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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 墊升式起降技術(shù)驗(yàn)證機(jī)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 當(dāng)今世界航空技術(shù)迅速發(fā)展，但普通固定翼飛機(jī)的起降方式存在很大的局限性，并不能很好的應(yīng)對(duì)各式各樣的突發(fā)狀況。本作品就是以改良固定翼飛機(jī)起降性能為出發(fā)點(diǎn)，將墊升原理應(yīng)用在其起降方式上，具體來(lái)說(shuō)，就是將傳統(tǒng)的輪式起落架轉(zhuǎn)換為氣墊式起落架，從而使固定翼飛機(jī)具有起降地形適應(yīng)能力強(qiáng)、地面可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、研究目的 世界航空技術(shù)迅速發(fā)展，固定翼飛機(jī)的起降方式也各有不同。但是到目前為止，這些起降方式仍存在很大的局限性，并不能很好的應(yīng)對(duì)各式各樣的突發(fā)狀況。例如，在近年來(lái)發(fā)生的汶川、玉樹(shù)和日本地震中，由于災(zāi)區(qū)地面沙礫很多，平整度不夠，普通固定翼飛機(jī)無(wú)法起飛，或因起飛過(guò)程中震動(dòng)太大，裝載設(shè)備、運(yùn)送物資嚴(yán)重受損，所以很多有人或無(wú)人固定翼飛機(jī)均無(wú)用武之地。無(wú)獨(dú)有偶，在軍事野戰(zhàn)中，無(wú)論是叢林、草地，還是沙漠、沼澤，在這些地形中自由起降一直是固定翼飛機(jī)未能突破的瓶頸。 由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的固定翼飛機(jī)起降方式在很大程度上需要對(duì)跑道質(zhì)量（長(zhǎng)度，寬度，硬度，平整度，材料，保養(yǎng)程度等）做嚴(yán)格的要求，如何有效地提高其起降性能成為亟待解決的問(wèn)題。而現(xiàn)有的能提高固定翼飛機(jī)起降性能的方法很少，且不適合推廣。例如，完全彈射式起飛、阻攔降落的方法能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射，但對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求極高，而且依賴(lài)于發(fā)射臺(tái)，很大程度上增大了成本；手拋式起飛、阻攔降落的方法僅僅適用于小型無(wú)人機(jī)；垂直起降技術(shù)很大程度上提高了戰(zhàn)斗機(jī)的起降性能，但它帶來(lái)的副作用也是不能忽視的，如彈載少，油耗高，操縱復(fù)雜，作戰(zhàn)半徑短，設(shè)計(jì)和維修的難度大等。 那么，要顯著提高固定翼飛機(jī)的起降性能，就必須要打破傳統(tǒng)起降方式限制，從新的角度和思路出發(fā)，研究出一種全新的起降方式，從而解決以上種種困難。出于這樣的目的，我們提出并驗(yàn)證了墊升式起降技術(shù)。 墊升式起降技術(shù)利用墊升原理，通過(guò)使飛機(jī)機(jī)體和地面之間建立空氣層，從而降低飛機(jī)起降時(shí)對(duì)地面硬度、平整度等方面的要求，使得飛機(jī)可以在無(wú)機(jī)場(chǎng)跑道的情況下順利完成起降過(guò)程。同時(shí)，墊升式起降技術(shù)的使用可以有效減少飛機(jī)機(jī)體與地面之間的摩擦阻力，從而降低對(duì)飛機(jī)起飛動(dòng)力的要求。 二、墊升原理簡(jiǎn)介 墊升是一個(gè)很廣的概念，本作品中所述的墊升是指物體被氣囊抬起，從而脫離原來(lái)支撐面的過(guò)程。墊升力正是由這個(gè)氣囊以及使氣囊膨脹起來(lái)的增壓裝置作用而產(chǎn)生的。接下來(lái)簡(jiǎn)單分析一下其構(gòu)成。 1、氣墊 在航行器底面與運(yùn)行表面（地面或水表面）之間制造一個(gè)高于大氣壓1%～5% 的空氣層，使得航行器脫離或部分脫離運(yùn)行表面，這層被增壓的空氣層稱(chēng)為“氣墊”。 按照氣墊的形成和維持方法，氣墊可分為周邊射流式和增壓室式兩種。 1）周邊射流式氣墊是用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)入氣道,由周邊的噴口噴出并拐折向外，形成射流式氣幕，使內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力，將航行器抬升起來(lái)。氣幕依靠射流的動(dòng)量變化對(duì)氣墊起封閉作用。被封閉的氣墊的壓力大小同氣幕噴射的速度、墊升高度和噴射角度有關(guān)。 2）增壓室式氣墊是在航行器和運(yùn)行表面之間構(gòu)成一個(gè)較大的氣室（增壓室），空氣經(jīng)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入氣室，在底部周?chē)钩?，氣流流過(guò)氣室后受到阻滯，空氣由動(dòng)壓頭轉(zhuǎn)化為靜壓頭，產(chǎn)生增壓效應(yīng)。 2、增壓裝置 普通氣墊都是以風(fēng)扇作為增壓裝置，在達(dá)到一定的功率后，可將電能、化學(xué)能等轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能，使外部氣體高速流入氣室內(nèi)部，以增加氣室內(nèi)部的壓強(qiáng)。當(dāng)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)大于外界環(huán)境壓強(qiáng)時(shí)，氣室內(nèi)部氣體將通過(guò)柔性圍裙等向外界噴出，從而使被墊升的物體與支撐面之間形成一個(gè)氣體層，這個(gè)氣體層便是前面所述的氣墊。 在形成氣墊以后，持續(xù)給風(fēng)扇能量，讓其保持運(yùn)轉(zhuǎn)，便會(huì)有持續(xù)不斷的氣體流入氣室內(nèi)部，從而使氣室內(nèi)部壓強(qiáng)始終高于外界環(huán)境壓強(qiáng)。這時(shí)，便會(huì)有氣體持續(xù)不斷地從氣室中流出，從而一直保持當(dāng)初形成的那一層氣墊。 這樣，由于氣墊的持續(xù)存在，被墊升的物體就將一直保持墊升狀態(tài)，從而達(dá)到墊升的目的。 三、創(chuàng)新點(diǎn) 本作品的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）能夠顯著提高飛機(jī)的起降性能。常規(guī)飛機(jī)對(duì)跑道的長(zhǎng)度、寬度和平整度均有嚴(yán)格的要求，其只能在規(guī)定的跑道上起飛和降落，適應(yīng)能力很差。墊升原理的應(yīng)用，使飛機(jī)與跑道之間形成一層被增壓的空氣層（即氣墊），使飛機(jī)在很大程度上脫離了地面起伏帶來(lái)的影響，大大增強(qiáng)其對(duì)周邊使用環(huán)境或者復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力。 2）降低飛機(jī)起飛時(shí)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的快速起飛。墊升原理的應(yīng)用使得飛機(jī)與跑道完全脫離，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)與跑道之間的近似“零摩擦”。這樣一來(lái)，在飛機(jī)起飛滑跑的滑行段，僅僅需要相對(duì)比較小的動(dòng)力，就可以使飛機(jī)滑行很長(zhǎng)距離；在起飛滑跑的加速段，能有效減小阻力對(duì)于飛機(jī)加速度增加的影響，使飛機(jī)能更快地達(dá)到起飛速度，即實(shí)現(xiàn)快速起飛。 3）有效減小飛機(jī)轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑，可以實(shí)現(xiàn)小回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)彎甚至原地轉(zhuǎn)彎。飛機(jī)墊升起來(lái)之后，通過(guò)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行修正或者對(duì)各個(gè)氣墊風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，能夠調(diào)整飛機(jī)滑跑姿態(tài)，使飛機(jī)在滑跑過(guò)程中改變滑跑方向。由于墊升原理的應(yīng)用，避免起落架機(jī)輪的最大轉(zhuǎn)角對(duì)飛機(jī)滑跑轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑的束縛，使得飛機(jī)在滑跑轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的轉(zhuǎn)彎半徑可以無(wú)限的小。這樣，就可以顯著提高飛機(jī)在滑跑過(guò)程中的機(jī)動(dòng)性。 四、應(yīng)用前景 墊升原理是一套比較成熟的理論，它已在氣墊船等方面得到了成熟而廣泛的應(yīng)用。固定翼飛機(jī)如果采用基于墊升原理的起降技術(shù)，相對(duì)同等載重條件下對(duì)跑道要求不高的直升機(jī)，具有載重大、速度快等優(yōu)勢(shì)；相對(duì)普通飛機(jī)而言，它在海面、軍艦、陸地、沙地、沼澤、雪地等上均可順利起降，在適應(yīng)較復(fù)雜的起降環(huán)境的同時(shí)，提高飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)的靈活性。在技術(shù)成熟之后，這些優(yōu)勢(shì)必定會(huì)被普遍推廣。 就其使用前景來(lái)看，這種氣墊式起降系統(tǒng)適用范圍廣泛。它不但能夠作為常規(guī)飛機(jī)的補(bǔ)充完成常規(guī)任務(wù)，而且能夠在特定環(huán)境下完成難度較高的特定任務(wù)。例如從事沙漠探索、叢林冒險(xiǎn)、開(kāi)辟荒地、抗震救災(zāi)等活動(dòng)，這些任務(wù)是常規(guī)固定翼飛機(jī)難以完成的。尤其在災(zāi)后救援方面，近幾年我國(guó)發(fā)生兩次大地震，國(guó)外也發(fā)生多起災(zāi)難，災(zāi)后救援工作仍然迫于運(yùn)力不足顯得有些捉襟見(jiàn)肘。由于氣墊飛機(jī)對(duì)地面的平整度和硬度要求不太苛刻，所以在災(zāi)區(qū)起降具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，氣墊飛機(jī)也可以用于海軍，它既可以在軍艦上起降，又可以在水面起降，靈活度高，能夠迅速而有效地完成海上任務(wù)。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品提出了一種全新的固定翼飛機(jī)起降方式。它基于墊升原理，可以解決現(xiàn)有起降技術(shù)存在的部分問(wèn)題，從一定程度上提高固定翼飛機(jī)的起降性能。其基本思路為：起飛滑跑時(shí)，開(kāi)啟增壓裝置（鼓風(fēng)機(jī)或儲(chǔ)氣罐），向下噴出氣流，周?chē)娜嵝試瓜拗破湟莩?，使整機(jī)與跑道（可以是平地、洼地、草地、雪地、水面甚至是沙礫地段和沼澤地）之間形成一層氣墊?！皯铱铡钡娘w機(jī)在動(dòng)力的作用下加速到起飛速度，飛機(jī)起飛，飛行穩(wěn)定后關(guān)閉增壓裝置，并收起圍裙。降落時(shí)，控制好飛機(jī)的下滑航線，當(dāng)飛機(jī)即將與地面接觸時(shí)，打開(kāi)圍裙，運(yùn)行增壓裝置并拋出減速傘，飛機(jī)與地面形成氣墊，向前滑行直至停止，最后關(guān)閉氣墊。 本作品所具有的創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1）墊升式起降技術(shù)可提高固定翼飛機(jī)對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，有效增強(qiáng)飛機(jī)的起降性能。 2）墊升式起降技術(shù)使飛機(jī)在滑跑過(guò)程中與跑道脫離，近似“零摩擦”，實(shí)現(xiàn)快速起飛。 3）墊升式起降相比輪式起降，不存在最大轉(zhuǎn)角對(duì)飛機(jī)地面轉(zhuǎn)彎半徑的束縛，使其轉(zhuǎn)彎半徑可以非常小，從而提高飛機(jī)的地面機(jī)動(dòng)性。 為了實(shí)現(xiàn)以上設(shè)想，需解決以下問(wèn)題： 1）圍裙氣室結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)； 2）滑跑過(guò)程中，氣墊飛機(jī)的操作性和穩(wěn)定性； 3）提供一套有效而安全的起降方案。 驗(yàn)證機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 起飛重量：5kg 續(xù)航時(shí)間：10min 翼展:2.8m 機(jī)身長(zhǎng)度：1.8m 起飛速度：10m/s 墊升高度：5mm 墊升功率：190W 壓氣流速：35m/s
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：本作品的創(chuàng)意是在一定的理論以及實(shí)踐基礎(chǔ)上提出來(lái)的，而且在兩個(gè)方面都有良好的體現(xiàn)。理論方面，有墊升原理、空氣動(dòng)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)學(xué)科的支持，這兩者在理論層面已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)?shù)母叨?，足以滿足現(xiàn)在各種氣動(dòng)裝置的理論計(jì)算以及模擬仿真；而在應(yīng)用方面，氣墊船對(duì)墊升原理、飛行器對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用都經(jīng)過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展與完善，已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且在研究范圍內(nèi)，兩者能夠成功實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合。 先進(jìn)性：本作品的出發(fā)點(diǎn)是改良固定翼飛機(jī)的起降性能，其先進(jìn)性表現(xiàn)在合理大膽的創(chuàng)新性以及新的起降方式在性能方面的優(yōu)越性等方面。首先，在尋求改良起降方式的過(guò)程中，從思路上突破傳統(tǒng)起降方式的限制，將改進(jìn)的要點(diǎn)放在新的起降方式的驗(yàn)證方面，從而擴(kuò)展了改進(jìn)方式的操作空間和起降性能的提升空間。然后，通過(guò)大量的理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬仿真以及多次實(shí)物試驗(yàn)證明，該起降方式在地形適應(yīng)、地面控制等方面具有傳統(tǒng)起降方式無(wú)法比擬的優(yōu)越性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 驗(yàn)證機(jī)已初步試驗(yàn)成功，地面控制和可操作性有待于進(jìn)一步完善。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 可以提供實(shí)物模型，圖片，視頻。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 墊升式起降技術(shù)提出了一種全新的起降方式，它利用墊升原理，通過(guò)建立空氣層，虛擬出可供飛機(jī)起降的跑道，可以在無(wú)機(jī)場(chǎng)的條件下執(zhí)行任務(wù)，可從一定程度上提高飛機(jī)的起降性能。相對(duì)同等條件下的直升機(jī)而言，載重大、速度快；相對(duì)普通飛機(jī)而言，在海面、軍艦、陸地、沙地、沼澤、雪地等上均可順利起降，可提高飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)的靈活性。 就其使用前景來(lái)看，這種墊升式起降系統(tǒng)適用范圍廣泛。它不但能夠作為常規(guī)飛機(jī)的補(bǔ)充完成常規(guī)任務(wù)，而且能夠在特定環(huán)境下完成難度較高的任務(wù)。例如沙漠探索、叢林冒險(xiǎn)、開(kāi)辟荒地、抗震救災(zāi)等。尤其在災(zāi)后救援方面，近幾國(guó)內(nèi)外發(fā)生多起地震，災(zāi)后救援工作捉襟見(jiàn)肘。依靠墊升式起降技術(shù)的飛機(jī)對(duì)地面的平整度和硬度要求不太苛刻，所以在災(zāi)區(qū)起降具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，其也可以用于海軍，它既可以在軍艦上起降，又可以在水面起降，靈活度高，能夠迅速而有效地完成海上任務(wù)。 由此可見(jiàn)，墊升式起降技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以必定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景，也必定會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、軍事戰(zhàn)術(shù)效益。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 世界上固定翼飛機(jī)的起降系統(tǒng)多為起落架，但是，起落架始終不能擺脫對(duì)跑道質(zhì)量的嚴(yán)格要求，所以其局限性很大。目前，世界航空領(lǐng)域也相繼出現(xiàn)了不少提高飛機(jī)起降性能的方法。 滑跳起飛/阻攔降落是艦載機(jī)經(jīng)常用的起降方式。飛機(jī)在起飛的時(shí)候以自身的動(dòng)力經(jīng)由跳臺(tái)的協(xié)助升上空中。與其類(lèi)似的是彈射起飛∕阻攔降落，飛機(jī)依靠彈射器獲得初速度，并在短距離內(nèi)滑跑起飛。降落時(shí)通過(guò)阻攔索或阻攔網(wǎng)的阻攔而縮短滑跑距離。這兩種方式在縮短滑跑距離方面，提高了飛機(jī)的起降性能。 推力矢量技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過(guò)噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來(lái)替代原飛機(jī)的操縱面或增強(qiáng)飛機(jī)的操縱功能，對(duì)飛機(jī)的飛行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)。它對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身、減阻、減重都十分有效。目前世界上只有美國(guó)和俄羅斯掌握了這一技術(shù)。 美軍V-22魚(yú)鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了以垂直起降和懸停為目的的操作功能，是一項(xiàng)非常先進(jìn)的技術(shù)。同時(shí)，它也存在嚴(yán)重缺陷。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的主要問(wèn)題，集中在起降和過(guò)渡飛行階段，存在著一些直升機(jī)和固定翼飛機(jī)很少遇到的矛盾。為了克服這些缺陷，“魚(yú)鷹”不得不采取許多復(fù)雜的、非常規(guī)的技術(shù)措施，從而使全機(jī)的重量、性能和生產(chǎn)成本都受到影響。 引射增升技術(shù)是在機(jī)身或機(jī)翼上安裝引射裝置，用較少的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)引出高壓氣流，產(chǎn)生較大的直接升力。引射構(gòu)型是將發(fā)動(dòng)機(jī)噴流引到引射襟翼噴出，吸引外界空氣流過(guò)襟翼，從而使機(jī)翼產(chǎn)生升力——這比單純依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的推力效率要高得多。同時(shí)，由于引射系統(tǒng)的高效率，在同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)推力下，采用引射構(gòu)型的飛機(jī)可以具有更大的起飛重量。但遺憾的是，這些優(yōu)點(diǎn)迄今仍然只存在于理論上。 沖翼艇是一種介于船舶與飛機(jī)之間的地效飛行器，它在接近地面或水面的一定高度時(shí)，流經(jīng)機(jī)翼與水面之間的氣流被強(qiáng)烈阻滯，機(jī)翼下壓力劇增，從而導(dǎo)致艇體升力額外增加。但是，由于它依賴(lài)于地效，飛行高度受到嚴(yán)格的限制。 目前，國(guó)內(nèi)外并未出現(xiàn)關(guān)于固定翼飛機(jī)利用墊升原理進(jìn)行地面滑跑起飛的相關(guān)研究。這種基于墊升原理的固定翼飛機(jī)起降方式可以說(shuō)是一項(xiàng)比較新的創(chuàng)意，它可以解決現(xiàn)有固定翼飛機(jī)起落方式解決不了的諸多難題。其對(duì)跑道的適應(yīng)能力相對(duì)于現(xiàn)有起降技術(shù)來(lái)說(shuō)有不可比擬的優(yōu)越性。因此，它的應(yīng)用前景將十分廣闊，它的應(yīng)用范圍將更加廣泛！
