【毕设论文】设计一种四旋倾转旋翼飞机

第一章绪论11概述倾转旋翼飞机（图11）是一种新构型原理的飞行器，是介于直升机、固定翼飞机之间的一种新概念航空器1，有人形象地称其为空中“混血儿”。与直升机相比，倾转旋翼飞机航程远，飞行速度高，倾转旋翼飞机凭借其高速性，能使行动部队快速通过危险地区，而且它还有能力在一个夜间就把作战人员输送到数百公里以外的行动地点，在完成任务后又可以迅速返航。倾转旋翼飞机能够垂直起降，降低了飞机起飞对跑到长度，以及跑道质量的要求。提高了飞机的战场生存能力。它的单位功率起飞重量与最大飞行速度介于典型直升机和能垂直起降的鹞式飞机之间，而每公里运营成本仅为直升机的一半2，因此，各国军方将倾转旋翼飞机定为重要研究方向，在民用方面也以降低民用飞机对机场跑道以及空间的要求，降低建设成本。图11倾转旋翼飞机对于具有V/STOL（垂直/短距起降）能力的飞行器来说，都可以具有以上1徐敏倾转旋翼机的发展与关键技术综述J直升机技术，2003年，第2期，第40页2同上所述的优点。在众多V/STOL飞行器当中，倾转旋翼机的发展前景最被看好，是因为具有自身独特的优势1。倾转旋翼飞机有如下优点（表11）（1）速度快。直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，当直升机到达一定速度后，再加速就很容易产生激波失速了，所以此种情况限制了直升机的速度。但倾转旋翼飞机倾转之后相当于固定翼飞机，很大程度上提高了激波失速速度。（2）噪声小。倾转旋翼飞机巡航时一般以固定翼飞机的飞行方式，因此噪声比直升机小得多，在150米悬停时噪声仅有80分贝。（3）耗油率低。倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼转速较低，基本上相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。（4）运输成本低。综合考虑倾转旋翼机耗油量少、速度快、航程远、载重大等优点，其运输的成本仅为直升机的1/2。（5）振动小。由于一般倾转旋翼机的旋翼布局在远离机身的机翼尖端，并且旋翼直径较小，因此其座舱的振动水平比一般的直升机低得多。型号起飞与着陆方式起飞重量（KG）速度（KM/H）升限（M）航程（KM）V22垂直于滑跑2744263879253336BA609垂直于滑跑762050976201400直升机（S70）垂直于滑跑91853614360550涡桨飞机（“星舟”1）滑跑6591641106052629表11倾转旋翼机、直升机和涡桨飞机性能比较表当然这种飞行器也受到一定的限制（1）技术难度高。倾转旋翼机因既有旋翼又有机翼，并且要实现旋翼从垂直位置向水平位置或水平位置向垂直位置倾转，因此在旋翼倾转过程中气动特性的确定；旋翼/机翼、旋翼/旋翼、旋翼/机体之间的气动干扰问题；结构设计；旋翼在倾转过程中的动力学分析、旋翼/机翼耦合动载荷和稳定性问题；操纵控制技术及操纵系统动力学设计1岳海龙倾转旋翼机倾转时旋翼_短舱_机翼耦合结构气弹响应研究D南京南京航空航天大学航空宇航学院,2010年，第2页等方面都遇到了许多技术难题。（2）研制费用高、单机成本高。由于倾转旋翼机是一项高新技术产品，其技术复杂、难度高，因此要验证各项技术需要很高的费用，造成研制费用和单机成本都高得惊人。像美国的“鱼鹰”倾转旋翼机的研制费用达380亿美元，其海军型MV22的单价达4400万美元。（3）气动特性复杂。在直升机前飞速度很低且下降速度较大时，它就会陷入到自身的下洗气流当中，此时极易导致涡环状态的发生。在涡环状态下，空气会绕着旋翼桨叶的叶尖呈环形流动，形成了类似于炸面包圈的涡流。涡流内部的空气压力下降，这就导致旋翼会损失一部分升力。12国外倾转旋翼飞机的发展历史与方向追寻倾转旋翼飞机的历史，能够从中映射出航空界的历史，各国航空公司不惜花费巨资来追求飞机的垂直起降与快速飞行的完美融合。如复合式直升机（LOCKHEEDXH51）；西科斯基公司的ABC概念机；尾部着陆飞机（LOCKHEEDXFV1）；固定旋翼飞机（SIKORSKYXWING）；倾转机翼航空器（VERTOLVZ2）等等；这些各类的航空器由于存在各种各样的问题都先后停止研究和生产，只有后来发展的鹞式和倾转旋翼飞机普遍受到航空界的认可，特别是倾转旋翼飞机，更是受到一致赞同，倾转旋翼飞机与鹞式飞机相比耗油率很低，而且起飞不受场地的限制，速度快，安全，舒适，运营率高。对于倾转旋翼飞行器，BELL公司和BOEING公司在XV3、XV15基础上共同发展起来的V22“鱼鹰”倾转旋翼飞行器，研制的相对比较成功。2005年10月，MV22“鱼鹰”项目被批准进入全速生产阶段，将于2007年形成初始战斗力。美国海军陆战队于2000年开始，训练V22的飞行员，并在2007年派出，将用于补充且最后将取代CH46海上骑士。美国空军在2009年开始引进V22。自进入美国海军陆战队和美国空军，V22已被部署在伊拉克，阿富汗和利比亚用于战斗及救援行动。由美国BELL公司和意大利AGUSTA公司合作研制的民用倾转旋翼飞行器BA609（图121）也投入使用。分析第一代倾转旋翼飞机的技术发展，存在以下三方面原因导致的安全性问题图12BA609倾转旋翼机（1）垂直起降模式和固定翼前飞模式之间的转换的速度范围过窄，容易造成过渡状态下的操纵失误；（2）由于机翼对旋翼下洗流的阻塞影响，一方面造成旋翼气流会出现“喷泉”效应，另一方面造成倾转旋翼飞行器垂直下降时容易进入涡环状态；（3）过渡状态下以及高速前飞时容易造成旋翼与机翼耦合的气动弹性稳定性问题以及旋翼回转的颤振问题。1美国空军部长詹姆斯罗奇提出V22“鱼鹰”倾转旋翼机悬停时由于旋翼产生的下洗流和发动机的排气使救援工作难以执行、而且“鱼鹰”机舱容量小，机身也存在一定的设计缺陷。为了客服这些问题，各国开始着手研究下一代倾转旋翼飞行器，美国针对未来的战争形势，也决心充当“世界警察”。为此美国决心研究下一代运输机“未来旋翼运输机”V44（图122），图13V44倾转旋翼机1徐敏倾转旋翼机的发展与关键技术综述J直升机技术，2003年，第2期，第41页如果在该运输机上安装精确制导武器和综合火力控制系统，那么这种飞机可以为执行破坏机场、港口任务的部队提供空中火力掩护。这是一种联合通用空运换代机，集攻击性、通用性、反装甲于一身。因为它飞的更远、更快，它差不多几乎可以取代直升机。这种倾转旋翼机预示着未来飞机的走向。在民用方面，为了解决机场拥塞问题，降低飞机对机场的要求，美国NASA出资，开展“不依赖跑道飞机”的研究计划，2002年11月美国航空航天学会在威廉斯堡召开动力升力国际研讨会议，1波音、西科斯基和贝尔各自介绍了公司的方案，波音公司选中“高级民用倾转旋翼飞行器”方案；西科斯基公司选中“反转速度旋翼机”方案；贝尔公司则利用它研制的V22“鱼鹰”和XV15为蓝本，设计了四桨倾转旋翼飞行器从以上可以看出，从军事需要的角度看，发展倾转旋翼机来代替直升机，是未来战争的需要，可能引起作战思维、作战模式的相应改变；从民用的角度来看，倾转旋翼飞行器对机场的要求比较低，降低了机场建设的成本，倾转旋翼机的每座每公里的运营成本低，由于倾转旋翼机能够垂直起降，可以有效缓解机场拥塞的问题，降低的调度的难度，这也将引起民用航空发展的革命性变化。13本文研究内容本文的研究目标是设计一种四旋倾转旋翼飞机，并对其气动性能进行分析，得出该类飞行器气动方面的特性，为该类飞行器的研究提供理论依据。本文的研究内容有（1）进行四旋倾转旋翼飞行器的气动布局设计。（2）建立用于飞行器各部件和整机气动特性分析的数值模拟方法。（3）运用CFD方法分析飞行器升力系统的气动性能，包括对孤立的机翼、机身、尾翼、二维翼型的气动特性的分析。（4）完成孤立机翼的理论气动分析，并与CFD模拟的方法进行对比，分析造成误差的原因。1徐敏倾转旋翼机的发展与关键技术综述J直升机技术，2003年，第2期，第41页第二章倾转旋翼机的气动布局设计21引言飞行器的气动布局，广义讲是指飞行器主要部件以及它们之间的相互安排和布置，与飞行器的动态特性及所受到的空气动力学密切相关，关系到飞行器的飞行特征及性能，所以飞行器的气动布局设计是飞行器设计的关键技术之一。本文将参照某某四旋倾转旋翼飞行器的气动布局样式，设计一种2KG的四旋倾转旋翼飞行器，能够实现悬停、垂直起降和小速度前飞的功能。本文的设计主要包括机翼、机身和尾翼的气动布局设计。22机翼的设计及工作原理机翼是飞机的重要部件之一，安装在机身上。主要作用是产生升力，同时也可以在机翼内部置弹药仓和油箱，在飞行中可以收藏起落架。另外，在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼（图221）。图21飞机机翼布置图机翼是为飞行器提供升力的主要部件，它的工作原理是一般翼型的前端圆钝、后端尖锐，上表面拱起、下表面较平，呈鱼侧形。当气流迎面流过机翼时，原来是一股气流，由于机翼地插入，被分成上下两股。通过机翼后，在后缘又重合成一股。由于机翼上表面拱起，是上方的那股气流的通道变窄。根据气流的连续性原理和伯努利定理可以得知，机翼上方的压强比机翼下方的压强小，也就是说，机翼下表面受到向上的压力比机翼上表面受到向下的压力要大，这个压力差就是机翼产生的升力。在机翼上安装有副翼，当副翼偏转时，流过飞机机翼的气流发生改变，副翼向下偏转，该侧的升力变大，另外一侧的副翼向下偏转，此时这一侧的升力下降。这是由于机翼两侧存在压力差，产生滚转力矩，使飞机可以做滚转机动。本文采用四个无刷电机作为该飞机的动力系统。由于该飞机的飞行速度较低，对机动性要求的不高，为了增加飞行器的可靠性，降低维护的工作量，故在设计机翼时，在保证要求的情况下，力求简洁。（1）机翼翼型的选择翼型是飞机侧向剖面的形状，翼型的选择对整个飞机的气动性能有着决定性的影响。而翼型的种类比较多，大致可以分为双凸型，对称型，平凹型，凹凸型四类翼型。如图22所示。图22常用的翼型种类上述几种翼型，每种都有其独特的优点，同时也有些缺点，要根据具体的情况和要求来选择翼型。双凸翼型大的上下弧线都向外凸，上弧线的弯度大于下弧线的弯度，其升阻比比较大；对称翼型的中弧线和翼型弦线重合，上弧线与下弧线相对称，翼型的阻力系数比较小，但升阻比也比较小；平凸翼型的下弧线是平直的，其最大升阻比要大于双凸翼型；凹凸翼型的下弧线向内凹入，能产生较大升力，而且升阻比也比较大。翼型的选择应该满足较高的升力线斜率、最大升力系数、失速迎角以及较低的阻力系数，而且失速以后的升力曲线不要变化过于剧烈。为了保证升力系数有良好的气动性能，同时在低速时有较大的升力，故机翼的翼型选取NACA6412，如图23所示。图23NACA6412翼型NACA6412翼型最大厚度为弦长的1207，最大厚度位于弦长的302；最大弯度为弦长的602，最大弯度位于弦长的448处。（2）机翼的设计四旋倾转旋翼机的垂直起飞的升力系统为四个螺旋桨，平飞时的升力系统为机翼，所以设计机翼的主要原则是尽量提高其升力，减少阻力，具有良好的失速特性。该机翼在零度时有较大的升力系数，因此不需要在机翼后缘处设计增升装置。省去了繁琐的操纵机构和控制装置。只要保证机翼在合理的迎角内，飞机速度一定时就能够产生足够的升力，同时还能保证飞机不失速。为了降低飞机平飞时的阻力、可以降低机翼的浸润面积，从而降低摩擦阻力，使机翼具有一定角度的后掠角，也可以降低飞机的阻力，但增大机翼的后掠角，当飞机迎角变大时容易造成翼尖失速，对飞机的稳定性有着很大的影响，在为了减少机翼阻力同时保证大迎角时的气动特性的情况下，该机翼的后掠角为10度，只在翼尖部位具有后掠角。飞机机翼的参数设计如表21所示翼展20000MM展弦比10根弦200MM翼面积042M后掠角10度上反角0度表21机翼参数机翼的造型在三维图形设计软件CATIA里面完成，从图24可以看出来，机翼的翼尖处有小角度的后掠，可以减小一定的阻力，在有效范围内提高升阻比。图24机翼的三维造型图222机身的设计飞行器的机身可以分为圆柱机身、翼身融合、类矩形机身如图25所示图25各类飞行器的机身从上图可以看出来对隐身要求很高的飞机的机身一般采用翼身融合技术，以便减少雷达波的反射面积，同时具有很好的气动特性，翼身融合的机身的阻力系数相对于传统机身阻力系数低了很多，但是翼身融合工艺复杂，造价高昂，除了军用飞机采用外，民用飞行器很少采用。对于圆柱型机身是多数民用飞行器采用的机身构型，此种机身在减少阻力的基础上，又具有良好的工艺性，所以此种机身构型为大多数飞机所采用。对于低速的飞机一般采用类矩形的机身，因为低速飞机对机身的气动要求比较低，同时低速飞机也不做大的机动动作，同时矩形机身建造简单，价格低廉，建造速度快，对工艺要求较低。该四旋倾转旋翼机属于低速飞机，同时也不要求做大的机动动作，故在机身设计时，选择矩形机身，降低了对工艺的要求，同时增加了可维护性。机身的参数设计如表22机身长度1200MM机身宽度200MM机身高度150MM表22机身参数机身的造型在三维图形设计软件CATIA里面完成，如图26所示图26机身的三维造型223尾翼的设计机尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。根据垂尾数量可以分为单垂尾和双垂尾，如图27所示。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的主要功能是操纵飞机升降和偏转，并保证飞机平稳飞行。水平尾翼后缘的升降舵用来实现飞机升降。驾驶杆通过传动机构，使升降舵向下或向上偏转，升降舵偏转产生的附加空气动力和力矩打破了原来的平衡。升降舵向下偏转，正面气流自下吹向升降舵产生一个向上的附加力，这个力作用点位于重心后面，产生一个使飞机机尾上升的力矩，飞机实现下俯。水平尾翼的固定面是保证纵向稳定的基本部件，其主要功能是保持飞机的稳定性和实现飞行的纵向力矩平衡，因而又叫作水平安定面。当外力使机头抬起时，机翼和尾翼的迎角增大，尾翼可产生很大的、与机头抬起的力矩相反的低头力矩。飞机在这个过程中会经历短时间上下摇摆，但很快能恢复原来的水平状态。垂直尾翼后缘的方向舵用于实现左右偏转。当方向舵向左偏转时，正面吹来的气流使方向舵产生一个附加的力，方向指向右，这个力与重心共同作用产生使飞机向左偏航的力矩，使飞机飞行方向向左偏转。垂直尾翼的固定面主要用于保证飞机水平方向上的稳定性。其工作原理与水平安定面相似。图27飞机的垂尾数量该四旋倾转旋翼机由于速度不大，在尾翼翼型选取的时候不考虑尾翼使用任何翼型，而是选取平板代替，在低速范围内，具有翼型的尾翼与无翼型的尾翼的气动特性相差无几。为了简便制作，降低成本，故该飞行器的垂尾采用平板。平尾的展弦比过小翼尖扰流情况明显，产生翼尖扰流后，尾翼的气动特性降低，严重影响飞机的俯仰力矩，为了缓解翼尖扰流，故将垂尾设计在了平尾的两个端面，一次来缓解翼尖扰流带来的影响尾翼的设计参数如表23所示平尾的弦长200MM平尾的展长400MM垂尾的弦长200MM垂尾的展长300MM升降舵的面积200002M方向舵的面积15000表23尾翼的设计参数尾翼的造型在三维图形设计软件CATIA里面完成，如图所示图28尾翼的三维造型23本章小结本章参照国外的四旋倾转旋翼机的机翼的气动布局样式，设计出一种减小阻力同时提升最大升阻比的机翼，并对机翼的进行了详细的参数设计，为下一步对机翼进行气动特性分析建立模型。第三章数值模拟方法31引言CFD（COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICS，简称CFD）方法可以看作是在流动基本方程（质量方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如温度、压力、速度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，还可据此推算其他物理量1。CFD方法是计算机上进行数值试验，与传统理