陆空两用飞行汽车升力系统设计与分析∗

贾小平，邢 旺，于魁龙，樊石光

（装甲兵工程学院，北京 100072）

陆空两用飞行汽车升力系统设计与分析∗

贾小平，邢 旺，于魁龙，樊石光

（装甲兵工程学院，北京 100072）

设计一款采用涵道风扇作为飞行动力元件的陆空两用飞行汽车，根据主要性能指标及布置形式，基于空气动力学动量理论对涵道风扇升力进行设计计算。通过与发动机的匹配计算得出陆空两用飞行汽车的飞行性能参数，最终提出一种涵道风扇式飞行汽车的设计方案，验证了采用涵道风扇形式的轻型陆空两用飞行汽车设计的可行性。

陆空汽车；垂直起降；涵道风扇；动量理论

1 前 言

飞行汽车是一种既能在地面行驶，又能在空中飞行的一种特种车辆，即地－空两栖汽车。自从1903年怀特兄弟发明飞机以来，设计一辆能够飞行的汽车一直是很多人的梦想。自1917年第一辆飞行汽车问世以来，人们开始了对飞行汽车的大量探索［1］，随着人类活动范围进一步扩大、社会进一步发展，人们对自身功能要求的不断提高，一种能面向实用的可满足陆、空两种使用要求的特种车辆平台引起了更多的关注。飞行汽车有多种布置形式［2］，在汽车上加装机翼和尾翼通过翼面产生升力，采用螺旋桨推进，采用喷气式发动机推进，还有采用涵道风扇推进。

涵道风扇系统作为一种推力或升力装置，自20世纪50年代起开始在垂直起降和短距飞行器中得以应用［3］。涵道风扇能够改变螺旋桨下游的滑流状态［4－6］，增大滑流面积、减小滑流损失；涵道壁面改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性，减小了桨尖损失从而具有较大的升力系数，能在同功率下产生较大拉力。利用涵道风扇作为陆空两用车辆的升力来源可提高旋翼升力，减小风扇直径和振动。基于以上特点，兹车辆可用于各种条件下的军方侦察，并可供地质勘探、护林及特种作业。

2 总体性能指标及布置形式

国外飞行汽车如图1所示。参考国外几种形式的陆空两用飞行汽车主要参数并根据国内发动机、材料以及机械加工水平等因素，初步提出目标车辆的主要技术性能如表1所列。

图1 国外飞行汽车

表1 主要技术性能指标

该陆空两用车辆采用纵向前、后布置的2组涵道风扇产生升力及推力。每组风扇有1对四叶共轴反旋螺旋桨，涵道外环横挂在车架上。涵道内罩又以二纵向轴悬挂在涵道外环上。2个反旋共轴螺旋桨由1个差速器装置驱动，因此涵道风扇形成一陀螺，可自由地绕1对相互垂直的轴而旋转。如不用人力操纵，在空中则无论车体朝哪个方向倾斜，涵道风扇均可借陀螺的作用来保持与地面垂直。提出的轻型陆空两用车辆如图2所示。

图2 陆空车外观想象图

3 涵道风扇参数的选择

在分析涵道风扇性能时，考虑空气诱导速度沿桨叶半径方向是不均匀的。当不受涵道影响时［4］，其分布如下：

由于涵道的存在，使得空气诱导速度产生一增量Δv，且沿桨叶方向呈不均匀分布。实验证明：如涵道前缘半径等于进口半径的5.2%，则涵道所产生的推力增量等于单独风扇推力的40%。

由螺旋桨动量理论：

故陆空车推力增至1.4倍，平均诱导速度增至1.8倍，则：Δ

在理论上可用1个涡环代替涵道，在X／R＝0.5处的诱导速度增量平均值求得为1.965，故沿涵道半径方向的诱导速度增量如式（3）所示。

由于桨叶倾角等于安装角与空气流入角之差：

为获得最大推力，应使桨叶尖的有效倾角达到翼面的最大升力倾角，即令安装角为12°～18°。

利用螺旋桨动量理论可求出涵道风扇的推力，再利用螺旋桨叶素理论来求涵道风扇的扭矩和所需功率。推力为：

扭矩为诱导阻力产生的扭矩Mki和翼型阻力产生的扭矩Mkv之和：

由于涵道风扇桨尖损失较小可忽略，此时陆空车升空的总推力为：

所需要的总功率为：

考虑到反旋共轴螺旋桨的效率增加作用，还可以适当减小陆空车功率的需求值。

4 双发动机时功率分配

为增加飞行安全系数，一般要求飞行车辆为双发动机同时工作。且当其中1台发生故障时，另外1台发动机仍可维持工作，并且使陆空车垂直下降速度不大于5 m／s。

设单发动机工作时：

总扭矩Mk为6.2 kg·m；总功率Nz＝4·N1＝70.4 kW，此时产生的总升力应为：

由于飞行汽车的总重为430 kg，所以1台70 kW的发动机能够维持车辆以5 m／s的速度垂直下降，可安全着陆。考虑到既要满足正常飞行条件，又要保证人员的安全，应当选择2台功率均为70 kW的发动机共同工作，此时飞行汽车的总功率达到140 kW。

5 前飞性能估算

前后2个涵道可看作是纵向并列的圆筒，中间车身部分有蒙皮整流。故在计算涵道阻力时简化成1个圆锥体，其阻力系数可查得cx＝0.62。前飞时，涵道前倾10°左右，车身纵轴线与气流平行，前后两端被涵道屏蔽。故在计算车身阻力时，只需考虑表面摩擦阻力，其系数为：cxf＝0.002 9。前飞时涵道内气流方向仍与旋叶平面垂直，可视为旋叶的总诱导阻力与翼型阻力均等于0，陆空两用车辆总阻力为涵道阻力、机身阻力和其他阻力之和。考虑车轮、风挡、轴系即涵道与机身的干扰阻力，将阻力系数总和放大1.2倍，风阻系数如表2所列。

可得总阻力：

由于v2＝3 560，所以前飞速度：v＝59.7 m／s＝215 km／h。

以发动机实际消耗功率为92 kW为准，取平均油耗为0.27 kg／（kW·h），油箱携带油量40 kg，可求得其续航时间为1.6 h。

若巡航速度为170 km／h，其续航里程为：

表2 风阻系数

6 结 论

（1）采用由两组纵向排列的陀螺式涵道旋叶组成的陆空两用车具备良好的垂直起降和前飞性能，能够满足陆空两用飞行汽车的动力性要求，但其空中稳定性还需进一步分析计算。

（2）采用涵道式升力风扇并选用共轴翻转旋叶方式可达到扭矩平衡，能够消除车身在空中反转向发生，同时提高了升力效率。

（3）采用2台发动机共同工作具有安全保证作用。当其中1台发生故障时，另1台可单发安全降落。但在实际设计中需考虑2台发动机共同工作的功率耦合作用。

［1］ 王拖连，杨世文.陆空两用飞行汽车发展现状与展望［J］.公路与汽运，2011（7）：12－15.

［2］ 林一平.面向实用的“飞行汽车”［J］.交通与运输，2010（6）：53－55.

［3］ 刘沛清.空气螺旋桨理论及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］ 李建波，高 正.涵道风扇升力系统的升阻特性试验研究［J］.南京航空航天大学学报，2004（4）：164－168.

［5］ 许和勇，叶正寅.涵道螺旋桨与孤立螺旋桨气动特性的数值模拟对比［J］.航空动力学报，2011（12）：2820－2825.

［6］ 郑志成，周 洲.垂直起降飞机设计中升力风扇估算模型分析［J］.飞行力学，2010（28）：21－23.

Design and Study on the Lift System of the Flying Vehicle Based on Aerodynamic

JIA Xiao－ping，XING Wang，YU Kui－long，FANG Shi－guang

（（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

The air－ground vehicle which can run on ground and fly in air is adopted the ducted fun as the flight power supply.In this paper，the lift system is designed based on the aerodynamics and vehicle performance index.The flight performance pa⁃rameter is obtained through matching computation with engine.The general planning of air－ground vehicle is presented.Final⁃ly，the feasibility of air－ground vehicle is proved.

air－ground vehicle；VTOL system；ducted fun；momentum theory

TH122

A

1007－4414（2013）04－0116－03

2013－06－06

贾小平（1958－），男，云南昆明人，教授，研究方向：军用车辆系统论证、仿真与评估。

邢 旺（1958－），男，云南昆明人，教授，研究方向：军用车辆系统论证、仿真与评估。