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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于科恩達(dá)效應(yīng)的無(wú)人飛行器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 近年來(lái)，無(wú)人飛行器的垂直起降和懸停能力越來(lái)越受到關(guān)注，是實(shí)用化無(wú)人飛行器研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)研制出了多種新型布局飛行器，基于科恩達(dá)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(dá)效應(yīng)飛行器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主要參考依據(jù)，提出了基于共軸反槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)和開(kāi)口式舵面的設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、控制等方面的設(shè)計(jì)工作，并制作和試飛成功了驗(yàn)證飛行器，對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了有效的驗(yàn)證。
- 詳細(xì)介紹：
- 該飛行器采用了由直紋曲面組成的八瓣形外殼和開(kāi)口式舵面的控制方案，既充分利用了附壁效應(yīng)，又簡(jiǎn)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計(jì)和制造；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了環(huán)形框架與中央塔座相結(jié)合的設(shè)計(jì)，傳力路線合理，承載效率高，多次落震實(shí)驗(yàn)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(dòng)共軸反槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，最大限度地減小螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的反扭力矩，提高了相對(duì)效率，避免了單槳狀態(tài)下復(fù)雜的反扭機(jī)構(gòu)，使得全機(jī)質(zhì)量進(jìn)一步集中于中軸線上，提高了全機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性。 項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，充分利用科恩達(dá)效應(yīng)的關(guān)鍵是穩(wěn)定氣流流場(chǎng)。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(chǎng)，同時(shí)維持了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(duì)縱向和橫向兩軸增穩(wěn)，簡(jiǎn)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(jì)，較為方便地完成了全機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計(jì)工作；科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法、充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。 驗(yàn)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(kuò)展設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(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)
- 該作品的主要目的是開(kāi)發(fā)一種利用科恩達(dá)效應(yīng)產(chǎn)生升力并進(jìn)行控制的新型垂直起降無(wú)人飛行器，同時(shí)具有飛行控制效率高、使用維護(hù)成本低、安全性好等特點(diǎn)，滿足在無(wú)人飛行器應(yīng)用越來(lái)越廣泛的大趨勢(shì)下對(duì)飛行器綜合性能的苛刻要求。 該作品飛機(jī)的方案有如下創(chuàng)新點(diǎn)：1 機(jī)體采用了由直紋曲面組成的八瓣形外殼，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為后面的控制原理奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；2 機(jī)體動(dòng)力采用了共軸反槳電機(jī)系統(tǒng)，避免了復(fù)雜的單槳或單風(fēng)扇狀態(tài)下的抗反扭矩機(jī)構(gòu)。3 在控制上，采用基于科恩達(dá)效應(yīng)的開(kāi)口式舵面，建立了與普通固定翼飛機(jī)相同的機(jī)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(yàn)證機(jī)，本項(xiàng)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(jì)，并且大量采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，使得全機(jī)的重量得以控制和優(yōu)化；5 采用簡(jiǎn)單高效的穩(wěn)定流場(chǎng)方案：共軸反槳加裝涵道用來(lái)約束空氣和抑制槳尖渦流，同時(shí)殼體表面安裝導(dǎo)流片用來(lái)穩(wěn)定機(jī)體表面的氣流流動(dòng)；6 本項(xiàng)目飛行器具有較好的航向安定性，飛行時(shí)只需要對(duì)縱向和橫向兩軸增穩(wěn)，簡(jiǎn)化了控制方案，降低了成本。 該作品飛機(jī)的幾個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 機(jī)體外切圓直徑： 0.75 m 機(jī)體高度： 0.44 m 機(jī)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(shí)間： 15 min
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 該作品的研究工作從氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等角度分為以下幾個(gè)方面： 1 研究項(xiàng)目飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行理論上的論證，并進(jìn)行試飛驗(yàn)證； 2 研究飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要設(shè)計(jì)主承力結(jié)構(gòu)和主傳力路線，保證抗拉、壓、彎、扭的強(qiáng)度，并在試飛中進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)； 3 研究新型飛行器的控制方案，調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)的程序，進(jìn)行試飛驗(yàn)證； 4 設(shè)計(jì)飛行器的增穩(wěn)方案，進(jìn)行試飛，評(píng)估增穩(wěn)效果； 5 開(kāi)發(fā)新型質(zhì)輕高強(qiáng)新材料在無(wú)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(chǔ)備； 6 學(xué)習(xí)并實(shí)踐三維數(shù)字一體化設(shè)計(jì)的理念，利用三維虛擬建模和裝配，實(shí)現(xiàn)全機(jī)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(shí)現(xiàn)較高的綜合性能要求，采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，較為方便地完成了全機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計(jì)工作；科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法、充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。驗(yàn)證試飛的結(jié)果證明，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案合理，飛行控制效率高，安全性好，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽中獲得創(chuàng)新獎(jiǎng)（校級(jí)）； 在第六屆首都“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 該作品采用的許多創(chuàng)新技術(shù)還需要進(jìn)一步深入地研究和驗(yàn)證，目前處于實(shí)驗(yàn)室階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 雙方合作，共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目采用的許多技術(shù)還未成熟，需要進(jìn)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(shí)物、模型、數(shù)字樣機(jī)、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像等。
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)
- 該作品圍繞簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用的設(shè)計(jì)原則，選用了基于科恩達(dá)效應(yīng)（附壁效應(yīng)）和共軸反槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)，較為方便地完成了全機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、重量控制與優(yōu)化、設(shè)備配置等設(shè)計(jì)工作；科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法、充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，保證了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。驗(yàn)證試飛的結(jié)果證明，該作品設(shè)計(jì)方案合理，飛行控制效率高，安全性好，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)人飛行器的需求量猛增，尤其是在防務(wù)、安保、探測(cè)與測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、電力巡航等領(lǐng)域，對(duì)無(wú)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(shí)現(xiàn)垂直起降，使用簡(jiǎn)單方便，安全性較好，適合作為任務(wù)飛行的平臺(tái)來(lái)使用。該飛行器在技術(shù)上功能擴(kuò)展性強(qiáng)，通過(guò)加裝不同的任務(wù)模塊來(lái)滿足不同領(lǐng)域任務(wù)的要求，具有較廣闊的市場(chǎng)及應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 當(dāng)前國(guó)外對(duì)此類科恩達(dá)效應(yīng)飛行器進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)不多，但也有十幾年的歷史，目前已有若干型號(hào)進(jìn)行了試飛驗(yàn)證；而國(guó)內(nèi)對(duì)科恩達(dá)效應(yīng)飛行器的研究很少，處于初始階段，本項(xiàng)目對(duì)此類飛行器的研究有助于這項(xiàng)新技術(shù)在國(guó)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(dá)效應(yīng)的飛行器方案主要有兩種： 1）以英國(guó)Aesir公司（前GFS Projects Limited）正在進(jìn)行試飛驗(yàn)證的一款基于科恩達(dá)效應(yīng)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為代表，通過(guò)風(fēng)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(dòng)力學(xué)家Naudin J.L研制的已成功試飛的科恩達(dá)效應(yīng)驗(yàn)證機(jī)及本項(xiàng)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(gè)桶形涵道和兩個(gè)直紋曲面機(jī)翼組成。在垂直起降飛行狀態(tài)，筒形涵道尾端封閉，風(fēng)扇吸入的空氣從涵道側(cè)上方的狹縫中噴出在弧形機(jī)翼表面，形成射流，氣流隨著殼體表面最終向下流動(dòng)，產(chǎn)生升力；在水平飛行狀態(tài)，筒形涵道尾端打開(kāi)，排出風(fēng)扇吸入的氣流，產(chǎn)生平飛所需的動(dòng)力，此時(shí)弧形機(jī)翼的作用與普通固定翼機(jī)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。
