基本信息
- 项目名称：
- 倾转涵道式垂直起降验证机
- 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B类
- 简介：
- 从现代严酷的战争环境和突发自然灾害对高性能垂直起降飞机的需求出发，针对现有倾转旋翼型垂直起降飞机的缺陷设计制作了本作品。 本作品的核心是三个涵道组成的动力系统，在机载飞控系统的控制下，通过实时调节三个涵道的转速和偏角实现飞机的姿态调节。在这种全新的垂直起降方式下，本作品不仅保留了传统倾转旋翼飞机的优势，同时具有结构简单紧凑、调调姿灵敏度高、复杂地域起降适应力强等特点，具有广阔的应用空间。
- 详细介绍：
- 一、研究背景 现代战争环境下的作战任务和突发自然灾害后的救灾使得垂直起降飞机越来越受到青睐，而现有垂直起降飞机均存在不同程度的缺陷。本项目组从以上背景出发，提出了一种全新的垂直起降方式，希望在垂直起降飞机的控制方式、结构简化、起降适应性等方面有所突破。 二、总体方案 本作品采用三个小直径涵道风扇作为动力，其中两个主涵道布置在机身两侧，提供80%的升力并通过调节转速控制飞机滚转。另一个涵道是独立的升力风扇，安装在飞机尾部，提供20%升力并通过改变转速和偏角分别控制飞机的俯仰和航向。 机载飞行控制系统，通过采集多个传感器（三轴陀螺仪、三轴加速度计和高度传感器）的实时信号，经过DSP的处理，控制各个电机的转速和舵机的转角，实现飞行姿态的控制。 三、作品的科学性和创新性 本作品的科学性和创新性体现在以下三方面： 1.新颖的垂直起降方式。本作品的三点式动力相互配合，通过实时调节三个涵道转速和涵道转角实现垂直起降和姿态转换，与现有的变距桨调姿方式相比，其优势体现在两方面：首先是机械结构大幅简化，重量和成本降低，可维护性好。现有变矩桨调姿方式结构复杂，调姿时需反复克服旋翼陀螺效应，效率低，同时对结构强度要求高。二是以改变电机转速的方式实现调姿，提高了控制的灵敏度和精确度。 2.独特的涵道动力。本作品选用涵道作为动力并合理排布其位置，使得机体结构紧凑，气流干扰小，安全性好，尤其是起降的灵活性大大增强，非常适合在舰船甲板或破坏严重的地震灾区等复杂狭小区域起降。同时涵道气流不受机翼阻挡，升力效率高。传统倾转旋翼飞机为满足变距和升力要求，多采用大直径螺旋桨，灵活性较差，同时气流会受到机翼阻挡，效率较低，并存在旋翼-机翼复杂的气动干扰问题。 2.自主研发飞行控制系统。项目组针对本作品的特点研发了一套飞行控制系统，以DSP作为主控芯片，配合惯性测量单元以实现飞机的增稳。同时本系统充分考虑了升级需求，可搭载超声波测距、GPS定位等拓展模块，有广阔的升级空间。 四、应用前景 本作品结合了垂直起降和快速巡航两大优势，同时相比传统倾转旋翼机具有结构简单紧凑、易于维护、起降灵活等特点，在军用和民用方面均有广阔的前景，例如： （1）针对海上环境进行相关改进后，该机非常适合作为舰载机使用。其体积小、动力系统简单可靠的优势有利于充分使用宝贵的甲板面积、减少维护量，大幅增强母舰的作战能力。 （2）搭载侦查监视设备，该机可作为无人侦察机使用。由于兼具快速巡航和定点悬停的能力，在执行侦察任务时具有快速反应、侦察方式灵活的特点。 （3）搭载观测和搜救设备后，该机在面对地震等突发灾害时有较大的优势。首先可以实现快速抵达，在第一时间侦察灾情；同时可悬停作业，实施搜救，涵道动力可使其在较为复杂的地形起降。
作品图片
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
- 现代战场环境和突发自然灾害越来越呼唤垂直起降飞机。现有垂直起降飞机中发展较好的机型是倾转旋翼式飞机，它通过改变旋翼倾角进行姿态转换，采用机械式变距的方式进行调姿，但此类飞机通常有结构复杂、旋翼直径过大、起降不够灵活等缺点。 为解决以上问题，本项目组提出并验证了一种全新的垂直起降方案，方案采用三个涵道风扇作为动力，两个主涵道布置在机身两侧，提供大部分升力并通过调节转速控制滚转。创新地引入独立的升力风扇，通过改变其转速和偏角来调节飞机的俯仰和航向。主涵道倾转使飞行器完成垂直起降状态与平飞状态之间的转换。机载飞行以DSP为核心的飞控系统，控制电机的转速和舵机的转角，实现飞行姿态的控制。 创新点：（1）全新的动力布局。本机的三个涵道互相配合，以电子调速方式取代了传统的机械式变距调姿，动力系统结构简单，重量轻，可维护性好。同时调姿灵敏度和精确度提升。 （2）独特的涵道动力。由于不改变桨距，本作品选用涵道作为动力，全机结构紧凑，没有气流干扰，起降的灵活性大大增强，非常适合在复杂或狭小区域起降。 （3）全机布局优化设计。通过分析论证，选用鸭式布局和翼尖双垂尾等设计，在较好融合动力配置和气动布局的同时，提高全机的升阻比和航向稳定性。 技术关键：（1）飞行器气动布局和动力布局的设计与实现。（2）倾转动力系统的设计与实现。（3）飞行控制系统的硬件和算法设计。 主要技术指标： 空重：5.2㎏ 展长：1935 mm 机长：1600 mm 翼面积：93.7dm2 巡航速度：15 m/s
科学性、先进性
- 本作品的科学性和创新性体现在以下三方面： 1.新颖的垂直起降方式。本作品的三点式动力相互配合，以电子调速方式取代了传统机械式变距调姿，其优势体现在两方面：首先是机械结构大幅简化，重量和成本降低，可维护性好。现有变矩桨调姿方式结构复杂，调姿时需反复克服旋翼陀螺效应，对结构强度要求高。二是以电子调速的方式进行调姿，提高了控制的灵敏度和精确度。 2.独特的涵道动力。本作品选用涵道作为动力并合理排布其位置，使得机体结构紧凑，安全性好，尤其是起降的灵活性大大增强，非常适合在舰船甲板或地震灾区等复杂狭小区域起降。同时涵道气流不受机翼阻挡，升力效率高。传统倾转旋翼飞机为满足变距和升力要求，多采用大直径螺旋桨，灵活性较差，同时气流会受到机翼阻挡，效率较低，并存在复杂的气动干扰问题。 4.自主研发飞行控制系统。项目组针对本作品的特点自主研发了一套飞行控制系统，以DSP作为主控芯片，配合惯性测量单元以实现飞机的增稳。同时本系统充分考虑了升级需求，可搭载超声波测距、GPS定位等拓展模块，有广阔升级空间。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年5月在北京理工大学第八届“世纪杯”课外学术科技作品竞赛中获特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像
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
- 使用说明：由于飞行控制系统可有效实现增稳功能，操纵人员只需经过短时间的专项训练即可通过地面操纵端进行控制。 技术特点和优势：本作品结合了垂直起降和快速巡航两大优势，同时相比传统倾转旋翼机具有结构简单紧凑、易于维护、调姿灵敏等特点。起降适应力强，在空间狭小（如军舰上）和地形复杂区域（如地震灾区）也能够起降。 适应范围及推广前景： 上述特点和优势使得该机有着广阔的应用前景。在民用方面，该机能够快速抵达、悬停作业，并能在复杂地形起降，适合在地震、泥石流等灾害地区执行侦察、搜救等任务。在军用方面，该机适合作为舰载机使用，其体积小、动力系统简单可靠的优势有利于充分使用宝贵的甲板面积、减少维护量，大幅增强母舰的作战能力。同时在搭载不同任务模块后，可在战场侦察、通信中继、边境监控、特种作战等任务中发挥巨大优势。
同类课题研究水平概述
- 1、国外发展情况 国外关于垂直起降飞机的研究开展得较早，发展的方向多元化，历史上曾出现过各种各样的垂直起降飞机，目前发展较好的是倾转旋翼类飞机。 以下是几个比较典型的机型： 美国V-22倾转旋翼机。V-22的发动机和可变距螺旋桨安装在翼尖处，方向可调，飞机垂直起飞到高速巡航时，可倾转90度。V一22飞机由于在机翼翼尖处安装可倾转的发动机和直径达11．57米的旋翼，可像直升机那样垂直起飞着陆并悬停。发动机直立时，飞机垂直起飞着陆；发动机转到水平方向时，飞机则如同固定翼的涡轮螺旋桨飞机那样，可巡航飞行。 美国XC-142倾转机翼验证机。该机属于倾转机翼式，动力系统和机翼同步倾转，较好地解决了下洗气流的遮挡问题和发动机与机翼的相互作用问题。但是由于此种结构对机翼与机身铰接处强度要求过高 ，机械复杂，可靠性太低；俯仰操纵困难，不得不在机尾加装水平小桨来提供俯仰控制力矩；更严重的是倾转机翼在垂直起飞和悬停时，竖起的巨大机翼形成“门板”效应，容易受低空阵风影响。因为这些问题，倾转机翼式垂直起降飞机最终未能投入使用。 美国scorpion无人机。该机是倾转机身式垂直起降飞机，其机翼通过横向枢轴自由套接于机身上，scorpion是推力转向的一个新思路，后机身和机翼是固定的，但安装发动机的前机身可以向上倾转，提供额外的升力分量，缩短起飞距离。不过scorpion很难实现垂直起降，以短距起降为主。 美国贝尔公司研制的X-22。该机是倾转涵道式垂直起降飞机的代表。贝尔 X-22 采用四台涡轴发动机，两两布置在垂尾前面两侧，通过交联的同步轴，驱动四副涵道风扇，每个涵道出口的一个气动控制面提供垂直起落和平飞中的飞行控制。巨大的垂尾实际上没有舵面，只是起方向稳定作用。X-22 的涵道风扇的有 35% 的剩余功率，只要三个涵道风扇就能够实现垂直起落，只剩两个还能正常平飞，常规降落只需要一个涵道风扇。 2、国内发展情况： 国内在垂直起降飞机方面的研究刚刚起步，目前已经报道的有：南京航空航天大学的“小型倾转旋翼飞行器”，其布局与控制方式基本与美国V-22“鱼鹰”相同 ；北京航空航天大学的“基于倾转动力系统的可自由起降验证机”，它采用可倾转中段翼身动力系统，变距桨调姿动力系统，单尾撑气动布局。在垂直起降方式上，与上文介绍的美国freewing公司的scorpion 无人机类似。
