1、三旋翼垂直起降新能源城市飞行器概念设计研究 黄子豪 西安市第八十三中学 摘 要： 以未来城市飞行器为研究对象, 围绕城市飞行器的气动布局、结构设计、动力能源和材料等, 设计一种三旋翼可垂直起降的新能源城市飞行器, 并对其进行安全性分析。关键词： 城市飞行器; 三旋翼; 垂直起降技术; 新能源; 0 引言设计一种适用于城市发展的飞行器, 充分利用城市空间的各种高度层, 实现交通运输的高效便捷, 意义重大。不仅可以作为公共、家庭和个人的交通工具, 还可以促进医疗救护、防火救灾、安全维护等方面的发展。目前城市飞行器主要集中在无人机的研制和市场投入上, 对于载人城市飞行器的研制和使用目前还存在诸多约束
2、, 大多停留在概念设计和验证的基础上。从城市飞行器的节能和环保能力出发, 提出一种新的三旋翼可垂直起降城市概念飞行器, 首先根据空气动力学原理设计独特的三旋翼布局, 同时具备垂直起降能力。然后通过选择合适的动力能源实现飞行器的低功耗和环保功能, 同时在飞机使用材料上探索使用新型材料, 最后考虑飞行器的安全性, 在飞行器操作系统上设计更为智能便捷的方式, 实现一键定位和智能飞行, 同时建立飞行器自我安全评估系统, 保障乘员安全并且具备应对突发情况的能力。1 飞行器气动布局(1) 旋翼布局。“天城之翼”飞行器的总体布局采用非常规三旋翼布局, 即两个主旋翼、一个辅助旋翼。左右主旋翼提供飞行动力, 尾
3、旋翼保证飞行的平稳并提供推力方式的切换。例如, 垂直起降阶段提供垂直方向升力, 稳定巡航阶段提供向前推力。与目前的民用直升机相比, 该旋翼的飞行器具有噪声小, 效率高, 飞行平稳和飞行便捷等特征, 更加符合未来载人飞行的要求。飞行器飞行的任务剖面图如图 1 所示。飞行剖面涵盖飞行器起飞、爬升、巡航下降和着陆的整个过程。“天城之翼”飞行器的机身结构由复合材料制成, 能源系统由轻型太阳能发电板构成, 清洁环保。优势是能良好地适应城市发展的特殊环境和需求, 体型较小和节能环保。图 1 城市飞行器飞行任务剖面图 下载原图(2) 采用旋翼式的垂直起降方式。对比四旋翼飞行器, 三旋翼飞行器具有结构紧凑,
4、耗能少等优点, 但由于两种飞行器结构不同, 三旋翼飞行器的力矩分析也与四旋翼飞行器有很大不同。为此采用两主一辅的旋翼结构, 同时依靠部分尾部发动机的前向推力。飞行器飞行过程中, 旋翼产生两种力, 一是旋翼产生的扭转力, 二是 3 个旋翼产生的升力 F1, F2和 F3, 如图 2 所示。当飞机悬停在空中, 应满足两个力矩平衡条件, 既不会在 X-Y 平面内旋转, 也不会在 Y-Z 面翻转。辅助旋翼大部分用于垂直起降和升力附加作用, 在飞行过程主要靠两个主旋翼和尾部喷气式发动机提供大部分前进的动力, 因此只需考虑悬停过程中飞行器三旋翼布局的气动稳定性。图 2 三旋翼受力分析 下载原图2 能源与动
5、力(1) 氢能。目前以氢气代替汽油作为汽车发动机的燃料, 已经过日本、美国、德国等许多汽车公司的试验, 证明技术上是可行的, 目前主要是廉价氢的来源问题。氢气燃烧不仅热值高, 而且火焰传播速度快, 点火能量低 (容易点着) , 所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高 20%。但由于氢能源相对而言容易发生爆炸等危险, 因此需要设计合理的方式储存。(2) 太阳能。太阳能主要有光热转换、光电转换和光化学转换 3 种方式。方法有:太阳能电池, 通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能;太阳能热水器, 利用太阳光的热量加热水, 并利用热水发电等。太阳能清洁环保, 无任何污染, 利用价值高, 无能源
6、短缺问题等, 这些优点决定了其在能源更替中不可取代的地位。因此采用新能源发电为城市飞行器提供动力, 可使城市更加绿色、生态和环保。上述能源都可以作为“天城之翼”城市飞行器的备选方案:从安全性考虑, 可以利用电能作为主能源, 而氢能和太阳能作为备用能源, 可以用于解决太阳能动力不足和稳定性不足的问题。3 飞行器复合材料的使用因为复合材料的诸多优异性能, 如优良的抗疲劳性能及独特的材料可设计性等, 都是飞行结构的理想用材。飞行器要求重量轻, 既为减少燃料消耗, 延长留空时间和具有更好的机动性, 也可以安装更多的设备, 以提高其综合性能。减轻结构重量可大大节省飞机成本, 取得明显经济效益。目前国内飞
7、机型号应用复合材料的比例越来越高, 总重量约50%;应用复合材料的部件越来越大, 复合材料构件的结构也越来越复杂, 复合材料的垂直安定面、水平尾翼、前机身、舱门、整流罩等构件, 已在多种型号飞机上使用并形成批量生产能力。机翼、旋翼等主承力构件也已经在小批量生产。“天城之翼”城市飞行器由于飞行速度较慢, 使用频繁和减少噪声等, 应选择轻质耐用的复合材料用于机身结构。4 飞行器智能操控系统随着科技的不断发展, 自诊断、自修复和自适应等功能应在飞行器中不断体现, 而且要实现操纵及结构智能化。对于未来城市飞行器, 实现无人驾驶已不是问题, 目前四旋翼无人机的控制系统已能实现一键返航, 定点飞行, 智能
8、跟踪飞行。因此“天城之翼”在目前无人机的智能控制系统上加以改进, 同时添加冗余系统和人工备用系统, 便可实现城市飞行器的智能操控。在城市飞行器上有一个智能显示器, 只需输入目的地, 飞行器便会自动启动, 并随着环境以及人的感受而调整各项指标。所有的数据都会显示在该智能显示器上, 专门指示飞行速度、爬高速度、海拔高度、地平线、航向、偏航系数, 以及飞行所需所有数据, 并且会以用非专业的语言显示。5 飞行器安全评估系统为保证驾驶员的安全, 需建立飞行器调度站, 同时飞行器也要具有先进的牵引或稳定控制系统、导航系统、定位系统及雷达设备等。未来的飞行器技术要以计算机系统为主的智能驾驶仪为主导, 集无人
9、驾驶自动控制体系结构、人工智能、视觉计算、计算机科学、模式识别和智能控制等众多技术于一体, 以保证其安全性。随着新型材料, 微电子技术, 新能源等技术的发展, 飞行器向智能化、数字化、多功能化以及更为普遍的方向发展, 而旋翼飞行器作为一种低成本、高性能、有着独特飞行方式等优势, 必将在未来的军事和民用领域发挥重要作用。例如, 配备的飞行器实时安全评估系统, 既可以根据耗能量, 天气状况, 本身状态和地形地貌等随时提供安全评估等级, 确保在安全状态下飞行, 而且一旦发现安全评估等级较低时, 将立即触发应急系统, 从而停靠在就近的停机平台。6 结论针对未来智慧城市的发展需求和未来交通出行方式的改变, 设计一种可垂直起降的三旋翼城市概念飞行器, 立足于环保节能和安全性, 在确保动力稳定的情况下采用清洁混合动力系统, 同时使用复合材料, 降低飞行器的重量和飞行噪声。从驾驶员的便捷性出发, 使用智能操控系统, 实现一点到达和智能跟踪。从安全性考虑, 飞行器配备飞行器实时安全评估系统, 确保飞行器和驾驶员安全。参考文献1张卫良.智慧城市:一个美丽的社会愿景J.杭州周刊, 2014 (3) :31-32. 2杨阳, 崔金峰.三旋翼飞行器动力学分析及建模J.光学精密工程, 2013, 21 (7) :1873-1880.
