基本信息
- 項目名稱：
- 基于科恩達效應(yīng)的無人飛行器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 近年來，無人飛行器的垂直起降和懸停能力越來越受到關(guān)注，是實用化無人飛行器研究的熱點，近年來研制出了多種新型布局飛行器，基于科恩達效應(yīng)的飛行器就是其中的一例。本文在充分借鑒已有同類科恩達效應(yīng)飛行器設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以吹風實驗結(jié)果為主要參考依據(jù)，提出了基于共軸反槳動力系統(tǒng)和開口式舵面的設(shè)計方案，開展了氣動、結(jié)構(gòu)、控制等方面的設(shè)計工作，并制作和試飛成功了驗證飛行器，對各項設(shè)計指標進行了有效的驗證。
- 詳細介紹：
- 該飛行器采用了由直紋曲面組成的八瓣形外殼和開口式舵面的控制方案，既充分利用了附壁效應(yīng)，又簡化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計和制造；結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了環(huán)形框架與中央塔座相結(jié)合的設(shè)計，傳力路線合理，承載效率高，多次落震實驗證明該結(jié)構(gòu)體能夠滿足承載垂直落地情況下沖擊力的要求。該飛行器選用了電動共軸反槳動力系統(tǒng)，最大限度地減小螺旋槳轉(zhuǎn)動時的反扭力矩，提高了相對效率，避免了單槳狀態(tài)下復(fù)雜的反扭機構(gòu)，使得全機質(zhì)量進一步集中于中軸線上，提高了全機的操縱性和穩(wěn)定性。 項目組經(jīng)過大量的試驗和分析發(fā)現(xiàn)，充分利用科恩達效應(yīng)的關(guān)鍵是穩(wěn)定氣流流場。該飛行器采取了升力螺旋槳加裝涵道和殼體表面加裝導(dǎo)流片的方式，很好地抑制了渦流，穩(wěn)定了流場，同時維持了結(jié)構(gòu)的簡單。 與傳統(tǒng)垂直起降飛行器需要三軸增穩(wěn)相比，該飛行器在航向方向較容易控制，故只需對縱向和橫向兩軸增穩(wěn)，簡化了控制方案，方便了操作。 該飛行器采用了三維數(shù)字化設(shè)計，較為方便地完成了全機結(jié)構(gòu)的設(shè)計、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計工作；科學(xué)的實驗方法、充分的實驗基礎(chǔ)，保證了項目的順利進行。 驗證試飛的結(jié)果證明，該飛行器有控制效率高，安全性好，可擴展設(shè)計性強等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)、安保、防務(wù)等方面，尤其是城市環(huán)境使用領(lǐng)域，具有較廣闊的應(yīng)用前景。
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
- 該作品的主要目的是開發(fā)一種利用科恩達效應(yīng)產(chǎn)生升力并進行控制的新型垂直起降無人飛行器，同時具有飛行控制效率高、使用維護成本低、安全性好等特點，滿足在無人飛行器應(yīng)用越來越廣泛的大趨勢下對飛行器綜合性能的苛刻要求。 該作品飛機的方案有如下創(chuàng)新點：1 機體采用了由直紋曲面組成的八瓣形外殼，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，為后面的控制原理奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；2 機體動力采用了共軸反槳電機系統(tǒng)，避免了復(fù)雜的單槳或單風扇狀態(tài)下的抗反扭矩機構(gòu)。3 在控制上，采用基于科恩達效應(yīng)的開口式舵面，建立了與普通固定翼飛機相同的機體軸和三軸控制方案，方便了理解和操作；4 與所有的飛行器一樣，減重是永恒的任務(wù)。作為技術(shù)驗證機，本項目采用了結(jié)構(gòu)及承載效率較高的環(huán)形框架與中央塔座相結(jié)合的設(shè)計，并且大量采用輕質(zhì)高強材料，使得全機的重量得以控制和優(yōu)化；5 采用簡單高效的穩(wěn)定流場方案：共軸反槳加裝涵道用來約束空氣和抑制槳尖渦流，同時殼體表面安裝導(dǎo)流片用來穩(wěn)定機體表面的氣流流動；6 本項目飛行器具有較好的航向安定性，飛行時只需要對縱向和橫向兩軸增穩(wěn)，簡化了控制方案，降低了成本。 該作品飛機的幾個主要設(shè)計參數(shù)： 機體外切圓直徑： 0.75 m 機體高度： 0.44 m 機體豎直方向投影面積： 0.53 m2 最大舵偏角： 內(nèi)偏20o 空載起飛重量： 1.9 kg 懸停續(xù)航時間： 15 min
科學(xué)性、先進性
- 該作品的研究工作從氣動、結(jié)構(gòu)等角度分為以下幾個方面： 1 研究項目飛行器的氣動設(shè)計方案，進行理論上的論證，并進行試飛驗證； 2 研究飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要設(shè)計主承力結(jié)構(gòu)和主傳力路線，保證抗拉、壓、彎、扭的強度，并在試飛中進行驗證和改進； 3 研究新型飛行器的控制方案，調(diào)試各個環(huán)節(jié)的程序，進行試飛驗證； 4 設(shè)計飛行器的增穩(wěn)方案，進行試飛，評估增穩(wěn)效果； 5 開發(fā)新型質(zhì)輕高強新材料在無人飛行器上的應(yīng)用，總結(jié)新材料的取材和加工方法，并作為技術(shù)儲備； 6 學(xué)習并實踐三維數(shù)字一體化設(shè)計的理念，利用三維虛擬建模和裝配，實現(xiàn)全機重量估算和控制、零部件干涉檢查、設(shè)備配置等功能。 該作品力求實現(xiàn)較高的綜合性能要求，采用了三維數(shù)字化設(shè)計，較為方便地完成了全機結(jié)構(gòu)的設(shè)計、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計工作；科學(xué)的實驗方法、充分的實驗基礎(chǔ)，保證了項目的順利進行。驗證試飛的結(jié)果證明，本項目設(shè)計方案合理，飛行控制效率高，安全性好，基本達到了設(shè)計要求。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)競賽中獲得創(chuàng)新獎（校級）； 在第六屆首都“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)競賽中獲得特等獎。
作品所處階段
- 該作品采用的許多創(chuàng)新技術(shù)還需要進一步深入地研究和驗證，目前處于實驗室階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 雙方合作，共擔風險。該項目采用的許多技術(shù)還未成熟，需要進一步深入研究，所以采用此種方式為宜。
作品可展示的形式
- 該作品可展示的形式有實物、模型、數(shù)字樣機、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像等。
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
- 該作品圍繞簡單、可靠、實用的設(shè)計原則，選用了基于科恩達效應(yīng)（附壁效應(yīng)）和共軸反槳動力系統(tǒng)的設(shè)計方案。該作品具有較高的綜合性能，采用了三維數(shù)字化設(shè)計，較為方便地完成了全機結(jié)構(gòu)的設(shè)計、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計工作；科學(xué)的實驗方法、充分的實驗基礎(chǔ)，保證了項目的順利進行。驗證試飛的結(jié)果證明，該作品設(shè)計方案合理，飛行控制效率高，安全性好，基本達到了設(shè)計要求。 當前國內(nèi)對無人飛行器的需求量猛增，尤其是在防務(wù)、安保、探測與測繪、農(nóng)業(yè)、電力巡航等領(lǐng)域，對無人飛行器的安全性和低成本提出了更高的要求。該飛行器可以實現(xiàn)垂直起降，使用簡單方便，安全性較好，適合作為任務(wù)飛行的平臺來使用。該飛行器在技術(shù)上功能擴展性強，通過加裝不同的任務(wù)模塊來滿足不同領(lǐng)域任務(wù)的要求，具有較廣闊的市場及應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 當前國外對此類科恩達效應(yīng)飛行器進行研究的機構(gòu)不多，但也有十幾年的歷史，目前已有若干型號進行了試飛驗證；而國內(nèi)對科恩達效應(yīng)飛行器的研究很少，處于初始階段，本項目對此類飛行器的研究有助于這項新技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，在技術(shù)方面和應(yīng)用方面具有雙重意義。 目前基于科恩達效應(yīng)的飛行器方案主要有兩種： 1）以英國Aesir公司（前GFS Projects Limited）正在進行試飛驗證的一款基于科恩達效應(yīng)的無人機系統(tǒng)為代表，通過風扇在飛行器的中央產(chǎn)生氣流，然后引導(dǎo)氣流沿著曲面的殼體表面流出，升力的產(chǎn)生與空氣的流速，流量，密度有關(guān)。澳洲空氣動力學(xué)家Naudin J.L研制的已成功試飛的科恩達效應(yīng)驗證機及本項目飛行器都采用了相似的布局。 2）另一種可垂直起降飛行器總體上由兩個桶形涵道和兩個直紋曲面機翼組成。在垂直起降飛行狀態(tài)，筒形涵道尾端封閉，風扇吸入的空氣從涵道側(cè)上方的狹縫中噴出在弧形機翼表面，形成射流，氣流隨著殼體表面最終向下流動，產(chǎn)生升力；在水平飛行狀態(tài)，筒形涵道尾端打開，排出風扇吸入的氣流，產(chǎn)生平飛所需的動力，此時弧形機翼的作用與普通固定翼機翼的作用相同，產(chǎn)生升力。這種方案目前還處在理論研究階段。
