本帖最后由 金色時(shí)代 于 2012-4-18 22:56 編輯 8 i X/ A% Z, D7 J, [! N- J- a" Y
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輪翼飛機(jī) 一、垂直起降與航程/航速的矛盾及現(xiàn)有解決方案： 眾所周知，直升飛機(jī)由于能垂直起降，使用方便靈活，但平飛時(shí)由于前行槳葉的激波失速和后行槳葉的氣流分離失速，使其平飛時(shí)耗油量大，航程較短，飛行速度慢，實(shí)用升限��；固定翼飛機(jī)平飛時(shí)耗油量小，航程較長，飛行速度快，實(shí)用升限大，但需昂貴的機(jī)場才能起降，使用不方便靈活。垂直起降與航程/航速的矛盾似乎難以調(diào)和，制造出一種既能象直升機(jī)那樣能方便垂直起降又能象固定翼飛機(jī)那樣能高效平飛的飛機(jī)是航空界的夢想。 為此人們制造出了直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的結(jié)合體――傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)，即美國的Ｖ－22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)。Ｖ－22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)不僅能垂直起降，而且航程是直升機(jī)的6倍，但由于傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)在傾轉(zhuǎn)旋翼時(shí)飛機(jī)重心會發(fā)生改變，使得Ｖ－22成為事故率最高的飛機(jī)（超過了直升機(jī)和固定翼飛機(jī)），其服役時(shí)間雖短但卻被多次停飛，高事故率現(xiàn)狀使傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)難以大規(guī)模應(yīng)用和普及，這也是除美國外其它國家未研制傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的原因。 高速直升機(jī)如美國的X2、歐洲的X3和俄羅斯的卡92仍是直升機(jī)的改進(jìn)版，由于巨大的旋翼阻力存在，無法在提高航程和航速上取得實(shí)質(zhì)性的突破。 上述解決方案都未逃脫旋翼的概念。 矢量推升的鷂式、雅克、F-35在垂直起降時(shí)耗油巨大，嚴(yán)重犧牲了飛機(jī)的滯空時(shí)間，經(jīng)濟(jì)和效能上十分不劃算，目前只部分用在有特殊要求的軍機(jī)上。 看來，要想真正解決垂直起降與航程/航速的矛盾必須從全新的概念出手才容易取得突破。 二、對蜂鳥懸停的研究： 蜂鳥能在空中自由起降、懸停、飛行。如果我們仔細(xì)觀察鳥類用翅膀產(chǎn)生升空或懸停的升力過程就會發(fā)現(xiàn)：鳥翅膀上下煽動時(shí)，通過向上煽動時(shí)（上行程）收折翅膀、向下煽動時(shí)（下行程）展開翅膀，來實(shí)現(xiàn)（達(dá)到）上下煽動時(shí)的迎風(fēng)面積不同,使向上煽動的風(fēng)阻力小于向下煽動的風(fēng)阻力，從而形成上下煽動的風(fēng)阻力差異，風(fēng)阻差異形成的差力就是鳥抵抗重力的升力。 蜂鳥翅膀以很高頻率上下煽動（７５次／分鐘），難以在煽動過程中收折翅膀，但翅膀上凸下凹的形狀使翅膀向上煽動時(shí)凸面迎風(fēng)阻力小、而在向下煽動時(shí)凹面迎風(fēng)阻力大（如圖1），在上下煽動時(shí)也會產(chǎn)生較小的風(fēng)阻差異，當(dāng)蜂鳥翅膀上下煽動頻率達(dá)到一個(gè)較高數(shù)值時(shí)，每一次上下煽動產(chǎn)生的較小風(fēng)阻差異，就會合成較大的風(fēng)阻差異，這個(gè)風(fēng)阻差異形成的差力就是蜂鳥升起和懸停在空中的升力。 同理，人類潛水時(shí)使用的腳蹼也是利用后蹬和收腿這個(gè)往返行程的水阻差異形成的差力來產(chǎn)生向前推進(jìn)力的。 這就是說，利用往返行程的流體阻力差異形成的差力來產(chǎn)生力是可行的。 如果人類要造出象蜂鳥那樣能垂直起降且姿態(tài)控制能力極高的飛行器，就要用機(jī)器來實(shí)現(xiàn)上述風(fēng)阻差異，即必須使上行程風(fēng)阻小于下行程風(fēng)阻，通過上下行程風(fēng)阻差力來產(chǎn)生垂直起降和懸停的升力。 三、輪翼的原理： 如圖2，一個(gè)輪翼實(shí)際上是由多個(gè)小機(jī)翼(子翼)組合而成的復(fù)合體，外形有點(diǎn)像收割機(jī)的撥禾輪，因工作時(shí)小機(jī)翼能像輪子一樣轉(zhuǎn)動，所以叫輪翼。它主要由子翼、子軸、輻條、主軸四個(gè)部件組成，以及配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)。主軸與子翼／子軸平行，輻條與主軸／子軸垂直。主軸可帶動整個(gè)輪翼轉(zhuǎn)動（公轉(zhuǎn)），子翼可繞子軸自轉(zhuǎn)，即子翼既可自轉(zhuǎn)又可公轉(zhuǎn)，用子翼自轉(zhuǎn)來控制公轉(zhuǎn)中的子翼攻角/傾角從而產(chǎn)生徑向力——這正是輪翼最巧妙之處。 通常輪翼象普通機(jī)翼那樣在機(jī)身兩側(cè)各安裝一個(gè)，輪翼的主軸連接機(jī)身，輪翼的主軸與飛機(jī)機(jī)身的中軸線垂直。 輪翼是用二個(gè)或二個(gè)以上的小機(jī)翼(子翼)均勻分布在公轉(zhuǎn)周園上，每個(gè)子翼的子軸（P1P2和P1’P2’）通過輻條（P1P1’和P2P2’）與輪翼的主軸（O1O3）相連, 子翼不僅可繞自身的軸（子軸）自轉(zhuǎn)，而且也可繞輪翼的主軸（中心軸）公轉(zhuǎn)。通過子翼繞自身的子軸自轉(zhuǎn)來控制公轉(zhuǎn)中的子翼攻角/傾角，就可實(shí)現(xiàn)上行程風(fēng)阻小于下行程風(fēng)阻，從而產(chǎn)生垂直起降和懸停的升力及前進(jìn)的推力；當(dāng)飛機(jī)需要平飛時(shí)將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)，此時(shí)利用飛機(jī)上的發(fā)動機(jī)推進(jìn)，就變成了固定翼飛機(jī)。由此可見輪翼飛機(jī)既具有類似直升機(jī)的垂直起降性能，又具有固定翼飛機(jī)的優(yōu)良平飛性能，不僅較好地解決了垂直起降與平飛航程/航速的矛盾，而且在垂直起降與平飛狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)不會改變飛機(jī)重心，同時(shí)還具有極高的機(jī)動性能（可輕易完成比超級眼鏡蛇動作更難的動作）。 注：下面說明輪翼的工作過程都是從圖2的綠箭頭方向觀察輪翼的。 四、簡單輪翼： 為了說明問題，先說簡單輪翼：如圖3是簡單輪翼側(cè)面視圖，主軸帶動輪翼反時(shí)針旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），其轉(zhuǎn)動角速度恒定是ω，同時(shí)子翼也以相同的角速度ω繞自身的子軸順時(shí)針自轉(zhuǎn)。由于每個(gè)子翼繞主軸公轉(zhuǎn)的角速度等于繞子軸自轉(zhuǎn)的角速度，即子翼從時(shí)鐘０點(diǎn)位置經(jīng)９點(diǎn)公轉(zhuǎn)至６點(diǎn)位置過程中子翼既公轉(zhuǎn)了180o又自轉(zhuǎn)180 o，因此子翼就會在公轉(zhuǎn)園周上所有位置形成凸面朝上凹面朝下的狀態(tài)，這樣子翼在公轉(zhuǎn)左半周以凹面朝下運(yùn)動風(fēng)阻大（類似蜂鳥翅膀向下煽動時(shí)凹面迎風(fēng)阻力大）、而在公轉(zhuǎn)右半周以凸面朝上運(yùn)動風(fēng)阻小（類似蜂鳥翅膀向上煽動時(shí)凸面迎風(fēng)阻力�。�，即一個(gè)子翼轉(zhuǎn)動一周會產(chǎn)生一個(gè)向上的風(fēng)阻差力，這個(gè)力雖然較小，但輪翼高速轉(zhuǎn)動時(shí)這個(gè)差力就會變大。這就象直升機(jī)的旋翼低速轉(zhuǎn)動時(shí)升力很小，但高速轉(zhuǎn)動時(shí)升力就會變很大一樣。 通過分析簡單輪翼的工作原理，我們很明晰地看到輪翼確實(shí)能產(chǎn)生升力（其實(shí)可在任何徑向產(chǎn)生推力），不要小看這點(diǎn)，它意味著人類已突破旋翼的概念框架，輪翼這種新概念工作原理有可能引發(fā)一場航空變革。 五、輪翼直升機(jī)： 簡單輪翼和旋翼一樣能通過不停的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生升力，用簡單輪翼可制造出一種新式“輪翼直升機(jī)”：在機(jī)身兩側(cè)縱向安置兩個(gè)（或多個(gè)）簡單輪翼，它的主軸和子翼與飛機(jī)機(jī)身的中軸線平行（如圖11），當(dāng)機(jī)身兩側(cè)兩個(gè)簡單輪翼互為反方向轉(zhuǎn)動時(shí)就會如圖3那樣產(chǎn)生升力，并由推進(jìn)器（如螺旋槳）推動前進(jìn)；通過對兩側(cè)兩個(gè)輪翼的轉(zhuǎn)速及子翼傾角的調(diào)節(jié)可獲得超凡機(jī)動性。 由于新式“輪翼直升機(jī)”的旋轉(zhuǎn)面緊湊，展開面積小，無前行槳葉的激波失速和后行槳葉的氣流分離失速，所以飛行阻力比普通直升機(jī)小、速度和航程更大、站地面積更小（非常適用于艦船上）、機(jī)動能力更強(qiáng)，飛行性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通直升機(jī)。 六、比較復(fù)雜的輪翼：具有直升能力的固定翼飛機(jī) 簡單輪翼制作的“輪翼直升機(jī)”和旋翼一樣只能通過不停的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生升力，盡管飛行性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通直升機(jī)。它仍不是我們的追求目標(biāo)，下面我們來了解一個(gè)比較復(fù)雜輪翼。 這種比較復(fù)雜輪翼是在飛機(jī)兩側(cè)對稱安置輪翼，輪翼的主軸和子翼與飛機(jī)機(jī)身的中軸線垂直（如圖2），它的子翼采用的是下翼面凹進(jìn)的機(jī)翼——勺狀機(jī)翼，很多年前人們就認(rèn)識到產(chǎn)生最大升力的最有效率的機(jī)翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機(jī)翼，早期的固定翼飛機(jī)飛行速度較慢，為獲得更大升力許多飛機(jī)就是采用這種勺狀機(jī)翼。子翼采用勺狀機(jī)翼后，當(dāng)子翼的自轉(zhuǎn)角速度與公轉(zhuǎn)角速度相等時(shí)子翼在公轉(zhuǎn)周上就會形成圖4的姿態(tài)，由于凹形迎風(fēng)面的風(fēng)阻力大，凸形迎風(fēng)面的風(fēng)阻力小，凹凸形迎風(fēng)面的風(fēng)阻力有差別，子翼從12點(diǎn)→9點(diǎn)→6點(diǎn)段（下行程）的風(fēng)阻大于6點(diǎn)→3點(diǎn)→0點(diǎn)段（上行程）的風(fēng)阻，輪翼獲得風(fēng)阻差的合力向上，提高公轉(zhuǎn)速度可使風(fēng)阻差的合力增大，這個(gè)力就是可使飛機(jī)垂直起降和懸停在空中的升力。當(dāng)飛機(jī)升到一定高度后，開動推進(jìn)發(fā)動機(jī)使飛機(jī)平飛，平飛速度足夠大時(shí)子翼按序停止公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)（如圖5），即成固定翼飛機(jī)平飛，這時(shí)輪翼飛機(jī)如同一架雙翼飛機(jī)，飛行時(shí)阻力與固定雙翼飛機(jī)相近，其速度和航程比直升機(jī)大許多，且具有垂直起降能力。 從平飛轉(zhuǎn)入垂直降落的過程則是其逆過程。 七、實(shí)用的輪翼結(jié)構(gòu)和工作方式： 實(shí)用的輪翼如圖2，包括：主軸O1O3、輻條P1P1’和P2P2’、子軸P1P2和P1’P2’、子翼和驅(qū)動控制系統(tǒng)。主軸連接機(jī)身和輪翼，并可由帶動整個(gè)輪翼繞主軸旋轉(zhuǎn)（即公轉(zhuǎn)）；輻條(板)連接主軸和子軸；子翼可繞子軸旋轉(zhuǎn)（即自轉(zhuǎn)），輪翼的這種結(jié)構(gòu)使子翼既可自轉(zhuǎn)又可公轉(zhuǎn)。 輪翼的工作方式按子翼運(yùn)轉(zhuǎn)方式可分為： （１）單向轉(zhuǎn)動方式――每一次公轉(zhuǎn)子翼的排向是固定的，如圖6； （２）雙向轉(zhuǎn)動方式――奇次公轉(zhuǎn)與偶次公轉(zhuǎn)子翼的排向是相反的，如圖7，黑色實(shí)線是奇次公轉(zhuǎn)的子翼，紅色虛線偶次公轉(zhuǎn)的子翼。 雙向轉(zhuǎn)動方式論述篇幅較長，這里重點(diǎn)分析單向轉(zhuǎn)動工作方式，為了便于描述，假設(shè)公轉(zhuǎn)逆時(shí)針，將公轉(zhuǎn)一周按時(shí)針表盤分別設(shè)定幾個(gè)位置：0∶00(0點(diǎn))、1∶30(1點(diǎn)半)、3∶00(3點(diǎn))、4∶30(4點(diǎn)半)、6∶00(6點(diǎn))、7∶30(7點(diǎn)半)、9∶00(9點(diǎn))、10∶30(10點(diǎn)半)，共八個(gè)位置（如圖6）。下面分別說明輪翼飛機(jī)從垂直起飛到平飛的工作過程。 1、垂直起飛/降落過程： 圖6是輪翼側(cè)面視圖，主軸帶動輪翼反時(shí)針旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），其轉(zhuǎn)動角速度恒定是ω： （1）在0∶00→9∶00→6∶00段，子翼弦線水平地從0∶00位置開始以角速度ω繞自身的子軸順時(shí)針自轉(zhuǎn)，由于子翼以相同的角速度ω既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，使子翼弦線始終保持水平，從而使子翼在0∶00→9∶00→6∶00段公轉(zhuǎn)中因迎風(fēng)面積大造成風(fēng)阻力較大，根據(jù)作用力和反作用力原理，子翼會受到一個(gè)較大的反作用力F1，且其方向垂直向上。 （2）、在6∶00→4∶30段子翼以4ω的角速度逆（或順）時(shí)針自轉(zhuǎn)，在4∶30位置子翼弦線與公轉(zhuǎn)圓周切線平行。 （3）、在4∶30→3∶00→0∶00段子翼不自轉(zhuǎn)只公轉(zhuǎn)，子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持平行，使子翼在這段公轉(zhuǎn)中因迎風(fēng)面積小造成風(fēng)阻力較小，根據(jù)作用力和反作用力原理，子翼會受到一個(gè)較小的反作用力F2，且其方向垂直向下。 由于子翼在0∶00→9∶00→6∶00段產(chǎn)生的風(fēng)阻反作用力F1大于在4∶30→3∶00→0∶00段產(chǎn)生的風(fēng)阻反作用力F2，兩力的差F1－F2就是輪翼獲得的升力。 （4）形象地說：子翼在0∶00→9∶00→6∶00段如同蜂鳥翅膀向下煽動（產(chǎn)生較大的風(fēng)阻），而子翼在6∶00→3∶00→0∶00段如同蜂鳥翅膀向上煽動（產(chǎn)生較小的風(fēng)阻）——這就是輪翼能象鳥類翅膀那樣獲得的升力的原因。 圖7則是雙向轉(zhuǎn)動方式垂直起飛/降落過程示意圖，子翼在6∶00→3∶00→0∶00段不自轉(zhuǎn)只公轉(zhuǎn)，子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持平行，使子翼在這半周段公轉(zhuǎn)中因迎風(fēng)面積小造成風(fēng)阻力小于另半周，從而產(chǎn)生差力使輪翼獲得升力。 2、垂直起飛過渡成平飛過程： 當(dāng)飛機(jī)升到空中后，讓子翼在9∶00→6∶00段停止自轉(zhuǎn)，使子翼弦線始終與公轉(zhuǎn)圓周切線保持垂直，其余各公轉(zhuǎn)段仍按上述垂直起飛過程方式運(yùn)行，這時(shí)就會形成如圖8的運(yùn)行方式，此時(shí)子翼在0∶00→9∶00→6∶00段的風(fēng)阻大于子翼在6∶00→3∶00→0∶00段產(chǎn)生的風(fēng)阻，子翼仍產(chǎn)生升力，同時(shí)在9∶00→6∶00段子翼以最大面積向后滑動又會產(chǎn)生向前的推力，這樣輪翼獲得升力的同時(shí)又獲得了向前的推力，配合啟動推進(jìn)發(fā)動機(jī)就可完成從垂直起飛過渡成平飛過程，還可用于短距滑跑起降。當(dāng)然也可以完成懸停倒飛等懸停平移動作（這在艦船上降落時(shí)很重要）。 3、平飛過程： 在前面“四、簡單輪翼”一節(jié)說了，當(dāng)子翼以和公轉(zhuǎn)相同的角速度ω繞自身的子軸自轉(zhuǎn)時(shí)，子翼的弦線始終保持水平（即與飛機(jī)機(jī)身的中軸線平行）。當(dāng)輪翼飛機(jī)平飛速度達(dá)到較大時(shí)，讓子翼的自轉(zhuǎn)角速度與輪翼公轉(zhuǎn)角速度相同（都是ω），使子翼的弦線始終保持水平，并逐步降低ω，最后停止自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)（圖5）平飛，即成固翼飛機(jī)。而從平飛狀態(tài)轉(zhuǎn)入垂直起降則是其逆過程。 通過在公轉(zhuǎn)周上不同位置調(diào)整子翼的方向（子翼公轉(zhuǎn)的攻角）來控制子翼公轉(zhuǎn)風(fēng)阻的大小，可以使一個(gè)公轉(zhuǎn)周中的“半周風(fēng)阻”大于另一“半周風(fēng)阻”，這個(gè)風(fēng)阻差所產(chǎn)生的力就是“輪翼力”， “輪翼力”可在輪翼公轉(zhuǎn)周半徑的任意方向產(chǎn)生推力，它不僅可用于產(chǎn)生垂直起降的升力，而且可使飛機(jī)具備超級機(jī)動性能，如０半徑轉(zhuǎn)彎、０半徑翻筋斗、倒掛懸停／倒飛、翻身懸停／倒飛等等，用輪翼飛機(jī)做眼鏡蛇或超級眼鏡蛇飛行動作易如反掌。可以說輪翼飛機(jī)的超級機(jī)動性能超過了任何人造飛行器及自然界的鳥和昆蟲。 當(dāng)飛機(jī)打開推進(jìn)發(fā)動機(jī)平飛時(shí)，將子翼的弦線鎖定至水平狀態(tài)即成固定翼飛機(jī)。此時(shí)可根據(jù)需要將子軸固定在０－６點(diǎn)鐘位置、３－９點(diǎn)鐘位置或其它位置。若將兩個(gè)子翼固定在10－4點(diǎn)鐘位置時(shí)，前面子翼還能對后面的子翼產(chǎn)生誘導(dǎo)升力（和鴨式前翼類似）。由于子翼的攻角可人為調(diào)節(jié)，平飛時(shí)通過調(diào)節(jié)子翼的攻角可獲得一些額外性能，如大升力、抗失速、急升急降、急剎車等等。所以說輪翼飛機(jī)解決了垂直起降和高效平飛的矛盾，同時(shí)還有超高機(jī)動性能。 通過在子翼內(nèi)腔內(nèi)裝入精密控制電機(jī)或電動機(jī)構(gòu)來控制子翼的自轉(zhuǎn)，此時(shí)子軸是電機(jī)定子、子翼是電機(jī)轉(zhuǎn)子。也可通過偏心隨轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或滑盤來控制子翼的自轉(zhuǎn)。主軸公轉(zhuǎn)由機(jī)上發(fā)動機(jī)動力或電機(jī)驅(qū)動。 八、輪翼飛機(jī)整體布局和變形： 輪翼工作時(shí)會產(chǎn)生力矩，為抗衡這個(gè)力矩，可設(shè)涵道式尾漿，水平放置在機(jī)尾或雙尾垂翼之間，涵道由柵片開閉（如圖9）。還可讓左右輪翼公轉(zhuǎn)互相反轉(zhuǎn)來抗衡力矩；或?qū)蝹?cè)輪翼共軸反轉(zhuǎn)來抗衡力矩（如圖10）。 為了減少平飛時(shí)的阻力，可對主軸外包翼形整流外殼。對輻條和子軸的強(qiáng)度進(jìn)行提高后，可取消與子軸平行部分的主軸（即圖2中O2至O3部分的主軸），成為“無軸輪翼”，這樣可減少平飛時(shí)的阻力。此外輻條可以作成能伸縮式的，這樣在垂直起降公轉(zhuǎn)時(shí)適當(dāng)伸長，而在平飛時(shí)縮短。 九、性能描述： （１）垂直／短距起降+大航程。 （２）超凡機(jī)動性，如可完成倒立懸停、翻身倒飛、零半徑機(jī)動等。 （３）實(shí)用升限和航程都較大，在軍民領(lǐng)域：如空運(yùn)／艦艇／航母／西藏／南海／無人機(jī)/特種作戰(zhàn)等領(lǐng)域有廣泛用途。 比如我國的航母采用滑躍起飛方式，不能起飛較重的預(yù)警機(jī)、加油機(jī)和電子戰(zhàn)飛機(jī)，而這些飛機(jī)卻是航母最重要的力量倍增器，向美國采購彈射器難度極高，在這種情況下采用輪翼飛機(jī)制作預(yù)警機(jī)、加油機(jī)和電子戰(zhàn)飛機(jī)是不錯(cuò)的選擇。; V1 ]1 y/ ^3 ?! w' Z4 `
在南沙群島有豐富的石油資源，但距我國本土距離較運(yùn)，普通直升機(jī)航程不夠，固定翼飛機(jī)航程夠又無法起降，這是我國開發(fā)南沙群島石油資源滯后的原因。輪翼飛機(jī)航程大又能垂直起降，可用于南沙群島石油資源的開發(fā)。 十、無人機(jī)采用輪翼有很多明顯好處，例如普通無人機(jī)采用的滑降、傘降和網(wǎng)降等降落方式很難在艦艇上完成，這也是無人機(jī)在艦艇上應(yīng)用不廣泛的原因，而輪翼飛機(jī)所具有的垂直起降性能可很好解決這些問題，從而可達(dá)到力量倍增的效果。 （李劍） | 
發(fā)表于 2012-4-18 22:54:10
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