涵道风扇式微型飞行器的研究分析

方如金，吴伏家

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

涵道风扇式微型飞行器能够实现垂直起降、空中悬停，在空间狭小的环境或地形复杂的地区进行快速机动，而且其涵道保护功能能够防止风扇与建筑之间碰撞，这些都是传统固定翼结构和旋翼螺旋桨结构的微型飞行器所不能完成的。涵道风扇使用安全性高，气动噪声低，是一种高效、无声、安全的动力推进装置；其结构、气动性能良好，应用范围广，具有很好的适应能力，是目前微型飞行器动力装置的研究热点。然而这种涵道风扇式结构也有其不足之处：由于涵道和风扇相互间的影响，风扇的吸流作用在涵道的唇口处会产生扰流，降低了涵道风扇的气动效率；并且由于受涵道的影响，提升了涵道风扇的拉力，风扇桨叶的载荷就会增大，在高速飞行阶段，容易导致失速；这种涵道风扇结构的动力装置起重小，有效载重就小，而能耗相对较高，造成留空时间比较短，不能执行长航时的任务，也不适合执行长时间悬停任务。

1 涵道风扇式微型飞行器的研究现状

根据涵道风扇结构的布局不同，可以将涵道风扇式微型飞行器大体分为3种类型：单旋翼涵道风扇式微型飞行器、共轴双旋翼涵道风扇式微型飞行器和复合型涵道风扇式微型飞行器［1］。

1.1 单旋翼涵道风扇式微型飞行器

单旋翼涵道风扇结构比较简单，由电机驱动风扇旋转来提供升力，风扇旋转产生的反扭矩通过可调叶片和控制舵面来平衡，可调叶片位于风扇的下洗流中，风扇产生的气流在可调叶片上产生气压差，由此产生力矩来平衡风扇产生的一部分反扭矩。在涵道风扇的底部安装了一组控制舵面，气流同样能在控制舵面上产生气压差，从而平衡风扇产生的反扭矩。控制舵面通过转动一定的角度来实现飞行器的俯仰、偏航和翻滚运动。这种结构布局类型的典型代表是美国联合航宇（Allied Aerospace）公司的i－STAR［2］，如图1所示。其风扇安装在涵道机体的中上部，在涵道机体的内部风扇的下方安装有用来平衡风扇反扭矩的可调叶片和控制舵面，电机与其他器件都安装在涵道上方的中心体内，电机为使用燃料的发动机，上方中心体通过固定杆与涵道壁面连接，燃料油箱即为涵道机体，可调叶片和控制舵面通过下中心体来调节，涵道下方安装着陆环，可在复杂地形进行着陆。这种微型飞行器结构较为简单，没有复杂的机械装置，成本低，尺寸小，便于生产。

图1 i－STAR的外形及结构

1.2 共轴双旋翼涵道风扇式微型飞行器

共轴双旋翼涵道风扇式微型飞行器采用共轴旋翼的结构来产生升力和推力，较单旋翼结构，双旋翼能产生更大的升力，提高了气动效率。两个旋翼反向旋转来平衡各自产生的反扭矩。旋翼安装在涵道机身的内部，起到保护作用，防止旋翼风扇发生碰撞受损。涵道下方安装有控制舵面，通过操纵舵面来实现微型飞行器的偏航和前飞。通过调节旋翼风扇的转速大小来改变升力的大小，从而实现微型飞行器的上下飞行和空中悬停。

在旋翼升力系统结构中，旋翼的驱动又可分为单电机驱动与双电机驱动。单电机驱动是由一个电机驱动两个旋翼，利用两个旋翼风扇的同速反向旋转来平衡各自产生的反扭矩，以稳定飞行器的飞行姿态，抑制其在飞行过程中翻转。这种结构设计对变速器以及各器件的要求比较高，需要精确可靠设计才能保证飞行器在飞行过程中的稳定，因此这种结构设计较为复杂。双电机驱动是由两个电机分别驱动两个旋翼风扇，通过调节两个旋翼风扇的反向转速来平衡各自产生的反扭矩。这种结构设计需要将两个电机之间的转速差控制在一个允许范围内，因此在控制方面就需要有一定的性能要求，而且两个电机又增加了整体负载，也增加了燃料的消耗，其使用成本也比较高。

图2为美国西科斯基公司的Cypher－Ⅰ共轴式涵道风扇微型飞行器［3］。它不仅具有悬停、垂直起降等一般旋翼机的功能，还可以实现预定飞行、定点导航和自主返航。该微型飞行器的涵道长径比较小，机体呈现扁平，在快速前飞时整个机体能产生部分气动特性，通过调节旋翼的周期变距来调整飞行器的飞行姿态。而机内的各种器件可安装在较厚的涵道机体外壁。

图2 Cypher－Ⅰ的外形及结构

1.3 复合型涵道风扇式微型飞行器

复合型涵道风扇式微型飞行器是在涵道风扇的基础上增加固定翼，这样同时拥有两个气动特性可以提高飞行器的飞行效率，既可以平稳地起降和悬停，又可以在飞行过程中快速前飞，在飞行高度、速度和长距离巡航等方面都能与固定翼飞行器相媲美。典型的代表有美国极光公司的Golden Eye系列飞行器和西科斯基公司的Cypher－Ⅱ飞行器，如图3所示。

Golden Eye飞行器的涵道机体外部安装了可拆卸的活动机翼，在涵道底部安装了稳定尾翼。飞行器在垂直起降时，由涵道风扇系统提供升力，达到一定高度转为快速前飞状态过程中，涵道风扇提供的推力使飞行器的机体转动90°来改变飞行姿态，而在推力的驱动下飞行器加速到一定速度，涵道外部的活动机翼可以产生飞行器飞行所需的升力，此时的涵道风扇系统用于提供飞行器前飞的动力，尾翼用来调整其飞行姿态，并通过调节来控制飞行器的俯仰、偏航和翻滚运动。此类飞行器能够像固定翼飞行器那样飞行、巡航，执行长距离任务。Cypher－Ⅱ飞行器是在Cypher－Ⅰ飞行器的基础上改进的，在原有的结构上增加了一个涵道风扇推进系统和水平机翼。涵道风扇推进系统能够提供飞行器快速前飞动力，水平机翼用来提升升力，机翼边上的副翼控制飞行器的俯仰、偏航和翻滚运动，从而使得原有的飞行器兼具了快速机动、长距离巡航等特点。

图3 Golden Eye和Cypher－Ⅱ飞行器

以上3种结构布局的涵道风扇式微型飞行器产品都已研制成熟，并投入生产使用。国内涵道风扇式飞行器还处于探索阶段，因研究起步晚，很多关键技术问题尚未得到很好解决，但也取得了一定的进展。西北工业大学、南京航空航天大学等高校已积极组成研究团队，建立相应实验室进行研制。哈尔滨盛世特种飞行器有限公司以研制“碟”型特种飞行器为主，该飞行器为涵道风扇式结构，具有低空、低速、垂直起降、稳定悬停等特点，在国内的军演中完成了各项预定任务；但与国外成熟机型相比还存在气动效率低、操纵性能不稳定和偏航反应差等缺点，有待进一步改善。

2 涵道风扇的气动特性分析

涵道风扇式微型飞行器以涵道风扇为主升力／推力系统，由控制舵面调整飞行时的俯仰、偏航和翻滚运动。涵道风扇结构紧凑、安全性能高、气动效率高。根据旋翼动量理论和叶素理论，初步分析涵道风扇的气动特性，推导出涵道风扇的动量、叶素理论公式，建立一套在悬停状态和轴流状态下适合涵道风扇气动特性分析的简化计算方法［4］。

2.1 涵道风扇动量理论

旋翼的动量理论又称滑流理论，它将旋翼看成一个无数叶片的桨盘，采用流体的基本规律来计算。假设流体的密度为ρ、轴向速度为v0、压强为p0，流场如图4所示。流体通过涵道在旋翼的作用下，在桨盘上流体的速度为v1，压强为p1，流体通过整个涵道，在涵道下的速度为v2，压强为p2。

图4 流场示意图

由伯努利定理可得：

由动量理论得涵道与旋翼的总拉力T为：

其中：m为单位时间内流过涵道任意截面的空气的质量。忽略不计涵道内壁与旋翼的间隙δ，截面面积A基本相等，根据伯努力方程可得截面上下压强差与截面面积的乘积等于旋翼的拉力Tp，即：

则涵道的拉力Ts为：

虽然由旋翼的动量理论可以得到一些有意义的结论，可以在涵道风扇计算中得到应用，但由于动量理论在理想状态下未考虑旋翼的一些实际参数，因此无法对涵道风扇进行具体的计算和分析。

2.2 涵道风扇叶素理论

叶素理论是将旋翼桨叶分解成有限个微小段（称为叶素），先计算每个叶素上的分力，然后通过积分得到整个旋翼桨叶的总气动力。在桨叶的径向r处，取一维小段长度d r，相对应的叶素弦长为b。在飞行中，叶素的综合速度与其旋转平面的夹角为θ，设叶素的阻升角为γ，叶素升力系数为CL，旋翼桨叶的叶素总数为N，桨毂半径为r0，桨叶半径为R。则旋翼的拉力T为：

3 结束语

本文讨论了涵道风扇的研究现状及气动特性分析，介绍了3种类型的涵道风扇式微型飞行器，又从旋翼的动量理论和叶素理论简单分析了涵道风扇的气动特性，对于人们了解涵道风扇结构并进行深入研究具有一定的意义。

［1］ 翁梓华，陈智敏.旋翼式微型飞行器升力系统设计［J］.厦门大学学报（自然科学版），2006（6）：802－806.

［2］ 宋文瑞.涵道风扇式微型飞行器气动布局设计与气动特性分析［D］.南京：南京航空航天大学，2012：2－6.

［3］ Lipera Jason D，Colboume Mark B，Tischler M，et al.The micro craft iSTAR micro air vehicle：control system design and testing［C］／／ American Helicopter Society 57th Annual forum.Wshington DC：［s.n.］，2001：34－37.

［4］ 刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.