扇翼飞行器模型的设计与制作

扇翼飞行器模型的设计与制作
摘要：扇翼飞机是介于直升机和固定飞机的一种大载荷低速新型飞行器，其飞行原理特殊，结构独特。

本文根据其设计原理，参考国内外扇翼飞行器为数不多的模型案例，研究、设计、并制作了一架扇翼飞行器的模型，同时，通过试飞，验证了扇翼飞行器的飞行原理和基本控制原理。

扇翼飞行器是利用机翼加上风扇上的吹风装置，将升力和推力结合起来，从而使飞行器能够飞起来。

该构思开辟了一类新型通用飞行器研究、开发的新领域。

扇翼飞机的扇翼由水平叶片组成，类似“松鼠笼”，该“松鼠笼”的柱状机翼取代了直升机的旋翼。

这种机翼能提供相当大的升力，同时具有很好的低速安全性能。

与普通的直升机和固定翼飞机相比，扇翼飞机只要很小的动力就能飞行，其优点表现为：
1)升力大；
2)可以短距离起飞和降落；
3)飞行时噪音小，非常安静；
4)飞行安全性好，机翼不会失速，飞行稳定
5)控制操纵系统简单；
6）飞行效率高，节省能源。

有研究表示扇翼飞行器要比直升机的飞行效率高50％，并且预测具有100马力的扇翼飞行器其最大载荷量可以达到2吨。

由于其独特的飞行原理和结构设计，使该种结构的机翼永远不会失速，具有很好的安全性。

可以预见，将扇翼飞行器作为一种新型无人机机型，在军用及民用领域将会有很广阔的应用前景。

1 扇翼飞行器的飞行原理
常见的固定翼飞机飞行原理，是当飞机在向前运动时，空气在机翼的前缘分流为上下两股气流，上表面的气流，受到机翼翼型突起的影响，使流线收敛变密，流速加快；而流过下表面的流线也受凸起的影响，但下表面的凸起程度小于上表面，所以，相对于上表面来说流线较疏松，流速较慢。

由于机翼上表面流管变细，流速加快，压力较小，而下表面流管粗，流速慢，压力较大。

从而在机翼上、下表面产生了压力差。

而上下压力差使机翼产生了升力。

扇翼飞行器是根据马格努斯效应制造而成的。

所谓马格努斯效应是：当气流沿着一个旋转物体的旋转平面流过时，就会在物体上产生一个垂直于气流流向的作用力。

该构想的实现，是通过在机翼上装配水平轴向转动的风扇，从而获得升力。

该装置类似‘松鼠笼’。

通过水平轴上扇翼的主动旋转，在机翼前缘抽取空气，通过叶片的旋转使上表面的气流加速，由于机翼下表面的空气流速没有经过加速的，增大机翼上下表面的压力差，使扇翼飞行器的机翼能够产生足够的升力。

1999年，英国的发明家帕特·皮布尔斯与他的妻子狄科拉·皮布尔斯，以及来自美国的加雷斯·詹金，共同研制并成功试飞了第一架扇翼飞行器的原型机。

该原型机最大起飞重量为44磅(约20千克)，其中载荷就达22磅(10千克)。

同年12月在JMR Graham教授的指导下，对扇翼飞行器的机翼进行了风洞试验。

并在2000年7月和2001年5月份再次进行了风洞试验。

2001年lO月在风洞试验的基础上制作并试飞成功了-个全新的扇翼飞行器原型机，该原型机展长1．8米、重6千克。

随后，为了向小型机发展，2002年2月制作了一个较小的原型机并
试飞成功。

该原型机翼展8O厘米，转动部分重600克，该模型表现了良好的飞行性能。

2003年9月，制作完成了一架翼展为2．2米的扇翼飞行器模型，该模型表现了良好的飞行性能。

2005年l 2月，制作了一架可垂直起降的扇翼飞行器的原型机，起飞重量6千克，翼展1．4米，飞行速度0-75千米／小时。

目前，美国和英国政府已经把扇翼飞行器当作一种无人侦察机的可行模型，而据资料介绍，有人驾驶的扇翼飞机在几年内将进入样机测试。

扇翼飞机的低速特性将使它在低速通用飞行器有非常广阔的前景。

2.扇翼飞行器模型的设计
2.1扇翼飞行器转动部分的设计
扇翼飞行器叶片宽度、叶片偏心角度、叶片数量及转动半径等都是影响扇翼飞行器升力的主要因素。

经过资料收集和实验验证，我们选用的扇翼飞行器转动部分的基本数据如下:
风扇由16片叶片和中间的转动轴组成，每个叶片都是半径为50mm的圆弧，叶片厚1.5mm，叶片宽为2mm，叶片的偏心角度为8度。

为了减轻风扇转筒的整体质量，同时在保证整个风扇结构强度的前提下，我们在风扇叶片的固定圆片上，做了16个减重孔，如上图所示。

图2 扇翼叶片固定圆片图3 扇翼固定翼型
2.2扇翼飞行器固定部分及翼型
扇翼飞行器翼型基本数据和结构：扇翼飞行器翼型弦340mm，外缘直径170mm。

翼型后缘部分上下表面均为直线，上表面的直线延伸与风扇中垂线交于翼型该处叶片的下缘前顶点。

为了固定扇翼的内圆面，在翼型固定片上做了个半径差为5mm的一段圆弧孔。

2.3机身及尾翼的基本设计
因为机翼转筒部分在飞行过程中产生的气流将对尾翼产生不利的扰动，故尾翼采用高倒T尾布局。

为了减轻结构重量和复杂度，机翼和尾翼固定部分直接通过一根向上斜置的碳管连接。

这种设计的优点是结构比较简单，重量较轻。

缺点是尾翼震动比较大。

3.扇翼飞行器模型的制作
3.1.转筒的制作
固定扇翼叶片的圆片是重要的承力结构,为了保证在扇翼转筒在高速旋转时,固定圆片不被离心力给破坏,我们用贴碳的办法来加强其结构强度。

然后将扇翼叶片固定圆片和扇翼翼型固定片一起，固定在转筒的中心转轴上。

图5 扇翼圆片
3.2叶片的成型与装配
叶片是扇翼飞行器产生向后推力和升力的重要组成部分。

先用砂纸将每个叶片表面除去毛刺、打磨平整光滑。

每个叶片都有一定的弧度，为了保证每个叶片弧度的准确度，先用水或其他液体将叶片浸湿，使得木质的叶片变得松软。

然后用模具使之弯曲。

烘干后，叶片就会形成一定的弧度。

然后将叶片装在叶片的固定圆片上，待叶片角度和位置调好后，用胶水固定。

图6 扇翼飞机的叶片制作
3.3动力系统的设计与安装整机动力传动系统为二级减速传动。

第一级采用齿轮传动，电机上的主动齿轮直接与从动齿轮啮合。

第二级传动采用皮带轮。

因为扇翼飞行器的转筒在旋转的时候，由于转筒动不稳定，所以会有轻微震动，如
果采用齿轮传动，对齿轮的寿命会有比较大的影响，不符合经济的设计要求。

而皮带传动具有缓冲吸震的特点，故采用皮带传动。

同选用的电机的KV是1270，电源才有4S-6S锂聚合物电池整个传动系统的减速比为1：7.12。

图7 动力系统减速装置图8 扇翼飞行器实物图
3.4机翼与机身及起落架装置的装配
最后将作为连接机翼和尾翼的机身碳管安装机翼中间，并把尾翼按设计要求固定在碳管的安装部位，安装好各控制舵面。

扇翼飞行器的起落架采用前三点布局。

至此扇翼飞行器的模型制作大部分完成了。

在最后的调试试飞过程中，要注意扇翼飞行器的重心位置，及时配重调整。

4.结论
本课题成功完成了扇翼飞行器模型的设计及制作，基本验证了扇翼飞行器的基本飞行和控制原理。

通过对扇翼飞行器研究和设计，得出了扇翼飞行器的一些基本数据（叶片偏心角、转筒转速、机翼安装角度等）。

但设计制作过程中仍存在一些没有解决的问题：
1、在扇翼飞行器的设计过程中，为了保证飞行器的整体结构强度，有意的进行了局部的结构强化，后期结果表明，其结构强度已经过剩，而且增加了很多不必要的重量。

2、在制作过程中，用了大量的传统材料如木材，由于部分木材受力不均匀或受力过大，出现了变形的情况。

3、由于制作工艺和制作设备的限制，某些结构的形状没能很好的保持，如叶片。

5．应用前景展望
扇翼飞行器效率高节省能量，而且飞行可靠安全，飞行时噪音小，飞行速度慢，可以用于地形勘察，安保监视等一些军用或民用领域。

比如：在日本此次核泄漏中，扇翼飞行器可担任侦察机，在事发第一时间，去现场侦查核泄漏的污染程度，给政府提供准确的情报信息，以便于及时疏散危险区域人群，使避免损失最小化。

同时，载人扇翼飞行器的研制，将研究、开发新的飞行器设计领域。

也将为未来民用飞机，提供一个新型通用飞行器。

参考文献
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