旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究_张啸迟

显 著 。 ［４－６］ 倾转旋翼飞机的旋翼动力系统推力线方向可
倾转，在升力和推力间转换。以美国 Ｖ－２２“鱼 鹰” 运输机为例，其打 开 了 垂 直 起 降 飞 行 器 实 际 应 用 的 局 面 。 随 着 技 术 发 展 ，长 期 困 扰 的 动 力 稳 定 性 、 气 动 力 干 扰、飞 行 操 纵 等 问 题 均 逐 渐 走 向 成 熟。 优 点 是 对 旋 翼 滑 流 遮 蔽 较 小 ，压 差 阻 力 损 失 较 小 ； 缺 点 是 倾 转 机 构 复 杂 ，控 制 困 难 ，旋 翼 桨 盘 载 荷 较 大 ，悬 停 效 率 较 低 。
１ 总 体 方 案 概 述
１．１ 气 动 布 局 方 案
本文提出的旋翼固定翼复合式垂直起降飞行 器布局方案为固定翼与旋翼复合构型。在机体上 方 布 置 特 型 旋 翼 ，机 体 中 部 布 置 固 定 式 机 翼 （后 文 简 称 为 机 翼 ）及 舵 面 ，并 在 机 翼 上 布 置 矢 量 推 力 装 置 ，由 中 央 动 力 系 统 经 传 动 系 统 分 配 动 力 ，机 身 尾 部 布 置 尾 翼 及 舵 面 （见 图 １）。
航 空 学 报 Ａｃｔａ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ ｅｔ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ ｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ ｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＤＯＩ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１５．０３２２
Ｊａｎ．２５ ２０１６ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１ １７９－１９２ ＩＳＳＮ １０００－６８９３ ＣＮ １１－１９２９／Ｖ
１．３ 飞 行 机 理 分 析
现代航空领域的工程实际应用要求垂直起降 飞行器兼顾垂直 起 降 和 长 航 时 大 航 程 的 性 能，并 追求较大任务载荷时的经济性。该复合式飞行器 具 有 两 种 飞 行 模 式 ，即 垂 直 起 降 模 式 和 平 飞 模 式 ， 并且可以在空中实现两种模式的转换过渡。垂直 起 降 模 式 时 ，特 型 旋 Βιβλιοθήκη Baidu 旋 转 提 供 垂 直 升 力 ，周 期 变 距运动提供机体 俯 仰 及 滚 转 力 矩；矢 量 推 力 装 置 的推力大小和方 向 可 分 别 控 制，两 侧 的 推 力 差 平 衡 旋 翼 的 反 扭 矩 ，矢 量 控 制 则 提 供 机 体 滚 转 力 矩 。 平 飞 模 式 时 ，矢 量 推 力 装 置 提 供 水 平 推 力 ，固 定 式 机翼提供主要升 力，特 型 旋 翼 停 转 并 锁 定 与 固 定 式机翼平行转变 为 固 定 翼 面，整 机 变 为 固 定 翼 构 型 ，由 推 力 矢 量 和 舵 面 偏 转 提 供 控 制 力 矩 ，从 而 实 现高速远距离平飞。
１．２ 重 心 位 置 设 计
旋翼、机翼和 尾 翼 与 重 心 的 相 对 位 置 对 全 机 在各个飞行状态 下 的 纵 向 特 性 有 直 接 影 响，是 关 乎飞行品质的重要因素。
悬停飞行和低 速 飞 行 中，旋 翼 为 主 要 升 力 和 控制部件，研究表 明 前 飞 状 态 时 旋 翼 对 速 度 的 静 稳定性较好而对 迎 角 的 静 稳 定 性 较 差，机 体 重 心 位于旋翼之前的设计将有利于提高其对迎角的静 稳定度。高速平 飞 状 态 下，固 定 翼 面 为 主 要 气 动 部件，与重心的相 对 位 置 决 定 了 纵 向 和 横 向 的 稳 定裕度。由此，旋 翼 的 前 重 心 设 计 和 平 飞 模 式 的 操稳特性设计将确定全机的重心位置。
图１ 旋翼固定翼复合式 垂 直 起 降 （ＶＴＯＬ）飞 行 器 概 念 方 案三视图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｗｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ ｗｉｎｇ ｃｏｍ－ ｐｏｕｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅｏｆｆ ａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ （ＶＴＯＬ）ａｉｒ－ ｃｒａｆｔ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
垂直起降飞行器的出现和发展影响了军用、 民用航空器发展 方 向，越 来 越 多 的 国 家 开 始 重 点 关注此类飞行器 的 研 制 工 作，受 到 关 注 的 主 要 性 能指标如下：
１）巡 航 速 度 和 任 务 航 程 ； ２）悬 停 效 率 和 垂 直 起 降 性 能 ； ３）水 平 飞 行 升 阻 比 ； ４）有 效 载 荷 系 数 。 对以上各种垂直起降飞行器的特点和原理进 行 分 析 和 对 比 ，可 以 得 出 如 下 观 点 ：借 鉴 现 有 方 案 关 键 技 术 ，提 出 先 进 的 总 体 布 局 方 案 ，是 研 制 高 性 能垂直起降飞行器的关键。 本文综合旋翼 机 和 固 定 翼 飞 机 的 优 点，以 垂 直 起 降 能 力 为 目 标 ，同 时 兼 有 较 高 的 平 飞 升 阻 比 ， 提出一种旋翼固 定 翼 复 合 式 飞 行 器 布 局 方 案，兼 具优异的垂直起 降 性 能 及 高 速 飞 行 能 力，具 有 转 换 过 渡 稳 定 、可 控 性 强 的 特 点 。
收 稿 日 期 ：２０１５－０９－０３；退 修 日 期 ：２０１５－１０－２９；录 用 日 期 ：２０１５－１１－２６；网 络 出 版 时 间 ：２０１５－１２－０４ １０：０８ 网 络 出 版 地 址 ：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１５１２０４．１００８．００４．ｈｔｍｌ 基 金 项 目 ：北 京 航 空 航 天 大 学 凡 舟 基 金 ；北 京 航 空 航 天 大 学 研 究 生 创 新 实 践 基 金 项 目 （ＹＣＳＪ－０１－２０１５１５）
张 啸 迟 ，等 ：旋 翼 固 定 翼 复 合 式 垂 直 起 降 飞 行 器 概 念 设 计 研 究
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由垂直起降模 式 转 换 为 平 飞 模 式 时，矢 量 推 力 装 置 的 推 力 增 大 ，使 飞 行 器 水 平 加 速 飞 行 ，固 定 式 机 翼 逐 渐 承 载 的 同 时 ，特 型 旋 翼 经 减 速 、停 转 并 锁 定 过 程 逐 渐 卸 载 ，转 变 为 固 定 翼 面 ，与 固 定 式 机 翼保持平行，全机 转 变 为 类 双 翼 布 局 的 固 定 翼 构 型。由平飞模式 转 换 为 垂 直 起 降 模 式 时，矢 量 推 力 系 统 推 力 减 小 ，飞 行 器 做 减 速 飞 行 ，随 后 启 动 特 型 旋 翼 加 速 旋 转 ，逐 渐 增 大 旋 翼 总 距 以 承 载 ，同 时 机 翼 卸 载 ，变 回 垂 直 起 降 模 式 做 低 速 或 垂 直 飞 行 。 其转化过渡过程中的升力变化如图２所示。
旋转机翼飞行 器 是 一 种 新 概 念 飞 行 器，其 机 翼可旋转同时作为旋翼和机翼。其优点是水平飞 行 模 式 下 旋 翼 停 转 ，改 为 由 其 他 方 式 提 供 推 力 ，飞 行速度高。其代 表 为 美 国 研 制 的 Ｘ－５０ 无 人 飞 行 器技术验证机。该验证机方案为避免旋翼的反扭 作用，采 用 喷 气 旋 翼 技 术，喷 气 来 源 于 涡 扇 发 动 机，一个分流阀被 用 来 引 导 排 气 从 旋 翼 梢 部 喷 口
关 键 词 ：垂 直 起 降 飞 行 器 ；旋 翼 ；复 合 式 飞 行 器 ；概 念 设 计 ；性 能 分 析
中图分类号：Ｖ２７５＋ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－６８９３（２０１６）０１－０１７９－１４
垂 直 起 降 （ＶＴＯＬ）飞 行 器 是 近 年 来 发 展 迅 速 的一类新型航空 器，同 时 具 备 直 升 机 的 垂 直 起 降 能 力 ，与 固 定 翼 飞 机 的 高 速 平 飞 能 力 ，具 有 较 好 的 经济和军事价值 。 ［１］
旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究
张啸迟，万志强，章异嬴，杨超＊
北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 １０００８３
摘 要：近些 年 来 垂 直 起 降（ＶＴＯＬ）飞 行 器 发 展 迅 速，并 获 得 了 一 些 突 破 性 进 展 ，但 仍 有 许 多 尚 未 解 决 的 问 题 。结 合 旋 翼机和固定翼飞机的优点，提出一种旋翼固定翼复合式飞行 器 布 局 方 案，兼 具 优 异 的 垂 直 起 降 性 能 及 高 速 飞 行 能 力 ，具 有转换过渡稳定平滑、可控性强的特点。在该旋翼固定翼复合式布局中，特型旋翼可旋转以提供垂直升 力，也 可 停 转、锁 定与固定式机翼保持平行，最终转换为固定翼面使得飞机转 换 为 固 定 翼 布 局 ，并 在 机 翼 上 布 置 矢 量 推 力 装 置 ，实 现 高 速 飞行。概念设计研究围绕设计方法、特型旋翼、矢量推力系统等关键技术展开，并开展了平飞模式飞行特 性、垂 直 起 降 模 式飞行特性、航程、航时以及飞行操纵等性能的分析。通过试 制 小 型 原 理 验 证 机，并 对 各 飞 行 状 态 及 转 换 过 渡 飞 行 进 行 飞 行 试 验 ，验 证 了 该 布 局 的 可 行 性 。 结 合 实 际 算 例 展 开 分 析 计 算 ，验 证 了 该 方 案 设 计 方 法 的 准 确 性 和 实 用 性 。
垂直起降飞行 器 随 着 科 学 技 术 的 发 展，很 多 新的布局形式不断涌现并投入使用。复合式直升 机、倾转旋翼飞机 和 旋 转 机 翼 飞 机 是 垂 直 起 降 飞 行器中的典型代 表，近 年 来 获 得 了 很 多 突 破 性 进 展，但仍有尚未解决的问题 。 ［２－３］
复合式直升机在常规直升机的基础上布置推 进系统和机翼，为 旋 翼 卸 载 使 得 水 平 飞 行 速 度 有 所提 升。 以 欧 洲 Ｘ３ 高 速 直 升 机 为 例，优 点 是 保 留直升机优异的 垂 直 起 降 和 低 速 性 能；缺 点 是 高 速飞行时旋翼的 前 进 比 远 高 于 常 规 直 升 机，旋 翼 后行桨叶大部分 处 于 反 流 区 内，气 流 分 离 现 象 更 严重，前 行 桨 叶 的 压 缩 效 应 更 突 出，偏 流 作 用
＊通讯作者 ．Ｔｅｌ．：０１０－８２３１７５２８ Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｈａｏ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
引用格 式 ：张 啸 迟 ，万 志 强 ，章 异 嬴 ，等．旋 翼 固 定 翼 复 合 式 垂 直 起 降 飞 行 器 概 念 设 计 研 究 ［Ｊ］．航 空 学 报 ，２０１６，３７（１）：１７９１－９２． ＺＨＡＮＧ Ｘ Ｃ，ＷＡＮ Ｚ Ｑ，ＺＨＡＮＧ Ｙ Ｙ，ｅｔ ａｌ．Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｗｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ ｗｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ＶＴＯＬ ａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ ｅｔ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１６，３７（１）：１７９１－９２．
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航 空 学 报
Ｊａｎ．２５ ２０１６Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１
喷出以进行旋翼 模 式 飞 行，或 从 后 部 巡 航 喷 口 喷 出以进行固定翼 模 式 巡 航 飞 行；鸭 翼 和 水 平 尾 翼 后 缘 都 有 增 升 襟 翼 装 置 ，且 都 与 机 身 铰 接 ，可 以 进 行一定角度的偏 转；机 身 尾 部 设 置 有 方 向 控 制 喷 口，用于在飞机以 直 升 机 模 式 飞 行 时 进 行 偏 航 控 制。文 献 ［７］对 ＣＲＷ 飞 行 器 （Ｃａｎａｒｄ Ｒｏｔｏｒ／ Ｗｉｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ）飞 行 性 能 进 行 了 研 究 ，指 出 该 方 案 综合性能优于其 他 垂 直 起 降 飞 行 器 方 案，并 将 其 与 直 升 机 、倾 转 旋 翼 机 和 “鹞 ”式 战 斗 机 进 行 对 比 。 结果表明相较于 倾 转 旋 翼 机 和 高 速 直 升 机，该 方 案具有更宽的飞 行 包 线，仅 在 垂 直 起 降 状 态 下 做 低速飞行时垂直 飞 行 性 能 略 逊 于 直 升 机；相 比 于 使用矢量喷口技术 的 “鹞”式 战 斗 机，该 方 案 在 飞 行速度方面略逊 一 筹，但 拥 有 更 加 优 异 的 垂 直 起 降和低速飞行性能。