涵道风扇式微型飞行器的研究分析

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1、第l期(总第182期)机械工程与自动化No．12014年O2月MECHANICALENGINEERING&AUT()MATIONFeb．文章编号：1672—6413(2014)01—0215—03涵道风扇式微型飞行器的研究分析方如金，吴伏家(中北大学机电工程学院，山西太原030051)摘要：介绍涵道风扇式微型飞行器的研究现状及气动特性分析。通过了解及分析．涵道风扇结构较传统旋翼结构更安全、可靠，气动效率更好。涵道风扇式微型飞行器具有结构紧凑、安全性能好、应用范围广和生产成本低等特点，正越来越成为微型飞行器研制的焦

2、点。关键词：涵道风扇；气动分析；微型飞行器中图分类号：V279．2文献标识码：A0引言片和控制舵面来平衡，可调叶片位于风扇的下洗流中，涵道风扇式微型飞行器能够实现垂直起降、空中风扇产生的气流在可调叶片上产生气压差，由此产生悬停，在空间狭小的环境或地形复杂的地区进行快速力矩来平衡风扇产生的一部分反扭矩。在涵道风扇的机动，而且其涵道保护功能能够防止风扇与建筑之间底部安装了一组控制舵面，气流同样能在控制舵面上碰撞，这些都是传统固定翼结构和旋翼螺旋桨结构的产生气压差，从而平衡风扇产生的反扭矩。控制舵面微型飞行器所不能完成

3、的。涵道风扇使用安全性高，通过转动一定的角度来实现飞行器的俯仰、偏航和翻气动噪声低，是一种高效、无声、安全的动力推进装置；滚运动。这种结构布局类型的典型代表是美国联合航其结构、气动性能良好，应用范围广，具有很好的适应宇(AlliedAerospace)公司的i-STARL2]，如图l所示。能力，是目前微型飞行器动力装置的研究热点。然而其风扇安装在涵道机体的中上部，在涵道机体的内部这种涵道风扇式结构也有其不足之处：由于涵道和风风扇的下方安装有用来平衡风扇反扭矩的可调叶片和扇相互间的影响，风扇的吸流作用在涵道的唇口处

4、会控制舵面，电机与其他器件都安装在涵道上方的中心产生扰流，降低了涵道风扇的气动效率；并且由于受涵体内，电机为使用燃料的发动机，上方中心体通过固定道的影响，提升了涵道风扇的拉力，风扇桨叶的载荷就杆与涵道壁面连接，燃料油箱即为涵道机体，可调叶片会增大，在高速飞行阶段，容易导致失速；这种涵道风和控制舵面通过下中心体来调节，涵道下方安装着陆扇结构的动力装置起重小，有效载重就小，而能耗相对环，可在复杂地形进行着陆。这种微型飞行器结构较较高，造成留空时间比较短，不能执行长航时的任务，为简单，没有复杂的机械装置，成本低，尺寸小

5、，便于生也不适合执行长时间悬停任务。产。1涵道风扇式微型飞行器的研究现状根据涵道风扇结构的布局不同，可以将涵道风扇式微型飞行器大体分为3种类型：单旋翼涵道风扇式微型飞行器、共轴双旋翼涵道风扇式微型飞行器和复合型涵道风扇式微型飞行器lL】]。圈一1．1单旋翼涵道风扇式微型飞行器(a)i—STAR(b)结构图图li-STAR的外形及结构单旋翼涵道风扇结构比较简单，由电机驱动风扇1．2共轴双旋翼涵道风扇式微型飞行器旋转来提供升力，风扇旋转产生的反扭矩通过可调叶收稿口期：2013—06—28；修回日期：2013—08—1

6、8作者简介：方如金(1986一)，男，浙江慈溪人，在读硕士研究生，研究方向；航空宇航制造工程。2014年第1期方如金，等：涵道风扇式微型飞行器的研究分析·2l7·旋翼的动量理论又称滑流理论，它将旋翼看成一维小段长度dr，相对应的叶素弦长为b。在飞行中，叶个无数叶片的桨盘，采用流体的基本规律来计算。假素的综合速度与其旋转平面的夹角为，设叶素的设流体的密度为』D、轴向速度为7)0、压强为P。，流场如阻升角为y，叶素升力系数为C，旋翼桨叶的叶素总图4所示。流体通过涵道在旋翼的作用下，在桨盘上数为N，桨毂半径为，b桨叶半

7、径为R。则旋翼的拉力流体的速度为，压强为P，流体通过整个涵道，在涵T为：道下的速度为V2，压强为P。丁一昙jNfdr．厶Jr0其中：丁c—KCOS(+7)一。旋翼的切向力F为：F===12．图4流场示霖图其中：Qc—Krsin(O+y)。由伯努利定理可得：旋翼的转矩M为：1Z+一ID+：=：12+p2一常数．M一÷：NIQcdr．Jr0由动量理论得涵道与旋翼的总拉力丁为：3结束语T一2一D'IVO．本文讨论了涵道风扇的研究现状及气动特性分其中：为单位时间内流过涵道任意截面的空气的质析，介绍了3种类型的涵道风扇式微

8、型飞行器，又从旋量。忽略不计涵道内壁与旋翼的间隙，截面面积A翼的动量理论和叶素理论简单分析了涵道风扇的气动基本相等，根据伯努力方程可得截面上下压强差与截特性，对于人们了解涵道风扇结构并进行深入研究具面面积的乘积等于旋翼的拉力，即：有一定的意义。Tp一寺ID(；一诟)A．则涵道的拉力为：参考文献：—T—．[1]翁梓华，陈智敏．旋翼式微型飞行器升力系统设计[J]．厦门大学学报