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基本信息

項目名稱:
墊升式起降技術(shù)驗證機
小類:
機械與控制
簡介:
當今世界航空技術(shù)迅速發(fā)展,但普通固定翼飛機的起降方式存在很大的局限性,并不能很好的應(yīng)對各式各樣的突發(fā)狀況。本作品就是以改良固定翼飛機起降性能為出發(fā)點,將墊升原理應(yīng)用在其起降方式上,具體來說,就是將傳統(tǒng)的輪式起落架轉(zhuǎn)換為氣墊式起落架,從而使固定翼飛機具有起降地形適應(yīng)能力強、地面可操作性強等優(yōu)點。
詳細介紹:
一、研究目的 世界航空技術(shù)迅速發(fā)展,固定翼飛機的起降方式也各有不同。但是到目前為止,這些起降方式仍存在很大的局限性,并不能很好的應(yīng)對各式各樣的突發(fā)狀況。例如,在近年來發(fā)生的汶川、玉樹和日本地震中,由于災(zāi)區(qū)地面沙礫很多,平整度不夠,普通固定翼飛機無法起飛,或因起飛過程中震動太大,裝載設(shè)備、運送物資嚴重受損,所以很多有人或無人固定翼飛機均無用武之地。無獨有偶,在軍事野戰(zhàn)中,無論是叢林、草地,還是沙漠、沼澤,在這些地形中自由起降一直是固定翼飛機未能突破的瓶頸。 由此可見,現(xiàn)有的固定翼飛機起降方式在很大程度上需要對跑道質(zhì)量(長度,寬度,硬度,平整度,材料,保養(yǎng)程度等)做嚴格的要求,如何有效地提高其起降性能成為亟待解決的問題。而現(xiàn)有的能提高固定翼飛機起降性能的方法很少,且不適合推廣。例如,完全彈射式起飛、阻攔降落的方法能實現(xiàn)快速發(fā)射,但對飛機結(jié)構(gòu)強度的要求極高,而且依賴于發(fā)射臺,很大程度上增大了成本;手拋式起飛、阻攔降落的方法僅僅適用于小型無人機;垂直起降技術(shù)很大程度上提高了戰(zhàn)斗機的起降性能,但它帶來的副作用也是不能忽視的,如彈載少,油耗高,操縱復(fù)雜,作戰(zhàn)半徑短,設(shè)計和維修的難度大等。 那么,要顯著提高固定翼飛機的起降性能,就必須要打破傳統(tǒng)起降方式限制,從新的角度和思路出發(fā),研究出一種全新的起降方式,從而解決以上種種困難。出于這樣的目的,我們提出并驗證了墊升式起降技術(shù)。 墊升式起降技術(shù)利用墊升原理,通過使飛機機體和地面之間建立空氣層,從而降低飛機起降時對地面硬度、平整度等方面的要求,使得飛機可以在無機場跑道的情況下順利完成起降過程。同時,墊升式起降技術(shù)的使用可以有效減少飛機機體與地面之間的摩擦阻力,從而降低對飛機起飛動力的要求。 二、墊升原理簡介 墊升是一個很廣的概念,本作品中所述的墊升是指物體被氣囊抬起,從而脫離原來支撐面的過程。墊升力正是由這個氣囊以及使氣囊膨脹起來的增壓裝置作用而產(chǎn)生的。接下來簡單分析一下其構(gòu)成。 1、氣墊 在航行器底面與運行表面(地面或水表面)之間制造一個高于大氣壓1%~5% 的空氣層,使得航行器脫離或部分脫離運行表面,這層被增壓的空氣層稱為“氣墊”。 按照氣墊的形成和維持方法,氣墊可分為周邊射流式和增壓室式兩種。 1)周邊射流式氣墊是用風扇驅(qū)動空氣進入氣道,由周邊的噴口噴出并拐折向外,形成射流式氣幕,使內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力,將航行器抬升起來。氣幕依靠射流的動量變化對氣墊起封閉作用。被封閉的氣墊的壓力大小同氣幕噴射的速度、墊升高度和噴射角度有關(guān)。 2)增壓室式氣墊是在航行器和運行表面之間構(gòu)成一個較大的氣室(增壓室),空氣經(jīng)風扇驅(qū)動,進入氣室,在底部周圍泄出,氣流流過氣室后受到阻滯,空氣由動壓頭轉(zhuǎn)化為靜壓頭,產(chǎn)生增壓效應(yīng)。 2、增壓裝置 普通氣墊都是以風扇作為增壓裝置,在達到一定的功率后,可將電能、化學能等轉(zhuǎn)化為氣流的動能,使外部氣體高速流入氣室內(nèi)部,以增加氣室內(nèi)部的壓強。當氣室內(nèi)部壓強大于外界環(huán)境壓強時,氣室內(nèi)部氣體將通過柔性圍裙等向外界噴出,從而使被墊升的物體與支撐面之間形成一個氣體層,這個氣體層便是前面所述的氣墊。 在形成氣墊以后,持續(xù)給風扇能量,讓其保持運轉(zhuǎn),便會有持續(xù)不斷的氣體流入氣室內(nèi)部,從而使氣室內(nèi)部壓強始終高于外界環(huán)境壓強。這時,便會有氣體持續(xù)不斷地從氣室中流出,從而一直保持當初形成的那一層氣墊。 這樣,由于氣墊的持續(xù)存在,被墊升的物體就將一直保持墊升狀態(tài),從而達到墊升的目的。 三、創(chuàng)新點 本作品的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 1)能夠顯著提高飛機的起降性能。常規(guī)飛機對跑道的長度、寬度和平整度均有嚴格的要求,其只能在規(guī)定的跑道上起飛和降落,適應(yīng)能力很差。墊升原理的應(yīng)用,使飛機與跑道之間形成一層被增壓的空氣層(即氣墊),使飛機在很大程度上脫離了地面起伏帶來的影響,大大增強其對周邊使用環(huán)境或者復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力。 2)降低飛機起飛時對動力系統(tǒng)的要求,可實現(xiàn)飛機的快速起飛。墊升原理的應(yīng)用使得飛機與跑道完全脫離,實現(xiàn)了飛機與跑道之間的近似“零摩擦”。這樣一來,在飛機起飛滑跑的滑行段,僅僅需要相對比較小的動力,就可以使飛機滑行很長距離;在起飛滑跑的加速段,能有效減小阻力對于飛機加速度增加的影響,使飛機能更快地達到起飛速度,即實現(xiàn)快速起飛。 3)有效減小飛機轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑,可以實現(xiàn)小回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)彎甚至原地轉(zhuǎn)彎。飛機墊升起來之后,通過對動力系統(tǒng)進行修正或者對各個氣墊風扇轉(zhuǎn)速進行改變,能夠調(diào)整飛機滑跑姿態(tài),使飛機在滑跑過程中改變滑跑方向。由于墊升原理的應(yīng)用,避免起落架機輪的最大轉(zhuǎn)角對飛機滑跑轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑的束縛,使得飛機在滑跑轉(zhuǎn)彎過程中的轉(zhuǎn)彎半徑可以無限的小。這樣,就可以顯著提高飛機在滑跑過程中的機動性。 四、應(yīng)用前景 墊升原理是一套比較成熟的理論,它已在氣墊船等方面得到了成熟而廣泛的應(yīng)用。固定翼飛機如果采用基于墊升原理的起降技術(shù),相對同等載重條件下對跑道要求不高的直升機,具有載重大、速度快等優(yōu)勢;相對普通飛機而言,它在海面、軍艦、陸地、沙地、沼澤、雪地等上均可順利起降,在適應(yīng)較復(fù)雜的起降環(huán)境的同時,提高飛機戰(zhàn)術(shù)的靈活性。在技術(shù)成熟之后,這些優(yōu)勢必定會被普遍推廣。 就其使用前景來看,這種氣墊式起降系統(tǒng)適用范圍廣泛。它不但能夠作為常規(guī)飛機的補充完成常規(guī)任務(wù),而且能夠在特定環(huán)境下完成難度較高的特定任務(wù)。例如從事沙漠探索、叢林冒險、開辟荒地、抗震救災(zāi)等活動,這些任務(wù)是常規(guī)固定翼飛機難以完成的。尤其在災(zāi)后救援方面,近幾年我國發(fā)生兩次大地震,國外也發(fā)生多起災(zāi)難,災(zāi)后救援工作仍然迫于運力不足顯得有些捉襟見肘。由于氣墊飛機對地面的平整度和硬度要求不太苛刻,所以在災(zāi)區(qū)起降具有明顯優(yōu)勢。另外,氣墊飛機也可以用于海軍,它既可以在軍艦上起降,又可以在水面起降,靈活度高,能夠迅速而有效地完成海上任務(wù)。

作品圖片

  • 墊升式起降技術(shù)驗證機
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標

本作品提出了一種全新的固定翼飛機起降方式。它基于墊升原理,可以解決現(xiàn)有起降技術(shù)存在的部分問題,從一定程度上提高固定翼飛機的起降性能。其基本思路為:起飛滑跑時,開啟增壓裝置(鼓風機或儲氣罐),向下噴出氣流,周圍的柔性圍裙限制其逸出,使整機與跑道(可以是平地、洼地、草地、雪地、水面甚至是沙礫地段和沼澤地)之間形成一層氣墊?!皯铱铡钡娘w機在動力的作用下加速到起飛速度,飛機起飛,飛行穩(wěn)定后關(guān)閉增壓裝置,并收起圍裙。降落時,控制好飛機的下滑航線,當飛機即將與地面接觸時,打開圍裙,運行增壓裝置并拋出減速傘,飛機與地面形成氣墊,向前滑行直至停止,最后關(guān)閉氣墊。 本作品所具有的創(chuàng)新點如下: 1)墊升式起降技術(shù)可提高固定翼飛機對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力,有效增強飛機的起降性能。 2)墊升式起降技術(shù)使飛機在滑跑過程中與跑道脫離,近似“零摩擦”,實現(xiàn)快速起飛。 3)墊升式起降相比輪式起降,不存在最大轉(zhuǎn)角對飛機地面轉(zhuǎn)彎半徑的束縛,使其轉(zhuǎn)彎半徑可以非常小,從而提高飛機的地面機動性。 為了實現(xiàn)以上設(shè)想,需解決以下問題: 1)圍裙氣室結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化設(shè)計; 2)滑跑過程中,氣墊飛機的操作性和穩(wěn)定性; 3)提供一套有效而安全的起降方案。 驗證機的主要技術(shù)指標如下: 起飛重量:5kg 續(xù)航時間:10min 翼展:2.8m 機身長度:1.8m 起飛速度:10m/s 墊升高度:5mm 墊升功率:190W 壓氣流速:35m/s

科學性、先進性

科學性:本作品的創(chuàng)意是在一定的理論以及實踐基礎(chǔ)上提出來的,而且在兩個方面都有良好的體現(xiàn)。理論方面,有墊升原理、空氣動力學等專業(yè)學科的支持,這兩者在理論層面已經(jīng)發(fā)展到了相當?shù)母叨龋阋詽M足現(xiàn)在各種氣動裝置的理論計算以及模擬仿真;而在應(yīng)用方面,氣墊船對墊升原理、飛行器對空氣動力學的實際應(yīng)用都經(jīng)過了相當長時間的發(fā)展與完善,已經(jīng)相當成熟,而且在研究范圍內(nèi),兩者能夠成功實現(xiàn)有效結(jié)合。 先進性:本作品的出發(fā)點是改良固定翼飛機的起降性能,其先進性表現(xiàn)在合理大膽的創(chuàng)新性以及新的起降方式在性能方面的優(yōu)越性等方面。首先,在尋求改良起降方式的過程中,從思路上突破傳統(tǒng)起降方式的限制,將改進的要點放在新的起降方式的驗證方面,從而擴展了改進方式的操作空間和起降性能的提升空間。然后,通過大量的理論計算、計算機模擬仿真以及多次實物試驗證明,該起降方式在地形適應(yīng)、地面控制等方面具有傳統(tǒng)起降方式無法比擬的優(yōu)越性。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

作品所處階段

驗證機已初步試驗成功,地面控制和可操作性有待于進一步完善。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

作品可展示的形式

可以提供實物模型,圖片,視頻。

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

墊升式起降技術(shù)提出了一種全新的起降方式,它利用墊升原理,通過建立空氣層,虛擬出可供飛機起降的跑道,可以在無機場的條件下執(zhí)行任務(wù),可從一定程度上提高飛機的起降性能。相對同等條件下的直升機而言,載重大、速度快;相對普通飛機而言,在海面、軍艦、陸地、沙地、沼澤、雪地等上均可順利起降,可提高飛機戰(zhàn)術(shù)的靈活性。 就其使用前景來看,這種墊升式起降系統(tǒng)適用范圍廣泛。它不但能夠作為常規(guī)飛機的補充完成常規(guī)任務(wù),而且能夠在特定環(huán)境下完成難度較高的任務(wù)。例如沙漠探索、叢林冒險、開辟荒地、抗震救災(zāi)等。尤其在災(zāi)后救援方面,近幾國內(nèi)外發(fā)生多起地震,災(zāi)后救援工作捉襟見肘。依靠墊升式起降技術(shù)的飛機對地面的平整度和硬度要求不太苛刻,所以在災(zāi)區(qū)起降具有明顯優(yōu)勢。另外,其也可以用于海軍,它既可以在軍艦上起降,又可以在水面起降,靈活度高,能夠迅速而有效地完成海上任務(wù)。 由此可見,墊升式起降技術(shù)具有明顯優(yōu)勢,所以必定會有廣闊的應(yīng)用前景,也必定會帶來巨大的經(jīng)濟、社會、軍事戰(zhàn)術(shù)效益。

同類課題研究水平概述

世界上固定翼飛機的起降系統(tǒng)多為起落架,但是,起落架始終不能擺脫對跑道質(zhì)量的嚴格要求,所以其局限性很大。目前,世界航空領(lǐng)域也相繼出現(xiàn)了不少提高飛機起降性能的方法。 滑跳起飛/阻攔降落是艦載機經(jīng)常用的起降方式。飛機在起飛的時候以自身的動力經(jīng)由跳臺的協(xié)助升上空中。與其類似的是彈射起飛∕阻攔降落,飛機依靠彈射器獲得初速度,并在短距離內(nèi)滑跑起飛。降落時通過阻攔索或阻攔網(wǎng)的阻攔而縮短滑跑距離。這兩種方式在縮短滑跑距離方面,提高了飛機的起降性能。 推力矢量技術(shù)是發(fā)動機推力通過噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來替代原飛機的操縱面或增強飛機的操縱功能,對飛機的飛行進行實時控制的技術(shù)。它對戰(zhàn)斗機的隱身、減阻、減重都十分有效。目前世界上只有美國和俄羅斯掌握了這一技術(shù)。 美軍V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機實現(xiàn)了以垂直起降和懸停為目的的操作功能,是一項非常先進的技術(shù)。同時,它也存在嚴重缺陷。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的主要問題,集中在起降和過渡飛行階段,存在著一些直升機和固定翼飛機很少遇到的矛盾。為了克服這些缺陷,“魚鷹”不得不采取許多復(fù)雜的、非常規(guī)的技術(shù)措施,從而使全機的重量、性能和生產(chǎn)成本都受到影響。 引射增升技術(shù)是在機身或機翼上安裝引射裝置,用較少的噴氣發(fā)動機引出高壓氣流,產(chǎn)生較大的直接升力。引射構(gòu)型是將發(fā)動機噴流引到引射襟翼噴出,吸引外界空氣流過襟翼,從而使機翼產(chǎn)生升力——這比單純依靠發(fā)動機的推力效率要高得多。同時,由于引射系統(tǒng)的高效率,在同樣的發(fā)動機推力下,采用引射構(gòu)型的飛機可以具有更大的起飛重量。但遺憾的是,這些優(yōu)點迄今仍然只存在于理論上。 沖翼艇是一種介于船舶與飛機之間的地效飛行器,它在接近地面或水面的一定高度時,流經(jīng)機翼與水面之間的氣流被強烈阻滯,機翼下壓力劇增,從而導致艇體升力額外增加。但是,由于它依賴于地效,飛行高度受到嚴格的限制。 目前,國內(nèi)外并未出現(xiàn)關(guān)于固定翼飛機利用墊升原理進行地面滑跑起飛的相關(guān)研究。這種基于墊升原理的固定翼飛機起降方式可以說是一項比較新的創(chuàng)意,它可以解決現(xiàn)有固定翼飛機起落方式解決不了的諸多難題。其對跑道的適應(yīng)能力相對于現(xiàn)有起降技術(shù)來說有不可比擬的優(yōu)越性。因此,它的應(yīng)用前景將十分廣闊,它的應(yīng)用范圍將更加廣泛!
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