全對稱矢量推進(jìn)飛行器

尹偉明

綜觀飛行器的發(fā)展歷史和未來的發(fā)展方向，從曾經(jīng)聞名于世的英國“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)到美國的F-35聯(lián)合攻擊機(jī)，以及V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，無論在軍事應(yīng)用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，垂直起降已經(jīng)成為飛行器的一項(xiàng)重要能力。然而，普通直升機(jī)由于其旋翼機(jī)構(gòu)復(fù)雜、前飛速度比較低、航程短等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)遠(yuǎn)程飛行或長時(shí)間飛行。普通常規(guī)布局的飛機(jī)雖然航程遠(yuǎn)、續(xù)航能力強(qiáng)，但需要起降跑道，且不能在空中懸停，故野外生存及使用性能略遜一籌。

飛行器的研究在近幾十年間取得了長足的進(jìn)展，不少新的飛行器應(yīng)運(yùn)而生（見圖1）。可惜的是，這些飛行器大多不能把垂直起降與高速飛行兩者兼顧起來。本文要介紹的全對稱矢量推進(jìn)飛行器具有垂直起降高速飛行平臺，可兼顧垂直起降和高速飛行，能適應(yīng)未來世界的激烈競爭。

一、飛行原理

1. 直升機(jī)模態(tài)飛行原理

全對稱矢量推進(jìn)飛行器驗(yàn)證機(jī)采用了4臺電動機(jī)，及一對正槳和一對反槳作為動力組，產(chǎn)生直升機(jī)模態(tài)下的飛行升力。

通過調(diào)節(jié)4臺發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，來得到平衡力矩，以控制飛行姿態(tài)。橫滾控制是通過調(diào)節(jié)左右兩臺發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，來改變左右兩側(cè)升力；俯仰控制則是改變前后兩臺發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

偏航力矩是通過增大（或減?。┱龢D(zhuǎn)速、減小（或增大）反槳轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的反扭矩差來得到的，這樣做可使總升力保持不變，即保證不掉高度，與共軸反槳直升機(jī)得到偏航力矩的原理相似。

因此，本項(xiàng)目飛行器的6個(gè)飛行自由度得到了有效的控制，它可以沿任意方向靈活飛行。

2. 固定翼模態(tài)飛行原理

在固定翼模態(tài)飛行時(shí)，4臺發(fā)動機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)的推力。同樣也是通過調(diào)節(jié)4臺發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，來得到平衡力矩，以控制飛行姿態(tài)，如圖2、圖3。

3. 模態(tài)轉(zhuǎn)化過程分析

本飛行器從“直升機(jī)”模態(tài)飛行轉(zhuǎn)化為“固定翼”模態(tài)飛行，是通過增大某一臺電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，以使飛行器姿態(tài)發(fā)生改變，而發(fā)動機(jī)相對機(jī)身位置不變，最終使一對翼面與前進(jìn)方向有一定迎角，即成為了提供升力的機(jī)翼，便可進(jìn)行平飛，如圖4。平飛速度積累越多，保持升力不變的情況下，機(jī)翼迎角便可越小。

美國的V-22“魚鷹”（圖5）從“直升機(jī)”模態(tài)飛行轉(zhuǎn)化為“固定翼”模態(tài)飛行，是通過改變發(fā)動機(jī)相對機(jī)身位置來實(shí)現(xiàn)的，以使飛行器產(chǎn)生向前的推進(jìn)力，積累前飛速度，機(jī)翼得到足夠的升力，但在轉(zhuǎn)化過程中，機(jī)身姿態(tài)始終保持不變。因此，“魚鷹”可以說是一架擁有垂直起降能力的固定翼飛機(jī)，而本飛行器更是一架能夠高速平飛的直升機(jī)。

二、動力系統(tǒng)與機(jī)動性

1. 動力系統(tǒng)

當(dāng)今先進(jìn)的高機(jī)動飛行器都在研究用改變發(fā)動機(jī)尾噴管噴流的方向來控制推力的技術(shù)，即機(jī)械式矢量噴管技術(shù)和射流矢量噴管技術(shù)。而全對稱矢量推進(jìn)飛行器采用了全新的“全對稱矢量推進(jìn)”方式，即飛行器的4臺發(fā)動機(jī)以“十”字形布置，通過調(diào)節(jié)各臺發(fā)動機(jī)的功率來改變推力的方向，同時(shí)可以在任意方向產(chǎn)生控制力矩。這樣的動力布置方式結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、工作可靠。

2. 機(jī)動性

與目前頂尖的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相比，本飛行器的顯著特點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)“直升機(jī)”和“固定翼”兩種模態(tài)間穩(wěn)定、迅速地轉(zhuǎn)化，模態(tài)轉(zhuǎn)化周期為4秒，即從“直升機(jī)”模態(tài)飛行轉(zhuǎn)化為“固定翼”模態(tài)飛行（或“固定翼”模態(tài)飛行轉(zhuǎn)化為“直升機(jī)”模態(tài)飛行）只需要4秒的時(shí)間，而V-22“魚鷹”的模態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)間最快為12秒。

本飛行器還可以完成蘇-27那樣的“眼鏡蛇”動作。由于這種新概念的動力布置方式可以在任意方向產(chǎn)生力矩，使該飛行器不用滾轉(zhuǎn)便可直接進(jìn)入機(jī)動飛行，就像導(dǎo)彈機(jī)動飛行那樣。這種迅速的轉(zhuǎn)化和高機(jī)動飛行動作正體現(xiàn)了本飛行器良好的機(jī)動性能。

三、控制系統(tǒng)

我們知道穩(wěn)定性與機(jī)動性是一對矛盾。以英國的“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)為例，為提高戰(zhàn)斗機(jī)速度和自身穩(wěn)定性，其機(jī)翼后掠角很大，導(dǎo)致操縱遲鈍，機(jī)翼不得不采用一定下反角來提高機(jī)動性，如圖6。

同樣，要保持高機(jī)動性，飛行器自身的穩(wěn)定性必會受到影響。就大多數(shù)固定翼飛機(jī)和直升機(jī)而言，都是通過空氣動力實(shí)現(xiàn)氣動穩(wěn)定的，要求飛行員能夠及時(shí)作出反應(yīng)并調(diào)整飛行姿態(tài)。然而，過高的靜穩(wěn)定性意味著機(jī)動性差，飛行器對舵面偏轉(zhuǎn)的反應(yīng)遲鈍；對于一架高機(jī)動性的戰(zhàn)機(jī)來說，它的靜穩(wěn)定性就不高，在某些特殊情況下出現(xiàn)氣動不穩(wěn)定是完全可能的，飛行員很難在狂風(fēng)中對一架氣動穩(wěn)定性不夠高的飛機(jī)完全借助于人力進(jìn)行迅速、有效地控制。在實(shí)踐中我們也深有體會，要控制一架非?！办`敏”的微型飛行器是相當(dāng)困難的，往往當(dāng)飛行器快要觸地時(shí)，操控者根本來不及作出反應(yīng)，就眼睜睜地看著它撞向地面。

四、先進(jìn)性分析

本飛行器不同于一般模型飛機(jī)，它可以在原地垂直起降，對起降場地基本沒有要求，其生存性較強(qiáng)。通過調(diào)節(jié)4臺發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制飛行姿態(tài)，因此相比于直升機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單；相比于固定翼飛機(jī)，雖然沒有任何舵面，但低速時(shí)卻不會存在因舵效過低而無法控制的問題。平飛時(shí)“十”字布局的翼面產(chǎn)生一定的升力，在同等情況下比普通直升機(jī)航程更遠(yuǎn)，續(xù)航性能大大提高。并且4臺發(fā)動機(jī)提供全動力，飛機(jī)迎風(fēng)面積小，故與直升機(jī)相比可進(jìn)行高速飛行。

此外，本飛行器還擁有以下優(yōu)勢及特點(diǎn)：

（1）尺寸小，重量輕，操作方便，便于攜帶到任務(wù)地區(qū)上方執(zhí)行任務(wù)，從而大大彌補(bǔ)了目前電池運(yùn)行時(shí)間短的缺陷。

（2）以電池-電動機(jī)為動力，可使噪音保持在較低的水平（噪音小于45分貝），也可在煙塵等缺氧環(huán)境下運(yùn)行。

（3）不攜帶燃油，塑料螺旋槳葉片不易傷人，從而意外墜機(jī)后的安全性大大增加，特別適于在人口密集的城區(qū)運(yùn)行。

利用本飛行器這種推進(jìn)系統(tǒng)布置方式，可以制作出各式各樣、大小不一的飛行器，根據(jù)不同要求來設(shè)定相應(yīng)的方案，裝載多種任務(wù)設(shè)備，以完成各類特殊的空中飛行任務(wù)，充分體現(xiàn)其平臺的通用性。

五、適應(yīng)范圍及前景

本飛行器對起降場地沒有苛刻的要求，這樣就大大減少了飛行場地成本的投入，有利于大規(guī)模推廣；同時(shí)又具有高速機(jī)動的性能，能夠非常快速地趕到事故現(xiàn)場，減少了時(shí)間上的損耗。當(dāng)它在街道或人群的上空巡邏時(shí)，可以從更廣的范圍拍攝下面發(fā)生的情況。只有50厘米大小的本飛行器在飛到50米以上高度時(shí)，就很難被地面上的人發(fā)現(xiàn)了，如此將成為打擊犯罪和恐怖分子的高新科技工具。面對火情、洪澇災(zāi)害和緊急救助時(shí)，本飛行器亦可成為“一名優(yōu)秀的移動瞭望手”。

附：模型驗(yàn)證機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

（1） 最大起飛質(zhì)量：1000克

（2） 空機(jī)質(zhì)量：850克

（3） 有效載荷：150克

（4） 翼展：1米

（5） 最大推進(jìn)力：14牛

（6） 最大平飛速度：70千米/時(shí)

（7） 巡航速度：50千米/時(shí)

（8） 續(xù)航時(shí)間：8～10分鐘

（9） 使用半徑：1千米