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本作品設(shè)計了一種新概念扇翼飛行器——扇翼機，其飛行原理與現(xiàn)有固定翼、旋翼飛行器的原理不同，它是在機翼上表面安裝橫流風(fēng)扇，利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的升力和推力供給飛行器進行飛行。該飛行器具有超短距起降、大迎角不失速、操縱控制簡單、低速飛行穩(wěn)定性和安全性好等優(yōu)點。它比直升機結(jié)構(gòu)和操控系統(tǒng)簡單，巡航效率高；比固定翼機起降距離短，低速飛行時有效載荷大，是一種性能介于直升機和固定翼機之間的新型飛行器。

一、設(shè)計、發(fā)明目的：
本作品是設(shè)計制造一種新概念新原理的飛行器――扇翼機。其基本布局是在固定翼飛行器機翼前緣的上表面裝有橫流風(fēng)扇，利用橫流風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的升力和推力進行飛行。因此，我們把它稱之為扇翼飛行器或扇翼機，是一種從原理到構(gòu)型都具有創(chuàng)新意義的飛行器，與常見的固定翼、旋翼、撲翼飛行器有本質(zhì)的區(qū)別。
扇翼機在功能上的特點有：超短距起降（甚至可垂直起降）、大迎角飛行時不失速、結(jié)構(gòu)和操控系統(tǒng)簡單、低速飛行時載荷大、穩(wěn)定性和安全性好等，特別適合低空低速飛行，以及在起降條件較差的地區(qū)使用。
扇翼機與直升機相比，結(jié)構(gòu)和操控系統(tǒng)要簡單得多，巡航效率高，沒有直升機具有的氣動、結(jié)構(gòu)、氣彈、飛控、振動、噪聲等一系列十分復(fù)雜的問題，研制和使用維護成本??；它與固定翼機相比，起降距離短，大迎角及紊流飛行狀態(tài)下不失速，有效載荷大，低空低速飛行時穩(wěn)定性和安全性好。這是一種性能介于直升機和固定翼機之間的新型飛行器。由于這種飛行器在原理上的獨創(chuàng)性， 相關(guān)機構(gòu)把其評為“自萊特兄弟發(fā)明飛機以來少數(shù)幾個真正意義上的新型飛行器之一”，“具有革命性的意義”。
通過設(shè)計制作該作品，進一步探索扇翼類飛行器的飛行原理、空氣動力學(xué)性能、飛行力學(xué)和動力學(xué)特性，研究總體氣動布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力、傳動、飛行控制等技術(shù)，從而掌握該類飛行器的基本原理和設(shè)計方法，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的扇翼類飛行器的設(shè)計技術(shù)和能力。
二、基本思路：
在深入研究并掌握扇翼機的飛行原理和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前的實際條件，進行作品的創(chuàng)新設(shè)計，包括扇翼機總體構(gòu)型、動力裝置和總體參數(shù)選擇、系統(tǒng)總體布置、氣動布局設(shè)計、氣動性能和飛行特性計算，以及風(fēng)洞試驗驗證等。根據(jù)設(shè)計、計算和試驗結(jié)果，不斷調(diào)整設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化總體設(shè)計方案。在總體方案確定后，進行各分系統(tǒng)和相關(guān)部件的設(shè)計，以及樣機各部件加工制作、總體裝配、地面調(diào)試和飛行試驗，完成項目研究。
三、創(chuàng)新點：
扇翼機是一種新原理新概念飛行器，具有多方面的創(chuàng)新點，主要表現(xiàn)在：
1）系統(tǒng)創(chuàng)新
扇翼飛行器是一種從原理到結(jié)構(gòu)都有重要創(chuàng)新的飛行器，其整體結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，載荷大，功能獨特，優(yōu)點突出，是一種新型的飛行器，具有整體系統(tǒng)上的創(chuàng)新意義。
2）原理創(chuàng)新
扇翼飛行器采用橫流風(fēng)扇提供升力和推力，其升力和推力的產(chǎn)生方式與固定翼、旋翼、撲翼飛行器升力和推力的產(chǎn)生方式都不同，因此，本飛行器在最基本的工作原理方面有所創(chuàng)新，這是一種機理方面的本質(zhì)上的創(chuàng)新。
3）構(gòu)型創(chuàng)新
基于扇翼飛行器的新型飛行原理，它在構(gòu)型方面采用在固定翼飛行器機翼前緣上表面安裝橫流風(fēng)扇的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計，其總體氣動布局與固定翼、旋翼、撲翼飛行器的布局都不同。
4）升力、推力控制技術(shù)創(chuàng)新
扇翼機通過調(diào)節(jié)橫流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、機翼前緣進氣口的角度、風(fēng)扇的葉片數(shù)量、葉片的安裝角等參數(shù)，實現(xiàn)對升力和推力的控制，這也與其它飛行器的控制方式有很大區(qū)別。
5）設(shè)計和分析方法創(chuàng)新
扇翼機具有獨特的原理和結(jié)構(gòu)，需要有其它飛行器不具備的創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)和分析方法，如適合飛行器的高性能橫流風(fēng)扇設(shè)計技術(shù)，適合扇翼機橫流風(fēng)扇內(nèi)、外部流場，以及與整機流場耦合問題的高精度分析方法等。
6）本作品是我國首架成功進行了飛行試驗的扇翼機。
四、關(guān)鍵技術(shù)：
扇翼機涉及總體、氣動、結(jié)構(gòu)、動力、傳動、飛行控制等眾多學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)，無論在理論分析還是在試驗方面都存在一定的技術(shù)難度。根據(jù)最新研究分析，新概念扇翼機研制的關(guān)鍵技術(shù)主要有：
1）扇翼機的總體布局及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。
扇翼機是一種新型飛行器，其總體構(gòu)型與參數(shù)的選擇，氣動布局的確定，氣動性能與飛行特性的分析計算，動力、傳動、操控系統(tǒng)的設(shè)計等，決定了扇翼機的總體性能，是扇翼機最主要的關(guān)鍵技術(shù)。因此，本設(shè)計須根據(jù)實際需要，結(jié)合國內(nèi)外的研究基礎(chǔ)，初步確定系統(tǒng)平臺的總體構(gòu)型、參數(shù)和布局，通過理論分析和試驗，對總體布局方案進行反復(fù)比較和優(yōu)化設(shè)計。
2）高性能橫流風(fēng)扇及扇翼設(shè)計技術(shù)。
扇翼機靠橫流風(fēng)扇產(chǎn)生升力和推力，橫流風(fēng)扇的性能對扇翼機的飛行性能具有重要影響，高性能橫流風(fēng)扇設(shè)計技術(shù)，以及風(fēng)扇與機翼組合的扇翼設(shè)計技術(shù)，直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能。因此，扇翼設(shè)計是扇翼機氣動設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。
3）扇翼機分布式推力、渦升力及其控制技術(shù)。
扇翼機依靠橫流風(fēng)扇產(chǎn)生分布式升力和推力，其升力的大部分又受風(fēng)扇內(nèi)部的偏心渦控制，因此，研究掌握偏心渦的強度和位置的變化規(guī)律，即偏心渦的控制技術(shù)，才能真正掌握扇翼機的飛行原理和核心技術(shù)。扇翼機偏心渦的強度和位置受風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、來流、風(fēng)扇葉片等眾多因素影響，需要通過深入細致的理論和試驗研究來解決。
4）扇翼機的氣動特性分析技術(shù)。
扇翼機與其它飛行器的最大區(qū)別，在于升力和推力的形成機理不同，即升力和推力的產(chǎn)生方法與控制方式不同，因此，現(xiàn)有飛行器的氣動特性分析方法不適合扇翼機，需要建立一套適合扇翼機橫流風(fēng)扇內(nèi)外部流場和整機流場耦合問題的新的分析方法。
5）扇翼機的飛行控制技術(shù)。
盡管扇翼機和固定翼飛行器在總體構(gòu)型上有較大的相似，在飛行操縱和控制部件及參數(shù)方面有多處相同，但因其升力和推力的產(chǎn)生、控制方式及變化規(guī)律不同，飛行環(huán)境也有差異，因此需要對扇翼飛行器的飛行力學(xué)規(guī)律、操縱和飛控系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)進行重新研究，以滿足扇翼飛行器的需求。
6）扇翼機試飛驗證技術(shù)。
任何具有實用意義的飛行器，都要經(jīng)過長期反復(fù)嚴格的飛行試驗，以確保其可用性和安全性。固定翼、旋翼類飛行器已經(jīng)建立了一套嚴謹規(guī)范的試飛驗證技術(shù)，而扇翼機在飛行試驗方面的技術(shù)還是一個空白，需要在不斷地探索過程中，建立一套科學(xué)嚴謹規(guī)范的扇翼機試飛驗證技術(shù)。
如前所述，扇翼機是一種新概念新原理飛行器，在構(gòu)型、原理、布局等方面與現(xiàn)有飛行器有很大不同，因此，本作品在設(shè)計、分析和制造方面，具有許多獨特的技術(shù)和方法，主要體現(xiàn)在：
1.獨特的飛行原理
扇翼機是通過安裝在機翼前緣上表面的橫流風(fēng)扇提供升力和推力進行飛行。扇翼機升力由兩部分組成：一部分是當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時，機翼后半部分上下表面的流速不同，造成機翼上下表面的壓力差，形成機翼的升力；另一部分是當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時，在風(fēng)扇內(nèi)部產(chǎn)生一個很強的偏心旋渦低壓區(qū)，使得機翼前半部分圓弧形區(qū)域的上下表面產(chǎn)生較大的壓力差，形成更大部分的機翼升力。它的推力是當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時，葉片對空氣作用向后推出氣流，形成向前的推力。由此看出，扇翼飛行器是一種與固定翼、旋翼、撲翼飛行器的工作原理都不同的新概念新原理飛行器。
2.獨到的扇翼設(shè)計技術(shù)
扇翼機主要靠風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力和推力，適合飛行器的高性能風(fēng)扇以及風(fēng)扇與機翼組合的扇翼設(shè)計技術(shù)，直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能，也是扇翼機獨有的關(guān)鍵技術(shù)之一。影響扇翼性能的因素眾多，如風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇的直徑、風(fēng)扇與機翼凹面間的間隙、葉片的數(shù)量、葉片安裝角、葉片弦長、葉片弧度、機翼后部上表面的傾斜角、機翼的形狀、機翼的迎角等，我們經(jīng)過計算分析，選擇了一組較好的參數(shù)，進行了橫流風(fēng)扇和扇翼的組合設(shè)計。
3.創(chuàng)新的總體構(gòu)型和氣動布局設(shè)計
扇翼機主要的升力和推力來源于復(fù)合式機翼結(jié)構(gòu)，同時考慮到其低速大載荷的特點，需要對扇翼機各承力面之間的相互位置以及相對尺寸和形狀進行設(shè)計。在總體構(gòu)型方面，扇翼機采用了正常布局，即在機翼的前端沿展向布置橫流風(fēng)扇，并采用高平尾平衡風(fēng)扇的扭矩。動力系統(tǒng)采用單臺發(fā)動機驅(qū)動橫流風(fēng)扇以產(chǎn)生分布式推力和升力，操控系統(tǒng)與固定翼飛機相似，但副翼設(shè)計在扇翼的外側(cè)，尾部安裝平尾及雙垂尾，用于保證扇翼機的穩(wěn)定性。通過副翼、升降舵、方向舵以及控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)扇翼機的操縱。起落架采用四點式布局。
4.獨有的升力、推力控制技術(shù)
扇翼機在機翼上表面的前緣安裝橫流風(fēng)扇，依靠橫流風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，使得機翼上下表面的流速不同，并在風(fēng)扇內(nèi)部形成旋渦低壓區(qū)，造成機翼上下表面的壓力差，使得機翼獲得升力和推力，推動飛行器飛行。研究發(fā)現(xiàn)，旋渦低壓區(qū)所在的圓弧形機翼上下表面形成的壓差力占了扇翼機升力的70%以上，同時旋渦低壓區(qū)的強度和位置顯著地影響了扇翼機升力、推力的大小和方向。此外影響旋渦強度和位置的因素包括：風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、葉片的安裝角、機翼前緣的進氣角度、葉片弦長、葉片數(shù)量等。因此我們可以通過控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、機翼前緣的進氣角度、葉片安裝角等因素來控制旋渦低壓區(qū)域的強度和位置，從而實現(xiàn)對扇翼機升力、推力的控制，該項控制技術(shù)是扇翼機獨有的技術(shù)。本團隊在深入地研究扇翼機飛行原理的基礎(chǔ)上，發(fā)展了這種全新的升力、推力的控制技術(shù)。
5.低速巡航時的大載荷特性
由于扇翼機獨特的飛行原理，使其在低速巡航飛行時具有比固定翼飛行器和直升機大得多的載荷性能。經(jīng)詳細的理論分析和實驗研究發(fā)現(xiàn)，在低速飛行時，同樣消耗100馬力的功率，扇翼機的載荷大約是固定翼飛行器的2倍，是直升機的4倍。
6.低速飛行控制律設(shè)計
扇翼機主要適合低空低速飛行，在這種狀態(tài)下，固定翼飛行器的飛控系統(tǒng)，不適合扇翼機的飛控要求，因此必須針對扇翼機低空低速和大迎角狀態(tài)下的飛行特點，研究開發(fā)扇翼機的飛控系統(tǒng)，這將填補國內(nèi)的研究空白。
7.先進的氣動特性分析方法
由于扇翼機在飛行原理、總體構(gòu)型、氣動布局和結(jié)構(gòu)方面的特殊性，現(xiàn)有飛行器的氣動特性分析方法不適合扇翼機，需要建立一套能夠處理扇翼機橫流風(fēng)扇內(nèi)外部流場和整機流場耦合問題的數(shù)值分析方法。為此，我們根據(jù)扇翼機升力、推力和流場具有二維特性的特點，建立了基于計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)的扇翼機氣動特性分析的數(shù)值計算模型。
8.簡潔的驅(qū)動和傳動系統(tǒng)
采用外轉(zhuǎn)子無刷電機作為動力裝置，通過傳動軸、軸承、聯(lián)軸器等部件驅(qū)動橫流風(fēng)扇，實現(xiàn)高效傳動。固定軸承位置以保證兩側(cè)風(fēng)輪的同軸度；使用聯(lián)軸器實現(xiàn)扭矩從傳動軸到風(fēng)輪的傳遞；安裝多個聯(lián)軸器，均勻分布扭矩至兩側(cè)風(fēng)輪，消除扭矩傳遞不均現(xiàn)象，減輕風(fēng)輪變形以及振動。
9.高效的操控系統(tǒng)
操控系統(tǒng)布局與固定翼飛機相似，機翼外側(cè)安裝副翼，尾部安裝平尾、垂尾、升降舵和方向舵。與固定翼飛機不同的是，操縱舵面的設(shè)計需要考慮扇翼機低速大載荷以及短距起降的特性，因此采用較大的操縱舵面，改善低速飛行時的操縱效率，此外扇翼機可以通過控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來控制升力和推力的大小。
10.飛行試飛技術(shù)
扇翼機是一種新概念新原理飛行器，現(xiàn)有飛行器的試飛技術(shù)不能完全適應(yīng)扇翼機，特別是在升力、推力以及起飛降落的操控方面。但因扇翼機與固定翼飛機在操控方面總體上的相似性，在對扇翼機進行了大量的地面調(diào)試后，逐步掌握了橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)規(guī)律，以及轉(zhuǎn)速與起飛速度間的關(guān)系，實現(xiàn)了短距起飛；空中飛行時，通過操縱升降舵、方向舵和副翼，來改變扇翼機的飛行姿態(tài)和飛行軌跡；降落時，通過減小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并配合操縱升降舵，保證扇翼機平穩(wěn)降落。
11.技術(shù)難點
1）扇翼機的原理研究。
由于該類飛行器是基于一種新的飛行原理，對其的認識和了解還非常膚淺，鑒于其比較復(fù)雜的復(fù)合式機翼升力推力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加上其風(fēng)扇內(nèi)部流場的旋渦結(jié)構(gòu)和整體的內(nèi)外部流場的耦合作用，給原理分析帶來很大困難，需要建立一套合適的分析方法進行原理探索。
2）扇翼機的升力推力控制技術(shù)。
由于扇翼機的升力推力受旋翼轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇尺寸、葉片數(shù)量等眾多參數(shù)的影響，必須弄清各個參數(shù)對升力推力的影響規(guī)律，以及參數(shù)之間的相互影響規(guī)律，才能掌握對升力推力的控制技術(shù)，這需要做大量深入細致和系統(tǒng)的工作。
3）高效的橫流風(fēng)扇和扇翼設(shè)計技術(shù)。
風(fēng)扇和扇翼直接決定了扇翼機的氣動特性與飛行性能，扇翼組合設(shè)計技術(shù)是扇翼機獨有的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)目前在國內(nèi)還是空白，并且影響扇翼性能的因素眾多，如風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇的直徑、風(fēng)扇與機翼凹面間的間隙、葉片的數(shù)量、葉片安裝角、葉片弦長、葉片弧度、機翼后部上表面的傾斜角、機翼的形狀、機翼的迎角等，要在這眾多的參數(shù)中選擇一組合適的設(shè)計參數(shù)，是本設(shè)計的又一個技術(shù)難點。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 一等獎
獲得大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽特等獎。