機翼可收縮式飛行汽車設計

劉佳銘 劉震磊 周澤江 尚夢雨 穆浩磊

（1． 沈陽航空航天大學航空航天信息技術協會，遼寧 沈陽 110136；2． 沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

隨著城市的不斷發展，交通擁堵問題也越來越嚴重，飛行汽車的概念被引出，它可以將汽車的交通方式由二維拓展成三維[1]，它是基于飛機和汽車2 種交通工具，可以實現陸空結合運輸的功能，解決城市發展帶來的交通擁堵問題，成為降低城市基礎設施成本的未來新型交通工具[2]。該文研究的機翼可收縮式飛行汽車通過與涵道風扇的結合，可以實現在城市中的原地垂直起降，更直接地解決交通擁堵問題。創新點在于該飛行汽車實現了直升機、固定翼飛機、汽車的有機結合，綜合三者的優點，更好地適應了現代的交通環境。

1 飛行汽車的總體設計

該文設計的飛行汽車運用固定機翼和4 個小型涵道風扇,兩者配合,實現陸空轉換。汽車模式下,伸縮翼和4 個涵道風扇收縮回車內,汽車正常行駛。飛行模式下,先將4 個小型涵道風扇伸出車身外,啟動涵道風扇,升空后,微調涵道風扇的角度,保持飛行汽車在空中的穩定性,并伸出兩側機翼,保證飛行汽車可以低空穩定飛行。該文設計的飛行汽車結構及各項參數如圖1、圖2、表1所示。

圖1 飛行汽車左視圖

圖2 飛行汽車俯視圖

表1 飛行汽車基本參數估計值

2 機翼的設計

2.1 機翼的外形與可分離的“翼艙”設計

機翼的伸縮變形是飛行汽車實現變形的方法之一，其可以大幅改變機翼的翼展、展弦比，因此，采用可收縮式機翼[3]。

2.1.1 三級伸縮翼的設計

該文所設計的可伸縮機翼，為三級伸縮機翼，如圖3所示。

圖3 三級伸縮翼示意圖

三級機翼的優勢，主要體現在以下3 點。1）三級機翼有效地增大了機翼面積，升力大小與機翼面積大小成正比，增大了機翼面積，也就提升了飛行器升力。2）三級收縮的機翼在二級伸縮的基礎上增加了伸縮次數，因此也可以增加飛行器的展弦比和翼展，提高飛行汽車在飛行狀態時的穩定性。3）機翼三級收縮，最終縮回到飛行汽車頂端的“翼艙”內，與傳統的伸縮翼飛行汽車設計相比，其能有效降低車寬，提高飛行汽車在普通道路上行駛時的適應性。

2.1.2 可分離“翼艙”的設計

“翼艙”設計整體呈流線型，“翼艙”內部分別布置可收縮機翼，燃油以及翼身加固裝置，如圖4 所示。

圖4 “翼艙”設計示意圖

“翼艙”為安放左右兩側機翼而設計，該文設計的左右兩翼的基翼部分在“翼艙”內上下分布，當駕駛員開啟飛行模式時，基翼部分從“翼艙”內伸出后，左側機翼的基翼底部分布的滑道裝置會將左側基翼緩慢下放至與右側基翼齊平的位置，然后左右基翼才會同時伸出中翼、端翼，以保證車身的平穩。

同時，“翼艙”可作為外部分離裝置，當駕駛者無須使用飛行汽車的飛行功能時，便可將“翼艙”與車身拆分開，既減輕了車重，又大幅降低了該車的油耗。

2.1.3 伸縮機翼的分析與選取

目前應用于低空低速飛行的機翼類型共有NACA24系列、NACA44 系列、NACA230 系列3 類，在雷諾數為480000 時，通過運用Profili 軟件對3 種系列的翼型24 系列（圖中2 線），44 系列（圖中1 線），230 系列（圖中3線）進行Cl（升力系數）和Cd（阻力系數）模擬分析，得到如圖5 所示的曲線。

圖5 3 種不同翼型的Cd/Cl 關系曲線圖

如圖5 所示，相同的阻力系數條件下，NACA44 系列的翼型的升力是最大的，而在低飛條件下，飛行器的升力越大越好，因此，我們決定選用NACA44 系列作為三級伸縮翼的翼型，在選定NACA44 系列的翼型之后，我們把NACA44 系列中的4 種翼型4409（圖中1 線），4412（圖中2 線），4415（圖中3 線），4418（圖中4 線）進行了Cl和Cd的具體分析，得到4 條曲線，如圖6 所示。

圖6 NACA44 系列4 種翼型的Cd/Cl 關系

圖中1 線在阻力系數為0.024 左右處產生拐點，因此1線的NACA4409 翼型不適合用作飛行汽車的伸縮翼。城市中的飛行汽車，能夠提供適當的升力并保持一定的穩定性是其必備條件，通過觀察圖線可知，圖中2 線相比于3 和4 線來說，穩定性更高，因此選擇2 線的NACA4412 翼型作為飛行汽車三級機翼的翼型。

2.2 機翼伸縮的工作機制

在“翼艙”內，機翼伸縮主要依靠伺服電機和精密絲杠控制[4]。伺服電機依靠具體的脈沖信號，精確控制絲杠的轉動，進而帶動絲母移動。絲母與機翼利用緊鎖螺釘固連，利用該裝置駕駛員可以實現對機翼伸縮的精密控制。

在機翼以及中翼內，各自貫穿著2 組圓柱凸輪伸縮機構，如圖7 所示。

圖7 精密絲杠示意圖

凸輪機構外圓柱的轉動由伺服電機控制，駕駛員發出脈沖信號后，伺服電機接收信號，帶動外圓柱的控制閥轉動一定的角度，從而使內圓柱伸縮一定的長度。伺服電機接收不同頻率的脈沖信號以實現正反轉，帶動機翼伸展或回縮。接收不同的脈沖數，以實現轉動角度的任意變化，進而使得機翼伸縮長度可以任意改變。

3 涵道風扇的結構設計

該文設計在車身四周安置4 個小型涵道風扇，通過連桿和伸縮桿相結合的方式將涵道風扇與汽車連接起來，涵道風扇示意圖如圖8 所示。

涵道處于風扇的吸流中，其氣動環境被改變。同時，涵道也抑制了風扇槳尖渦的產生和尾流的收縮，風扇的流場特性從而變得更加復雜。為了解決這一問題，可以采用CFD 和動量源方法建立分析模型，對參數進行優化設計，以此來提高涵道風扇的氣動性能[5]。

采用涵道風扇有3 個優點。1）由于葉尖處受涵道限制，相較于直升機螺旋槳來說，沖擊噪聲小，同時可以有效減少槳葉尖部受到的沖擊，防止槳葉受到破壞。2）行駛阻力減少，效率提高。在同樣的功率消耗下，涵道風扇較同樣直徑的獨立螺旋槳，會產生更大的推力。3）由于涵道的保護作用，扇葉的結構緊湊、噪聲低、使用安全性好。采用涵道風扇的陸空汽車橫向、縱向尺寸能夠盡量減小[6]。

4 結論

該文所研究設計的可垂直起降、機翼可收縮飛行汽車概念模型，創造性地提出了三級可伸縮機翼的裝置，當機翼回縮后，完全貯存于車身頂部的“翼艙”內。“翼艙”的設計，實現了機翼的“隱形化”，有效地縮減了車寬。模塊化的“翼艙”為駕駛者提供了更多選擇，使得該文設計的飛行汽車在未來市場中具有更大的競爭潛力。

圖8 小型涵道風扇示意圖