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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 傾轉(zhuǎn)涵道式垂直起降驗(yàn)證機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 從現(xiàn)代嚴(yán)酷的戰(zhàn)爭環(huán)境和突發(fā)自然災(zāi)害對(duì)高性能垂直起降飛機(jī)的需求出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有傾轉(zhuǎn)旋翼型垂直起降飛機(jī)的缺陷設(shè)計(jì)制作了本作品。 本作品的核心是三個(gè)涵道組成的動(dòng)力系統(tǒng)，在機(jī)載飛控系統(tǒng)的控制下，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)涵道的轉(zhuǎn)速和偏角實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的姿態(tài)調(diào)節(jié)。在這種全新的垂直起降方式下，本作品不僅保留了傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的優(yōu)勢，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、調(diào)調(diào)姿靈敏度高、復(fù)雜地域起降適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用空間。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、研究背景 現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境下的作戰(zhàn)任務(wù)和突發(fā)自然災(zāi)害后的救災(zāi)使得垂直起降飛機(jī)越來越受到青睞，而現(xiàn)有垂直起降飛機(jī)均存在不同程度的缺陷。本項(xiàng)目組從以上背景出發(fā)，提出了一種全新的垂直起降方式，希望在垂直起降飛機(jī)的控制方式、結(jié)構(gòu)簡化、起降適應(yīng)性等方面有所突破。 二、總體方案 本作品采用三個(gè)小直徑涵道風(fēng)扇作為動(dòng)力，其中兩個(gè)主涵道布置在機(jī)身兩側(cè)，提供80%的升力并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制飛機(jī)滾轉(zhuǎn)。另一個(gè)涵道是獨(dú)立的升力風(fēng)扇，安裝在飛機(jī)尾部，提供20%升力并通過改變轉(zhuǎn)速和偏角分別控制飛機(jī)的俯仰和航向。 機(jī)載飛行控制系統(tǒng)，通過采集多個(gè)傳感器（三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和高度傳感器）的實(shí)時(shí)信號(hào)，經(jīng)過DSP的處理，控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制。 三、作品的科學(xué)性和創(chuàng)新性 本作品的科學(xué)性和創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三方面： 1.新穎的垂直起降方式。本作品的三點(diǎn)式動(dòng)力相互配合，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)涵道轉(zhuǎn)速和涵道轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)垂直起降和姿態(tài)轉(zhuǎn)換，與現(xiàn)有的變距槳調(diào)姿方式相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在兩方面：首先是機(jī)械結(jié)構(gòu)大幅簡化，重量和成本降低，可維護(hù)性好?，F(xiàn)有變矩槳調(diào)姿方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)姿時(shí)需反復(fù)克服旋翼陀螺效應(yīng)，效率低，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。二是以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)姿，提高了控制的靈敏度和精確度。 2.獨(dú)特的涵道動(dòng)力。本作品選用涵道作為動(dòng)力并合理排布其位置，使得機(jī)體結(jié)構(gòu)緊湊，氣流干擾小，安全性好，尤其是起降的靈活性大大增強(qiáng)，非常適合在艦船甲板或破壞嚴(yán)重的地震災(zāi)區(qū)等復(fù)雜狹小區(qū)域起降。同時(shí)涵道氣流不受機(jī)翼阻擋，升力效率高。傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)為滿足變距和升力要求，多采用大直徑螺旋槳，靈活性較差，同時(shí)氣流會(huì)受到機(jī)翼阻擋，效率較低，并存在旋翼-機(jī)翼復(fù)雜的氣動(dòng)干擾問題。 2.自主研發(fā)飛行控制系統(tǒng)。項(xiàng)目組針對(duì)本作品的特點(diǎn)研發(fā)了一套飛行控制系統(tǒng)，以DSP作為主控芯片，配合慣性測量單元以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的增穩(wěn)。同時(shí)本系統(tǒng)充分考慮了升級(jí)需求，可搭載超聲波測距、GPS定位等拓展模塊，有廣闊的升級(jí)空間。 四、應(yīng)用前景 本作品結(jié)合了垂直起降和快速巡航兩大優(yōu)勢，同時(shí)相比傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于維護(hù)、起降靈活等特點(diǎn)，在軍用和民用方面均有廣闊的前景，例如： （1）針對(duì)海上環(huán)境進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)后，該機(jī)非常適合作為艦載機(jī)使用。其體積小、動(dòng)力系統(tǒng)簡單可靠的優(yōu)勢有利于充分使用寶貴的甲板面積、減少維護(hù)量，大幅增強(qiáng)母艦的作戰(zhàn)能力。 （2）搭載偵查監(jiān)視設(shè)備，該機(jī)可作為無人偵察機(jī)使用。由于兼具快速巡航和定點(diǎn)懸停的能力，在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)具有快速反應(yīng)、偵察方式靈活的特點(diǎn)。 （3）搭載觀測和搜救設(shè)備后，該機(jī)在面對(duì)地震等突發(fā)災(zāi)害時(shí)有較大的優(yōu)勢。首先可以實(shí)現(xiàn)快速抵達(dá)，在第一時(shí)間偵察災(zāi)情；同時(shí)可懸停作業(yè)，實(shí)施搜救，涵道動(dòng)力可使其在較為復(fù)雜的地形起降。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境和突發(fā)自然災(zāi)害越來越呼喚垂直起降飛機(jī)。現(xiàn)有垂直起降飛機(jī)中發(fā)展較好的機(jī)型是傾轉(zhuǎn)旋翼式飛機(jī)，它通過改變旋翼傾角進(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)換，采用機(jī)械式變距的方式進(jìn)行調(diào)姿，但此類飛機(jī)通常有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、旋翼直徑過大、起降不夠靈活等缺點(diǎn)。 為解決以上問題，本項(xiàng)目組提出并驗(yàn)證了一種全新的垂直起降方案，方案采用三個(gè)涵道風(fēng)扇作為動(dòng)力，兩個(gè)主涵道布置在機(jī)身兩側(cè)，提供大部分升力并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制滾轉(zhuǎn)。創(chuàng)新地引入獨(dú)立的升力風(fēng)扇，通過改變其轉(zhuǎn)速和偏角來調(diào)節(jié)飛機(jī)的俯仰和航向。主涵道傾轉(zhuǎn)使飛行器完成垂直起降狀態(tài)與平飛狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。機(jī)載飛行以DSP為核心的飛控系統(tǒng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制。 創(chuàng)新點(diǎn)：（1）全新的動(dòng)力布局。本機(jī)的三個(gè)涵道互相配合，以電子調(diào)速方式取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式變距調(diào)姿，動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，可維護(hù)性好。同時(shí)調(diào)姿靈敏度和精確度提升。 （2）獨(dú)特的涵道動(dòng)力。由于不改變槳距，本作品選用涵道作為動(dòng)力，全機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，沒有氣流干擾，起降的靈活性大大增強(qiáng)，非常適合在復(fù)雜或狹小區(qū)域起降。 （3）全機(jī)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析論證，選用鴨式布局和翼尖雙垂尾等設(shè)計(jì)，在較好融合動(dòng)力配置和氣動(dòng)布局的同時(shí)，提高全機(jī)的升阻比和航向穩(wěn)定性。 技術(shù)關(guān)鍵：（1）飛行器氣動(dòng)布局和動(dòng)力布局的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（2）傾轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（3）飛行控制系統(tǒng)的硬件和算法設(shè)計(jì)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 空重：5.2㎏ 展長：1935 mm 機(jī)長：1600 mm 翼面積：93.7dm2 巡航速度：15 m/s
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品的科學(xué)性和創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三方面： 1.新穎的垂直起降方式。本作品的三點(diǎn)式動(dòng)力相互配合，以電子調(diào)速方式取代了傳統(tǒng)機(jī)械式變距調(diào)姿，其優(yōu)勢體現(xiàn)在兩方面：首先是機(jī)械結(jié)構(gòu)大幅簡化，重量和成本降低，可維護(hù)性好。現(xiàn)有變矩槳調(diào)姿方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)姿時(shí)需反復(fù)克服旋翼陀螺效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。二是以電子調(diào)速的方式進(jìn)行調(diào)姿，提高了控制的靈敏度和精確度。 2.獨(dú)特的涵道動(dòng)力。本作品選用涵道作為動(dòng)力并合理排布其位置，使得機(jī)體結(jié)構(gòu)緊湊，安全性好，尤其是起降的靈活性大大增強(qiáng)，非常適合在艦船甲板或地震災(zāi)區(qū)等復(fù)雜狹小區(qū)域起降。同時(shí)涵道氣流不受機(jī)翼阻擋，升力效率高。傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)為滿足變距和升力要求，多采用大直徑螺旋槳，靈活性較差，同時(shí)氣流會(huì)受到機(jī)翼阻擋，效率較低，并存在復(fù)雜的氣動(dòng)干擾問題。 4.自主研發(fā)飛行控制系統(tǒng)。項(xiàng)目組針對(duì)本作品的特點(diǎn)自主研發(fā)了一套飛行控制系統(tǒng)，以DSP作為主控芯片，配合慣性測量單元以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的增穩(wěn)。同時(shí)本系統(tǒng)充分考慮了升級(jí)需求，可搭載超聲波測距、GPS定位等拓展模塊，有廣闊升級(jí)空間。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011年5月在北京理工大學(xué)第八屆“世紀(jì)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)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(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：由于飛行控制系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)增穩(wěn)功能，操縱人員只需經(jīng)過短時(shí)間的專項(xiàng)訓(xùn)練即可通過地面操縱端進(jìn)行控制。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：本作品結(jié)合了垂直起降和快速巡航兩大優(yōu)勢，同時(shí)相比傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于維護(hù)、調(diào)姿靈敏等特點(diǎn)。起降適應(yīng)力強(qiáng)，在空間狹?。ㄈ畿娕炆希┖偷匦螐?fù)雜區(qū)域（如地震災(zāi)區(qū)）也能夠起降。 適應(yīng)范圍及推廣前景： 上述特點(diǎn)和優(yōu)勢使得該機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景。在民用方面，該機(jī)能夠快速抵達(dá)、懸停作業(yè)，并能在復(fù)雜地形起降，適合在地震、泥石流等災(zāi)害地區(qū)執(zhí)行偵察、搜救等任務(wù)。在軍用方面，該機(jī)適合作為艦載機(jī)使用，其體積小、動(dòng)力系統(tǒng)簡單可靠的優(yōu)勢有利于充分使用寶貴的甲板面積、減少維護(hù)量，大幅增強(qiáng)母艦的作戰(zhàn)能力。同時(shí)在搭載不同任務(wù)模塊后，可在戰(zhàn)場偵察、通信中繼、邊境監(jiān)控、特種作戰(zhàn)等任務(wù)中發(fā)揮巨大優(yōu)勢。
同類課題研究水平概述
- 1、國外發(fā)展情況 國外關(guān)于垂直起降飛機(jī)的研究開展得較早，發(fā)展的方向多元化，歷史上曾出現(xiàn)過各種各樣的垂直起降飛機(jī)，目前發(fā)展較好的是傾轉(zhuǎn)旋翼類飛機(jī)。 以下是幾個(gè)比較典型的機(jī)型： 美國V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。V-22的發(fā)動(dòng)機(jī)和可變距螺旋槳安裝在翼尖處，方向可調(diào)，飛機(jī)垂直起飛到高速巡航時(shí)，可傾轉(zhuǎn)90度。V一22飛機(jī)由于在機(jī)翼翼尖處安裝可傾轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和直徑達(dá)11．57米的旋翼，可像直升機(jī)那樣垂直起飛著陸并懸停。發(fā)動(dòng)機(jī)直立時(shí)，飛機(jī)垂直起飛著陸；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到水平方向時(shí)，飛機(jī)則如同固定翼的渦輪螺旋槳飛機(jī)那樣，可巡航飛行。 美國XC-142傾轉(zhuǎn)機(jī)翼驗(yàn)證機(jī)。該機(jī)屬于傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式，動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)翼同步傾轉(zhuǎn)，較好地解決了下洗氣流的遮擋問題和發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼的相互作用問題。但是由于此種結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)翼與機(jī)身鉸接處強(qiáng)度要求過高 ，機(jī)械復(fù)雜，可靠性太低；俯仰操縱困難，不得不在機(jī)尾加裝水平小槳來提供俯仰控制力矩；更嚴(yán)重的是傾轉(zhuǎn)機(jī)翼在垂直起飛和懸停時(shí)，豎起的巨大機(jī)翼形成“門板”效應(yīng)，容易受低空陣風(fēng)影響。因?yàn)檫@些問題，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼式垂直起降飛機(jī)最終未能投入使用。 美國scorpion無人機(jī)。該機(jī)是傾轉(zhuǎn)機(jī)身式垂直起降飛機(jī)，其機(jī)翼通過橫向樞軸自由套接于機(jī)身上，scorpion是推力轉(zhuǎn)向的一個(gè)新思路，后機(jī)身和機(jī)翼是固定的，但安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的前機(jī)身可以向上傾轉(zhuǎn)，提供額外的升力分量，縮短起飛距離。不過scorpion很難實(shí)現(xiàn)垂直起降，以短距起降為主。 美國貝爾公司研制的X-22。該機(jī)是傾轉(zhuǎn)涵道式垂直起降飛機(jī)的代表。貝爾 X-22 采用四臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩兩布置在垂尾前面兩側(cè)，通過交聯(lián)的同步軸，驅(qū)動(dòng)四副涵道風(fēng)扇，每個(gè)涵道出口的一個(gè)氣動(dòng)控制面提供垂直起落和平飛中的飛行控制。巨大的垂尾實(shí)際上沒有舵面，只是起方向穩(wěn)定作用。X-22 的涵道風(fēng)扇的有 35% 的剩余功率，只要三個(gè)涵道風(fēng)扇就能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起落，只剩兩個(gè)還能正常平飛，常規(guī)降落只需要一個(gè)涵道風(fēng)扇。 2、國內(nèi)發(fā)展情況： 國內(nèi)在垂直起降飛機(jī)方面的研究剛剛起步，目前已經(jīng)報(bào)道的有：南京航空航天大學(xué)的“小型傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器”，其布局與控制方式基本與美國V-22“魚鷹”相同 ；北京航空航天大學(xué)的“基于傾轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)的可自由起降驗(yàn)證機(jī)”，它采用可傾轉(zhuǎn)中段翼身動(dòng)力系統(tǒng)，變距槳調(diào)姿動(dòng)力系統(tǒng)，單尾撐氣動(dòng)布局。在垂直起降方式上，與上文介紹的美國freewing公司的scorpion 無人機(jī)類似。
