軸流式差壓升力直升飛機的設想

文長沙市麓山國際實驗學校高中部G1208班

軸流式差壓升力直升飛機的設想

文長沙市麓山國際實驗學校高中部G1208班趙崧云

現在的直升飛機靠旋轉的槳葉在空氣中做圓周運動來提供升力，其原理從根本上講，與固定翼飛機機翼升力的產生相通。

圖1空氣中機翼橫截面

空氣中機翼橫截面如圖1所示，當機翼不運動時，機翼前后、上下空氣的能量由壓力能和勢能組成，其數值一定且幾乎相等。當機翼向前運動時，緊貼機翼前端同一處空氣被上下分開，相當于上部分空氣沿機翼上輪廓線曲線運動到機翼截面尾端，下部分空氣幾乎沿直線從機翼輪廓線運動到機翼截面的尾端，最終匯合并穩定。

由于在相同時間內上部分曲線運動的空氣運行路程大于下部直線運行的空氣路程，上部分空氣運行速度會大一些，此時的能量構成如下（高度差忽略不計，均取h；m均取單位質量即ρ）：機翼上部空氣能量為P1+ρgh+1/2ρ機翼下部空氣能量為P2+ρgh+1/2ρ。

上式中P1為機翼上側空氣壓力；P2為機翼下側空氣壓力；V10為機翼上輪廓線附近空氣流速；V20為機翼下輪廓線附近空氣流速；ρ為空氣密度；h為飛行高度。據能量守恒定律P1+ρgh+1/2ρ=P2+ρgh+1/2ρ，即：P1+1/2ρ=P2+1/2ρ。

前面分析已知，V10＞V20，所以P1＜P2。ΔP=P2－P1，方向向上。這一壓力差ΔP就是機翼向上的升力，直升飛機旋轉槳葉截面形狀與固定翼機翼截面形狀類似，故在空氣中旋轉的槳葉會受到空氣的升力并通過旋轉軸帶動直升機上升。

為了提供足夠的升力，必須有足夠的槳葉面積，因此起飛重量越大的直升飛機槳葉長度越長。旋轉槳葉做圓周運動，當旋轉槳葉轉速不變（即為n時），槳葉與空氣相對線速度最大的位置為槳尖，設槳葉長度為L，推算槳尖做旋轉運動時的線速度V1=n×π×2L=2πnL。

槳葉越長或轉速越大，V1越大，槳葉對空氣的擾動就越大，當接近音速時，甚至會產生激波或嚴重的噪聲。

當然，直升飛機的渦軸發動機也是一個重要的噪聲源，但現行直升飛機的結構決定了很難直接在發動機上采取有效的降噪措施。

一、直升飛機速度難以提高的原因分析

直升飛機旋翼在空氣中運動，如果旋翼槳葉上任意一點運動速度超過音速就會產生激波，對旋翼帶來結構性破壞和巨大的噪聲。因此直升飛機旋翼槳葉尖端速度必須小于音速。由于直升飛機整體還有一個運動速度（假設為V2），槳葉尖端實際對空氣的相對運動速度V應為V=V1+V2=2πnL+V2（V≤0.92×340m/s）。其中，n為旋翼轉速，L為旋翼槳長度。

以直9直升飛機為例，其旋翼直徑11.93m，最大起飛重量3850kg，最大平飛速度306km/h，轉速350r/min。求得直9直升飛機理論上最大速度為339.12 km/h，實際上直9的設計最大平飛速度是306km/h。

二、軸流式壓差升力直升飛機的設計思路

為降低直升飛機的噪聲，提高飛行速度，各國技術人員都曾提出方法并加以改進。比如增加葉片數量以降低旋翼轉速n，從而騰出V1的速度空間；為提高飛行速度V2創造條件，改進槳葉葉片外形結構特征；優化飛機外形以減少阻力等等。

我構思設計了一種不會讓水平飛行速度產生疊加的直升飛機提升方式來代替現行的旋翼槳葉，不僅解決速度疊加問題，還能大幅度降低噪聲（或為降噪提供條件）。

我暫時稱之為軸流式多級空氣推理系統，該系統由錐形進氣筒、多級葉輪、下端壓力腔組成，如圖2。

圖2

在旋轉葉輪作用下，上端空氣（壓力為P1）由葉輪抽吸從錐形流道進入葉輪，經過多級葉輪增加到P2后，從下端壓力腔中排出。這時系統上下兩個斷面會有一個壓力差ΔP=P2－P1。

ΔP就是我希望的推力。當系統處于垂直地面方向時，它就是飛機的提升力。如果ΔP能達到0.05MPa，假設葉輪直徑為1.6m，則一個這樣的系統提供的理論升力F=(π/4)R2×ΔP=(π/4) ×1.62×0.05×104=10050kg=10.05 t。此升力足以滿足一般直升飛機起飛重量的要求。

由于系統內空氣流動的速度垂直于飛機運行方向，并且此時流道內空氣與葉輪一起以同樣的水平速度相對大氣運動，因此，飛機的運行速度原則上對葉輪與流道內空氣的速度不會產生太大影響。

三、軸流式壓差升力直升飛機的優勢和需解決的問題

（一）優勢

1.由于主升力系統對水平飛行速度影響不大，直升飛機水平飛行速度理論上可以做到0.92M，即0.92×340×3600÷1000=1126km/h。

2.由于主升力系統不會導致飛機機體旋轉，因此，理論上可以不要尾翼平衡系統，簡化直升飛機系統。

3.由于有了流道，可在流道出入段參考現有的降噪技術降低噪聲。

4.由于沒有機體上方的大型旋翼葉輪，可考慮在直升飛機兩側設置可伸縮仿生鳥類翅膀的機翼，以便飛機上升到一定高度后仿生飛行或滑行，既節能又可提升機艙內乘座人員的舒適度。

5.通過合理的流道入口端和出口端的進排方式的調節，可實現飛機的左右快速位移，提升飛機對障礙物的躲避能力。

6.結合推進系統出口壓力腔特點，可設計專用起飛、降落座，既降低起飛的能耗，又減少對起飛空間的要求。

（二）需解決的問題

1.現有大口徑軸流式風壓系統壓力差普遍很小，因此，軸流式多級推力系統的關鍵技術指標是在控制自身重量的前提下，實現大流量的同時實現空氣出入端較高的壓力差。

建議在追求大流量方面，可參考軸流式風壓系統；設計葉輪以大壓差為追求；可通過反向解析發電廠蒸汽透平等技術尋找方法；在流道錐體方面，應尋找科學的流道設計方案。

2.建議推力系統設置兩臺，以渦軸發動機為中心前后對稱布置，既可避免渦軸發動機的不平衡，又方便提供空間對發動機降噪措施的實施。

結合本建議，推測軸流式壓差升力直升飛機主體部分原理圖如圖3。

圖3

3.開展為把前述優勢變為現實優點所需要的技術研發。