垂直/短距起降飞机升力风扇的设计与分析

摘要

垂直/短距起降飞行器既能像固定翼飞机一样高速、远距离飞行，又能像直升机一样垂直起飞和着陆，具有灵活、高效、低成本的特点，在军事领域有着广阔的发展前景。国外很多军事强国对垂直/短距起降飞机都有较为深入的研究，设计并制造了多型验证飞机进行试验研究；我国这一领域的研究起步较晚，经验不足，因此突破关键技术、积累设计经验显得尤为重要。
　　 本文对垂直/短距起降验证飞机的升力风扇进行设计，主要的工作如下：
　　 (1)涵道设计与分析
　　 根据空气动力学理论中的连续方程和伯努利方程，以及动量定理和功率方程，再针对垂直/短距起降飞机升力风扇的工作特征，计算出涵道内气流的各气动参数，设计涵道的主要几何参数，如涵道长度、出口面积、唇口半径等，并估算出飞机起飞和悬停状态下的静推力。
　　 根据设计要求和计算得出的参数，进行涵道工程样机的具体设计，用CATIA软件绘制出涵道的具体模型。
　　 (2)风扇设计与分析
　　 首先根据之前涵道设计中计算出的气流特性，针对升力风扇的气动特点，对叶素理论进行相应的修正后计算叶片的结构参数和气动性能，以此为基础选择相应的翼型；其次在MATLAB中分析叶片半径、升力系数和攻角三者之间的关系，从而确定各叶片的安装角；然后根据涵道内不同位置的气动特点，设计出相应的导流片；最后在CATIA中绘制出升力风扇的工程模型，并在FLUENT对升力风扇系统做了相应的CFD计算，验证了该设计的合理性。
　　 (3)桨毂结构设计与校核
　　 为了完成整个升力风扇的工程设计，本文对其中的重要部件桨毂进行了结构设计与强度校核。首先根据所设计风扇的工作状况，选取合适的桨毂零件，并设计桨毂的内部结构，主要包括动子、定子、齿轮、轴以及相应的固定联接装置。最后通过理论分析和专业软件ANSYS校核了部分关键零件。
　　 本文通过对垂直/短距起降验证飞机的升力风扇的设计和分析，初步研究了升力风扇的气动特征，探索出了一套行之有效的垂直/短距起降飞机升力风扇的设计方法，并且设计了一个符合该验证飞机要求的升力风扇，为以后垂直/短距起降飞机的设计与研究积累经验和提供参考。