可垂直起降固定翼飞行器概念设计研究

摘要

将传统固定翼飞行器的高效巡航能力和直升机的任意场地垂直起降能力相结合，不仅能够实现复杂自然条件下的快速起降，而且能够高效地执行远程应急飞行任务，在海岛、山地、城市等无固定起降场地的特殊条件下，完成较大范围的应急空中信息支援任务。兼具这两种能力的飞行器被称为混合型飞行器，是当前世界各国研究的前沿和热点领域之一。
　　由于垂直起降和固定翼飞行两工作点技术特征差别较大，已有的混合模式飞行方案往往采用推力部件冗余或可变结构的手段来对两个工作点进行实现，其系统复杂性带来的可靠性和效率问题一直制约其在中小型飞行器上的应用。跳出固有设计模式，探索简化和优化的混合型飞行器设计方法，寻求技术路线和总体设计思想上的创新是本文研究和探索的重要课题。
　　本文通过分析指出了制约混合模式飞行器发展的主要矛盾：垂直起降和固定翼飞行两种工作模式对推力大小和方向的需求存在巨大差异，且传统的固定翼和旋翼飞行器的总体设计方法之间不可调和，使得二者兼顾的方案引入了复杂的可变机构和不合理的折中，造成了大量废重、可靠性问题和效率下降。本文将两飞行模式区别对待，并不强调两工作点的优化，而是提出单一工作点优化和辅助工作点可实现的非平衡两工作点设计思路，将混合型飞行器定位为可垂直起降固定翼飞行器，以满足一类对长时间悬停无特殊要求的应急应用需求。
　　为避免由系统复杂性带来的一系列问题，并追求更高的固定翼飞行性能，本文首先提出了一种结构固定且简单的非对称 Y型布局，系统具有自身模式转换的控制力矩，且采用分布式/混合推进和结构复用思想，缩小了主推进器两种模式下的推力差异，减少了从推进器巡航模式下的废重，系统整体可靠性和效率大大增强。
　　其后本文以固定翼巡航模式为设计工作点，参考固定翼飞行器特性，完成了对部件几何和气动的建模以及对三通道静稳定性的分析，建立了部件与部件、部件与整机之间的几何和气动联系，并探索了斜尾与垂尾之间的协调设计思路。对垂直飞行工作点要求可实现，在非对称 Y型布局定量分析和涵道风扇轴流、非轴流以及风车轴流、非轴流四种模型的基础上，建立了主、从涵道风扇间几何、力和功率关系，探索了主、从涵道风扇的协调设计思路；并分析对比了涵道风扇系统产生倾转力矩与尾翼产生的倾转力矩，为后面的模式转换策略设计研究奠定了基础。
　　最后本文对飞行器各部件重量进行了建模，结合前文的几何、气动和稳定性模型分析了各部件对飞行器总重的贡献大小和影响特性，建立了飞行器概念设计的闭环；分别针对侦察应用需求和侦察打一体化应用需求对10kg载荷和50kg载荷的飞行器进行了优化，获得了符合设计指标、稳定性要求、发动机转速限制等要求并具备最低油耗特性的构型参数；根据优化结果，验证了前文所做的假设和所采用的估算方法的合理性，并进一步归纳了具备最低油耗性能的飞行器的重量和气动规律。
　　本文建立了创新的混合模式飞行方案，提出了新型拓扑构型，建立了基本的设计和分析模型，针对具体目标通过设计迭代给出了概念方案模型，并分解了关键技术指标要求，为进一步详细设计奠定了基础，对可垂直起降固定翼飞行器发展提供了参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 混合型飞行器应用分析

1.2 国内外发展现状

1.3 矛盾分析

1.4 本文主要研究内容

第二章 构型设计

2.1 设计思路

2.2 基本构型

2.3 设计指标

2.4 关键技术分析

2.5 本章小结

第三章 巡航模式设计与分析

3.1 飞行器重量估算

3.2 机翼设计

3.3 巡航模式配平

3.4 静稳定性分析及尾翼设计

3.5 本章小结

第四章 垂直飞行模式设计与分析

4.1 非对称Y型布局设计与分析

4.2 涵道风扇模型

4.3 涵道风扇设计

4.4 模式转换俯仰力矩

4.5 本章小结

第五章 参数优化和优化构型性能分析

5.1 部件重量模型

5.2 优化系统搭建

5.3 结果分析

5.4 本章小结

结 束 语

主要进展与创新点：

下一步研究方向：

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果