涵道式两栖飞行器空中飞行姿态的仿真分析

邹汝红　胡玮军　王海容

摘 要：两栖飞行器是既能在地面上行驶又可以在空中飞行的一种新型飞行器。文章研究的涵道式飞行汽车是通过车身的主涵道螺旋桨产生升力，车尾的推进螺旋桨产生推力完成升降及前进。利用ANSYS-CFX对飞行汽车在空中飞行时的飞行姿态进行了仿真分析，得到飞行汽车的升力，翻滚力矩，俯仰力矩及偏航力矩等参数，并分析飞行汽车前飞状态的流场结构，根据数值结果对飞行汽车空中飞行姿态进行讨论。

关键词：涵道式两栖飞行器 螺旋桨 ANSYS-CFX 飞行姿态

涵道式两栖飞行器（飞行汽车）是一种新概念的飞行器，作为一种方便、快捷且适应多层次出行需求的飞行器，成为国内外关注的焦点。在地面交通顺畅的情况下，飞行汽车与普通陆地交通工具一样，能在地面上行走，达到能少能耗的目的；当遇到紧急情况或者路面交通拥堵的情况下，它可以垂直起降，迅速升空，像飞机一样飞行，尽显其灵活便捷之处。

飞行汽车具有独特的垂直起降和空中悬停特性，使其在军民两用中正发挥越来越重要的作用。目前，对涵道飞行器气动结构的研究至今还没有形成统一的方法与原则，特别是缺乏理论基础和实验数据的支撑。在飞行汽车的结构设计过程中，大多数更偏重于悬停及垂直起降性能的考量，而忽略了飞行汽车前飞状态的气动特性研究[1]。针对目前这一问题，本文重点分析飞行汽车在前飞状态下主涵道螺旋桨与推进螺旋桨之间相互作用的气动关系，并进行外流场的模拟仿真，研究涵道飞行器在前飞状态的俯仰和偏航特性。

1 飞行汽车计算模型的建立

1.1 飞行汽车的工作原理

涵道飞行器大多还在研发阶段，目前还未形成系统的设计标准。本文采用自主设计的飞行汽车外观，如图1所示，从结构上来说，具备汽车和直升机的特点；从功能上来说，也是地面行走和空中飞行的结合体。其外观与汽车相似，但是为了实现在空中的悬停及飞行，在车身前后分别有为汽车提供竖直方向升力的主涵道螺旋桨，汽车尾部有两个提供推进力的推进涵道螺旋桨。

在地面行驶时，前后涵道的栅格处于关闭状态，螺旋桨处于不工作状态，与汽车类似，依靠轮胎上的轮毂电机提供行驶的动力，利用机械控制的转向系统的转向模式[2]完成转向操作。在空中飞行时，轮胎上轮毂电机停止工作，前后主涵道的栅格开启，主螺旋桨开始转动，为飞行汽车提供升力，让其垂直起飞；当达到预定高度后，推进涵道的栅格开启，推进螺旋桨开始转动，为其提供前进的动力。当在空中转向时，通过调节两个推进螺旋桨的转速，螺旋桨转动速度不同，则产生的推进力不同，因此得到汽车转向所要的水平方向的偏转力矩，从而达到汽车转向的目的[3-4]。同理，飞行汽车的俯仰运动需要通过前后主涵道螺旋桨的转速差提供的俯仰力矩达成。

1.2 涵道飞行器的结构参数

飞行汽车车身内部的尺寸设计，参照普通汽车的车身外形及X-Hawk飞行汽车[5]的外观构造，设计完成后的飞行汽车地面行驶姿态下的结构主要参数见表1。

研究涵道螺旋桨的气动特性选取两个坐标系，一个以地面为参照物，用来研究飞行汽车的运动；还有一个坐标系的原点与车体质心重合，称为机体坐标系[6]。待坐标体系确定好了之后，便能够对飞行器开展飞行动力学的研究。

2 涵道螺旋槳外流场仿真模拟

为了准确分析涵道体在涵道飞行器飞行过程中气动特点，对飞行汽车在前飞状态下进行了流体仿真分析。

1.静止域边界：将流体域的6个面都设定为开口边界，选取标准双方程湍流模型[7]，流体选取常温常压下的空气。

2.旋转域边界：分别给主涵道和推进涵道螺旋桨设置不同的转速。

利用ANSYS-CFX后处理中提取的结果对飞行汽车的空中姿态进行分析，当主涵道前后两个螺旋桨转速为10kr/min，推进涵道螺旋桨转速为6kr/min时，流线图如图4所示。

飞行汽车空中姿态流线图可看出飞行汽车主涵道前侧的流线绕着车头形成环量，由茹可夫斯基升力定理[8]可知，只要存在绕柱体的环量都会产生升力，因而主涵道螺旋桨为飞行汽车提供了升力。飞行汽车后侧流线图可看出飞行汽车尾部存在环状的流线，从而对飞行汽车产生推进力。空中姿态与许多参数有关，主要研究飞行汽车空中姿态有关的俯仰力矩（绕x轴）、偏航力矩（绕y轴）。

1）俯仰运动

俯仰运动是通过控制主涵道前后螺旋桨的转速差实现的，将推进涵道的左右螺旋桨均设为6kr/min不变，主涵道前侧螺旋桨转速设置为10kr/min， 主涵道后侧螺旋桨转速分别为8kr/min，9kr/min，10kr/min，11kr/min，12kr/min，13kr/min。，，分别表示主涵道前，后螺旋桨提供的升力和飞行汽车的俯仰力矩。飞行汽车的后侧升力和俯仰力矩的趋势图见图5所示。

前后主涵道附近车身结构存在差异，且后侧主涵道的流场结构会受到推进涵道螺旋桨的流场的影响，即便前后主涵道螺旋桨转速都是10kr/min的情况下，它们提供的升力也存在一定差异，且后侧螺旋桨提供的升力大于前侧螺旋桨提供的升力。随着主涵道后侧螺旋桨转速的提升，俯仰力矩也在逐渐增加，这是由于主涵道后侧螺旋桨提供的升力增加，提供了正的俯仰力矩。因此可以通过改变主涵道前后螺旋桨的转速来控制飞行汽车的俯仰运动。

2）偏航运动

偏航运动是通过控制推进涵道左右螺旋桨的转速差的，因此将主涵道的前后螺旋桨均设为10kr/min不变，左侧推进涵螺旋桨转速分别为6kr/min，右侧推进涵道螺旋桨转速分别为4kr/min，5kr/min，6kr/min，7kr/min，8kr/min，9kr/min。在这6种情况下，，，分别表示推进涵道左，右螺旋桨提供的推进力和飞行汽车的偏航力矩。飞行汽车的右推力和偏航力矩的趋势图见图6所示。

由于推进涵道受到主涵道后侧螺旋桨的流场的影响，使得即使在推进涵道左右螺旋桨转速都为6kr/min时，提供的推进力也有一定的差异。随着推进涵道右侧螺旋桨转速的提升，偏航力矩也在逐渐增加，这是由于推进涵道右侧螺旋桨提供的推进力增加，提供了正的偏航力矩。因此可以通过改变推进涵道左右螺旋桨的转速来控制飞行汽车的偏航运动从而达到飞行汽车转向的目的。

3 結论与展望

文中采用流体仿真的方法对涵道飞行器前飞时俯仰及偏航特性进行了分析，结合前人的研究得出以下几点结论：

1）主涵道螺旋桨前后转速一致时，受推进涵道螺旋桨的影响，飞行器前后会存在升力差异，即不能实现平稳行驶，会呈现一定的俯仰角度。

2）前后主螺旋桨转速差异越大，升力值差异越大，俯仰角度也越大。

3）推进螺旋桨左右转速一致时，受主涵道螺旋桨的影响，飞行器左右会存在推进力差异，即不能实现直线行驶，会呈现一定程度的偏航。

4）左右推进螺旋桨转速差异越大，推进力值差异越大，可以通过改变推进涵道左右螺旋桨的转速来控制飞行汽车的偏航运动从而达到飞行汽车转向的目的。

由于数值仿真的局限性，多数具体参数还需要大量的实验研究来确定，但是文中的计算结论在涵道飞行器定性分析上具有有益的参考价值。

基金项目：湖南省教育厅一般项目（2019C1642）。

参考文献：

[1]徐嘉，范宁军，赵澍.涵道飞行器涵道本体气动特性研究[J].弹箭与制导学报， 2009，29（004）：174-178.

[2]陈哲吾. 涵道式垂直起降两栖飞行器原理设计与研究[D].湖南大学，2010.

[3]梁建永，梁军，范世杰等.轿车外流场CFD分析中常用k-ε湍流模型的对比[J].汽车工程，2008，30（10）：846-852.

[4]李建波，高正，唐正飞，陆洋.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.2004，36（2）：164-8.

[5]FLINN E D. Revolutionary X-Hawk hovers near success [J]. Aerospace America，2003，41（7）：26-8.

[6]Daniel A. Mántaras， Luque P ， Vera C.Development and validation of a three-dimensional kinematic model for the McPherson steering and suspension mechanisms[J].Mechanism & Machine Theory， 2004， 39（6）：603-619.

[7]Habibi H， Shirazi KH， Shishesaz M. Roll steer minimization of McPherson-strut suspension system using genetic algorithm method[J]. Mechanism and Machine Theory.2008，43（1）：57-67.

[8]Graf W，Fleming J，Ng W.Improving ducted fan UAV aerodynamics in forward flight[R]. AIAA 2008-430，2008.