基本信息
- 項目名稱：
- 墊升式起降技術(shù)驗證機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 當今世界航空技術(shù)迅速發(fā)展，但普通固定翼飛機的起降方式存在很大的局限性，并不能很好的應(yīng)對各式各樣的突發(fā)狀況。本作品就是以改良固定翼飛機起降性能為出發(fā)點，將墊升原理應(yīng)用在其起降方式上，具體來說，就是將傳統(tǒng)的輪式起落架轉(zhuǎn)換為氣墊式起落架，從而使固定翼飛機具有起降地形適應(yīng)能力強、地面可操作性強等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 一、研究目的 世界航空技術(shù)迅速發(fā)展，固定翼飛機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)對各式各樣的突發(fā)狀況。例如，在近年來發(fā)生的汶川、玉樹和日本地震中，由于災(zāi)區(qū)地面沙礫很多，平整度不夠，普通固定翼飛機無法起飛，或因起飛過程中震動太大，裝載設(shè)備、運送物資嚴重受損，所以很多有人或無人固定翼飛機均無用武之地。無獨有偶，在軍事野戰(zhàn)中，無論是叢林、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未能突破的瓶頸。 由此可見，現(xiàn)有的固定翼飛機起降方式在很大程度上需要對跑道質(zhì)量（長度，寬度，硬度，平整度，材料，保養(yǎng)程度等）做嚴格的要求，如何有效地提高其起降性能成為亟待解決的問題。而現(xiàn)有的能提高固定翼飛機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現(xiàn)快速發(fā)射，但對飛機結(jié)構(gòu)強度的要求極高，而且依賴于發(fā)射臺，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人機；垂直起降技術(shù)很大程度上提高了戰(zhàn)斗機的起降性能，但它帶來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)計和維修的難度大等。 那么，要顯著提高固定翼飛機的起降性能，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，通過使飛機機體和地面之間建立空氣層，從而降低飛機起降時對地面硬度、平整度等方面的要求，使得飛機可以在無機場跑道的情況下順利完成起降過程。同時，墊升式起降技術(shù)的使用可以有效減少飛機機體與地面之間的摩擦阻力，從而降低對飛機起飛動力的要求。 二、墊升原理簡介 墊升是一個很廣的概念，本作品中所述的墊升是指物體被氣囊抬起，從而脫離原來支撐面的過程。墊升力正是由這個氣囊以及使氣囊膨脹起來的增壓裝置作用而產(chǎn)生的。接下來簡單分析一下其構(gòu)成。 1、氣墊 在航行器底面與運行表面（地面或水表面）之間制造一個高于大氣壓1%～5% 的空氣層，使得航行器脫離或部分脫離運行表面，這層被增壓的空氣層稱為“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扇驅(qū)動空氣進入氣道,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。氣幕依靠射流的動量變化對氣墊起封閉作用。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行表面之間構(gòu)成一個較大的氣室（增壓室），空氣經(jīng)風扇驅(qū)動，進入氣室，在底部周圍泄出，氣流流過氣室后受到阻滯，空氣由動壓頭轉(zhuǎn)化為靜壓頭，產(chǎn)生增壓效應(yīng)。 2、增壓裝置 普通氣墊都是以風扇作為增壓裝置，在達到一定的功率后，可將電能、化學能等轉(zhuǎn)化為氣流的動能，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。當氣室內(nèi)部壓強大于外界環(huán)境壓強時，氣室內(nèi)部氣體將通過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氣體層，這個氣體層便是前面所述的氣墊。 在形成氣墊以后，持續(xù)給風扇能量，讓其保持運轉(zhuǎn)，便會有持續(xù)不斷的氣體流入氣室內(nèi)部，從而使氣室內(nèi)部壓強始終高于外界環(huán)境壓強。這時，便會有氣體持續(xù)不斷地從氣室中流出，從而一直保持當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)，從而達到墊升的目的。 三、創(chuàng)新點 本作品的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1）能夠顯著提高飛機的起降性能。常規(guī)飛機對跑道的長度、寬度和平整度均有嚴格的要求，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，使飛機與跑道之間形成一層被增壓的空氣層（即氣墊），使飛機在很大程度上脫離了地面起伏帶來的影響，大大增強其對周邊使用環(huán)境或者復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力。 2）降低飛機起飛時對動力系統(tǒng)的要求，可實現(xiàn)飛機的快速起飛。墊升原理的應(yīng)用使得飛機與跑道完全脫離，實現(xiàn)了飛機與跑道之間的近似“零摩擦”。這樣一來，在飛機起飛滑跑的滑行段，僅僅需要相對比較小的動力，就可以使飛機滑行很長距離；在起飛滑跑的加速段，能有效減小阻力對于飛機加速度增加的影響，使飛機能更快地達到起飛速度，即實現(xiàn)快速起飛。 3）有效減小飛機轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑，可以實現(xiàn)小回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)彎甚至原地轉(zhuǎn)彎。飛機墊升起來之后，通過對動力系統(tǒng)進行修正或者對各個氣墊風扇轉(zhuǎn)速進行改變，能夠調(diào)整飛機滑跑姿態(tài)，使飛機在滑跑過程中改變滑跑方向。由于墊升原理的應(yīng)用，避免起落架機輪的最大轉(zhuǎn)角對飛機滑跑轉(zhuǎn)彎回轉(zhuǎn)半徑的束縛，使得飛機在滑跑轉(zhuǎn)彎過程中的轉(zhuǎn)彎半徑可以無限的小。這樣，就可以顯著提高飛機在滑跑過程中的機動性。 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。固定翼飛機如果采用基于墊升原理的起降技術(shù)，相對同等載重條件下對跑道要求不高的直升機，具有載重大、速度快等優(yōu)勢；相對普通飛機而言，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，提高飛機戰(zhàn)術(shù)的靈活性。在技術(shù)成熟之后，這些優(yōu)勢必定會被普遍推廣。 就其使用前景來看，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)飛機的補充完成常規(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、開辟荒地、抗震救災(zāi)等活動，這些任務(wù)是常規(guī)固定翼飛機難以完成的。尤其在災(zāi)后救援方面，近幾年我國發(fā)生兩次大地震，國外也發(fā)生多起災(zāi)難，災(zāi)后救援工作仍然迫于運力不足顯得有些捉襟見肘。由于氣墊飛機對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。另外，氣墊飛機也可以用于海軍，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)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本作品提出了一種全新的固定翼飛機起降方式。它基于墊升原理，可以解決現(xiàn)有起降技術(shù)存在的部分問題，從一定程度上提高固定翼飛機的起降性能。其基本思路為：起飛滑跑時，開啟增壓裝置（鼓風機或儲氣罐），向下噴出氣流，周圍的柔性圍裙限制其逸出，使整機與跑道（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機在動力的作用下加速到起飛速度，飛機起飛，飛行穩(wěn)定后關(guān)閉增壓裝置，并收起圍裙。降落時，控制好飛機的下滑航線，當飛機即將與地面接觸時，打開圍裙，運行增壓裝置并拋出減速傘，飛機與地面形成氣墊，向前滑行直至停止，最后關(guān)閉氣墊。 本作品所具有的創(chuàng)新點如下： 1）墊升式起降技術(shù)可提高固定翼飛機對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，有效增強飛機的起降性能。 2）墊升式起降技術(shù)使飛機在滑跑過程中與跑道脫離，近似“零摩擦”，實現(xiàn)快速起飛。 3）墊升式起降相比輪式起降，不存在最大轉(zhuǎn)角對飛機地面轉(zhuǎn)彎半徑的束縛，使其轉(zhuǎn)彎半徑可以非常小，從而提高飛機的地面機動性。 為了實現(xiàn)以上設(shè)想，需解決以下問題： 1）圍裙氣室結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化設(shè)計； 2）滑跑過程中，氣墊飛機的操作性和穩(wěn)定性； 3）提供一套有效而安全的起降方案。 驗證機的主要技術(shù)指標如下： 起飛重量：5kg 續(xù)航時間：10min 翼展:2.8m 機身長度：1.8m 起飛速度：10m/s 墊升高度：5mm 墊升功率：190W 壓氣流速：35m/s
科學性、先進性
- 科學性：本作品的創(chuàng)意是在一定的理論以及實踐基礎(chǔ)上提出來的，而且在兩個方面都有良好的體現(xiàn)。理論方面，有墊升原理、空氣動力學等專業(yè)學科的支持，這兩者在理論層面已經(jīng)發(fā)展到了相當?shù)母叨龋阋詽M足現(xiàn)在各種氣動裝置的理論計算以及模擬仿真；而在應(yīng)用方面，氣墊船對墊升原理、飛行器對空氣動力學的實際應(yīng)用都經(jīng)過了相當長時間的發(fā)展與完善，已經(jīng)相當成熟，而且在研究范圍內(nèi)，兩者能夠成功實現(xiàn)有效結(jié)合。 先進性：本作品的出發(fā)點是改良固定翼飛機的起降性能，其先進性表現(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程中，從思路上突破傳統(tǒng)起降方式的限制，將改進的要點放在新的起降方式的驗證方面，從而擴展了改進方式的操作空間和起降性能的提升空間。然后，通過大量的理論計算、計算機模擬仿真以及多次實物試驗證明，該起降方式在地形適應(yīng)、地面控制等方面具有傳統(tǒng)起降方式無法比擬的優(yōu)越性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 驗證機已初步試驗成功，地面控制和可操作性有待于進一步完善。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 可以提供實物模型，圖片，視頻。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 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，通過建立空氣層，虛擬出可供飛機起降的跑道，可以在無機場的條件下執(zhí)行任務(wù)，可從一定程度上提高飛機的起降性能。相對同等條件下的直升機而言，載重大、速度快；相對普通飛機而言，在海面、軍艦、陸地、沙地、沼澤、雪地等上均可順利起降，可提高飛機戰(zhàn)術(shù)的靈活性。 就其使用前景來看，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)飛機的補充完成常規(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、開辟荒地、抗震救災(zāi)等。尤其在災(zāi)后救援方面，近幾國內(nèi)外發(fā)生多起地震，災(zāi)后救援工作捉襟見肘。依靠墊升式起降技術(shù)的飛機對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。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，墊升式起降技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，所以必定會有廣闊的應(yīng)用前景，也必定會帶來巨大的經(jīng)濟、社會、軍事戰(zhàn)術(shù)效益。
同類課題研究水平概述
- 世界上固定翼飛機的起降系統(tǒng)多為起落架，但是，起落架始終不能擺脫對跑道質(zhì)量的嚴格要求，所以其局限性很大。目前，世界航空領(lǐng)域也相繼出現(xiàn)了不少提高飛機起降性能的方法。 滑跳起飛/阻攔降落是艦載機經(jīng)常用的起降方式。飛機在起飛的時候以自身的動力經(jīng)由跳臺的協(xié)助升上空中。與其類似的是彈射起飛∕阻攔降落，飛機依靠彈射器獲得初速度，并在短距離內(nèi)滑跑起飛。降落時通過阻攔索或阻攔網(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，提高了飛機的起降性能。 推力矢量技術(shù)是發(fā)動機推力通過噴管或尾噴流的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力分量來替代原飛機的操縱面或增強飛機的操縱功能，對飛機的飛行進行實時控制的技術(shù)。它對戰(zhàn)斗機的隱身、減阻、減重都十分有效。目前世界上只有美國和俄羅斯掌握了這一技術(shù)。 美軍V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機實現(xiàn)了以垂直起降和懸停為目的的操作功能，是一項非常先進的技術(shù)。同時，它也存在嚴重缺陷。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的主要問題，集中在起降和過渡飛行階段，存在著一些直升機和固定翼飛機很少遇到的矛盾。為了克服這些缺陷，“魚鷹”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)是在機身或機翼上安裝引射裝置，用較少的噴氣發(fā)動機引出高壓氣流，產(chǎn)生較大的直接升力。引射構(gòu)型是將發(fā)動機噴流引到引射襟翼噴出，吸引外界空氣流過襟翼，從而使機翼產(chǎn)生升力——這比單純依靠發(fā)動機的推力效率要高得多。同時，由于引射系統(tǒng)的高效率，在同樣的發(fā)動機推力下，采用引射構(gòu)型的飛機可以具有更大的起飛重量。但遺憾的是，這些優(yōu)點迄今仍然只存在于理論上。 沖翼艇是一種介于船舶與飛機之間的地效飛行器，它在接近地面或水面的一定高度時，流經(jīng)機翼與水面之間的氣流被強烈阻滯，機翼下壓力劇增，從而導致艇體升力額外增加。但是，由于它依賴于地效，飛行高度受到嚴格的限制。 目前，國內(nèi)外并未出現(xiàn)關(guān)于固定翼飛機利用墊升原理進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起降方式可以說是一項比較新的創(chuàng)意，它可以解決現(xiàn)有固定翼飛機起落方式解決不了的諸多難題。其對跑道的適應(yīng)能力相對于現(xiàn)有起降技術(shù)來說有不可比擬的優(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！
