阻拦降落，飞机依靠弹射器获得初速度，并在短距离内滑跑起飞。降落时通过阻拦索或阻拦网的阻拦而缩短滑跑距离。这两种方式在缩短滑跑距离方面，提高了飞机的起降性能。 推力矢量技术是发动机推力通过喷管或尾喷流的偏转产生的推力分量来替代原飞机的操纵面或增强飞机的操纵功能，对飞机的飞行进行实时控制的技术。它对战斗机的隐身、减阻、减重都十分有效。目前世界上只有美国和俄罗斯掌握了这一技术。 美军V-22鱼鹰倾转旋翼飞机实现了以垂直起降和悬停为目的的操作功能，是一项非常先进的技术。同时，它也存在严重缺陷。倾转旋翼飞机的主要问题，集中在起降和过渡飞行阶段，存在着一些直升机和固定翼飞机很少遇到的矛盾。为了克服这些缺陷，“鱼鹰”不得不采取许多复杂的、非常规的技术措施，从而使全机的重量、性能和生产成本都受到影响。 引射增升技术是在机身或机翼上安装引射装置，用较少的喷气发动机引出高压气流，产生较大的直接升力。引射构型是将发动机喷流引到引射襟翼喷出，吸引外界空气流过襟翼，从而使机翼产生升力——这比单纯依靠发动机的推力效率要高得多。同时，由于引射系统的高效率，在同样的发动机推力下，采用引射构型的飞机可以具有更大的起飞重量。但遗憾的是，这些优点迄今仍然只存在于理论上。 冲翼艇是一种介于船舶与飞机之间的地效飞行器，它在接近地面或水面的一定高度时，流经机翼与水面之间的气流被强烈阻滞，机翼下压力剧增，从而导致艇体升力额外增加。但是，由于它依赖于地效，飞行高度受到严格的限制。 目前，国内外并未出现关于固定翼飞机利用垫升原理进行地面滑跑起飞的相关研究。这种基于垫升原理的固定翼飞机起降方式可以说是一项比较新的创意，它可以解决现有固定翼飞机起落方式解决不了的诸多难题。其对跑道的适应能力相对于现有起降技术来说有不可比拟的优越性。因此，它的应用前景将十分广阔，它的应用范围将更加广泛！
