专利优秀论文

“挑战杯”优秀作品展示——科技发明制作A类

作者: 西安建筑科技大学科技协会

项目名称：扇翼机

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：机械与控制

大类：科技发明制作A类

简介：

本作品设计了一种新概念扇翼飞行器——扇翼机，其飞行原理与现有固定翼、旋翼飞行器的原理不同，它是在机翼上表面安装横流风扇，利用风扇旋转时产生的升力和推力供给飞行器进行飞行。该飞行器具有超短距起降、大迎角不失速、操纵控制简单、低速飞行稳定性和安全性好等优点。它比直升机结构和操控系统简单，巡航效率高；比固定翼机起降距离短，低速飞行时有效载荷大，是一种性能介于直升机和固定翼机之间的新型飞行器。

详细介绍：

一、设计、发明目的：本作品是设计制造一种新概念新原理的飞行器――扇翼机。其基本布局是在固定翼飞行器机翼前缘的上表面装有横流风扇，利用横流风扇旋转时产生的升力和推力进行飞行。因此，我们把它称之为扇翼飞行器或扇翼机，是一种从原理到构型都具有创新意义的飞行器，与常见的固定翼、旋翼、扑翼飞行器有本质的区别。扇翼机在功能上的特点有：超短距起降（甚至可垂直起降）、大迎角飞行时不失速、结构和操控系统简单、低速飞行时载荷大、稳定性和安全性好等，特别适合低空低速飞行，以及在起降条件较差的地区使用。

扇翼机与直升机相比，结构和操控系统要简单得多，巡航效率高，没有直升机具有的气动、结构、气弹、飞控、振动、噪声等一系列十分复杂的问题，研制和使用维护成本小；它与固定翼机相比，起降距离短，大迎角及紊流飞行状态下不失速，有效载荷大，低空低速飞行时稳定性和安全性好。这是一种性能介于直升机和固定翼机之间的新型飞行器。由于这种飞行器在原理上的独创性，相关机构把其评为“自莱特兄弟发明飞机以来少数几个真正意义上的新型飞行器之一”，“具有革命性的意义”。通过设计制作该作品，进一步探索扇翼类飞行器的飞行原理、空气动力学性能、飞行力学和动力学特性，研究总体气动布局、结构设计、动力、传动、飞行控制等技术，从而掌握该类飞行器的基本原理和设计方法，形成具有自主知识产权的扇翼类飞行器的设计技术和能力。二、基本思路：在深入研究并掌握扇翼机的飞行原理和相关技术的基础上，结合当前的实际条件，进行作品的创新设计，包括扇翼机总体构型、动力装置和总体参数选择、系统总体布置、气动布局设计、气动性能和飞行特性计算，以及风洞试验验证等。根据设计、计算和试验结果，不断调整设计参数，优化总体设计方案。在总体方案确定后，进

行各分系统和相关部件的设计，以及样机各部件加工制作、总体装配、地面调试和飞行试验，完成项目研究。三、创新点：扇翼机是一种新原理新概念飞行器，具有多方面的创新点，主要表现在：1）系统创新扇翼飞行器是一种从原理到结构都有重要创新的飞行器，其整体结构简单，操控方便，载荷大，功能独特，优点突出，是一种新型的飞行器，具有整体系统上的创新意义。2）原理创新扇翼飞行器采用横流风扇提供升力和推力，其升力和推力的产生方式与固定翼、旋翼、扑翼飞行器升力和推力的产生方式都不同，因此，本飞行器在最基本的工作原理方面有所创新，这是一种机理方面的本质上的创新。3）构型创新基于扇翼飞行器的新型飞行原理，它在构型方面采用在固定翼飞行器机翼前缘上表面安装横流风扇的独特结构设计，其总体气动布局与固定翼、旋翼、扑翼飞行器的布局都不同。4）升力、推力控制技术创新扇翼机通过调节横流风扇的转速、机翼前缘进气口的角度、风扇的叶片数量、叶片的安装角等参数，实现对升力和推力的控制，这也与其它飞行器的控制方式有很大区别。5）设计和分析方法创新扇翼机具有独特的原理和结构，需要有其它飞行器不具备的创新设计技术和分析方法，如适合飞行器的高性能横流风扇设计技术，适合扇翼机横流风扇内、外部流场，以及与整机流场耦合问题的高精度分析方法等。6）本作品是我国首架成功进行了飞行试验的扇翼机。四、关键技术：扇翼机涉及总体、气动、结构、动力、传动、飞行控制等众多学科的关键技术，无论在理论分析还是在试验方面都存在一定的技术难度。根据最新研究分析，新概念扇翼机研制的关键技术主要有：1）扇翼机的总体布局及优化设计技术。扇翼机是一种新型飞行器，其总体构型与参数的选择，气动布局的确定，气动性能与飞行特性的分析计算，动力、传动、操控系统的设计等，决定了扇翼机的总体性能，是扇翼机最主要的关键技术。因此，本设计须根据实际需要，结合国内外的研究基础，初步确定系统平台的总体构型、参数和布局，通过理论分析和试验，对总体布局方案进行反复比较和优化设计。2）高性能横流风扇及扇翼设计技术。扇翼机靠横流风扇产生升力和推力，横流风扇的性能对扇翼机的飞行性能具有重要影响，高性能横流风扇设计技术，以及风扇与机翼组合的扇翼设计技术，直接决定了扇翼机的气动特性与飞行性能。因此，扇翼设计是扇翼机气动设计的关键技术。3）扇翼机分布式推力、涡升力及其控制技术。扇翼机依靠横流风扇产生分布式升力和推力，其升力的大部分又受风扇内部的偏心涡控制，因此，研究掌握偏心涡的强度和位置的变化规律，即偏心涡的控制技术，才能真正掌握扇翼机的飞行原理和核心技术。扇翼机偏心涡的强度和位置受风扇转速、来流、风扇叶片等众多因素影响，需要通过深入细致的理论和试验研究来解决。4）扇翼机的气动特性分析技术。扇翼机与其它飞行器的最大区别，在于升力和推力的形成机理不同，即升力和推力的产生方法与控制方式不同，因此，现有飞行器的气动特性分析方法不适合扇翼机，需要建立一套适合扇翼机横流风扇内外部流场和整机流场耦合问题的新的分析方法。5）扇翼机的飞行控制技术。尽管扇翼机和固定翼飞行器在总体构型上有较大的相似，在飞行操纵和控制部件及参数方面有多处相同，但因其升力和推力的产生、控制方式及变化规律不同，飞行环境也有差异，因此需要对扇翼飞行器的飞行力学规律、操纵和飞控系统的设计技术进行重新研究，以满足扇翼飞行器的需求。6）扇翼机试飞验证技术。任何具有实用意义的飞行器，都要经过长期反复严格的飞行试验，以确保其可用性和安全性。固定翼、旋翼类飞行器已经建立了一套严谨规范的试飞验证技术，而扇翼机在飞行试验方面的技术还是一个空白，需要在不断地探索过程中，建立一套科学严谨规范的扇翼机试

飞验证技术。如前所述，扇翼机是一种新概念新原理飞行器，在构型、原理、布局等方面与现有飞行器有很大不同，因此，本作品在设计、分析和制造方面，具有许多独特的技术和方法，主要体现在：1.独特的飞行原理扇翼机是通过安装在机翼前缘上表面的横流风扇提供升力和推力进行飞行。扇翼机升力由两部分组成：一部分是当风扇旋转时，机翼后半部分上下表面的流速不同，造成机翼上下表面的压力差，形成机翼的升力；另一部分是当风扇旋转时，在风扇内部产生一个很强的偏心旋涡低压区，使得机翼前半部分圆弧形区域的上下表面产生较大的压力差，形成更大部分的机翼升力。它的推力是当风扇旋转时，叶片对空气作用向后推出气流，形成向前的推力。由此看出，扇翼飞行器是一种与固定翼、旋翼、扑翼飞行器的工作原理都不同的新概念新原理飞行器。 2.独到的扇翼设计技术扇翼机主要靠风扇的旋转产生升力和推力，适合飞行器的高性能风扇以及风扇与机翼组合的扇翼设计技术，直接决定了扇翼机的气动特性与飞行性能，也是扇翼机独有的关键技术之一。影响扇翼性能的因素众多，如风扇的转速、风扇的直径、风扇与机翼凹面间的间隙、叶片的数量、叶片安装角、叶片弦长、叶片弧度、机翼后部上表面的倾斜角、机翼的形状、机翼的迎角等，我们经过计算分析，选择了一组较好的参数，进行了横流风扇和扇翼的组合设计。 3.创新的总体构型和气动布局设计扇翼机主要的升力和推力来源于复合式机翼结构，同时考虑到其低速大载荷的特点，需要对扇翼机各承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状进行设计。在总体构型方面，扇翼机采用了正常布局，即在机翼的前端沿展向布置横流风扇，并采用高平尾平衡风扇的扭矩。动力系统采用单台发动机驱动横流风扇以产生分布式推力和升力，操控系统与固定翼飞机相似，但副翼设计在扇翼的外侧，尾部安装平尾及双垂尾，用于保证扇翼机的稳定性。通过副翼、升降舵、方向舵以及控制风扇转速来实现扇翼机的操纵。起落架采用四点式布局。

4.独有的升力、推力控制技术扇翼机在机翼上表面的前缘安装横流风扇，依靠横流风扇的旋转，使得机翼上下表面的流速不同，并在风扇内部形成旋涡低压区，造成机翼上下表面的压力差，使得机翼获得升力和推力，推动飞行器飞行。研究发现，旋涡低压区所在的圆弧形机翼上下表面形成的压差力占了扇翼机升力的7 0%以上，同时旋涡低压区的强度和位置显著地影响了扇翼机升力、推力的大小和方向。此外影响旋涡强度和位置的因素包括：风扇的转速、叶片的安装角、机翼前缘的进气角度、叶片弦长、叶片数量等。因此我们可以通过控制风扇的转速、机翼前缘的进气角度、叶片安装角等因素来控制旋涡低压区域的强度和位置，从而实现对扇翼机升力、推力的控制，该项控制技术是扇翼机独有的技术。本团队在深入地研究扇翼机飞行原理的基础上，发展了这种全新的升力、推力的控制技术。

5.低速巡航时的大载荷特性由于扇翼机独特的飞行原理，使其在低速巡航飞行时具有比固定翼飞行器和直升机大得多的载荷性能。经详细的理论分析和实验研究发现，在低速飞行时，同样消耗100马力的功率，扇翼机的载荷大约是固定翼飞行器的2倍，是直升机的4倍。

6.低速飞行控制律设计扇翼机主要适合低空低速飞行，在这种状态下，固定翼飞行器的飞控系统，不适合扇翼机的飞控要求，因此必须针对扇翼机低空低速和大迎角状态下的飞行特点，研究开发扇翼机的飞控系统，这将填补国内的研究空白。

7.先进的气动特性分析方法由于扇翼机在飞行原理、总体构型、气动布局和结构方面的特殊性，现有飞行器的气动特性分析方法不适合扇翼机，需要建立一套能够处理扇翼机横流风扇内外部流场和整机流场耦合问题的数值分析方法。为此，我们根据扇翼机升力、推力和流场具有二维特性的特点，建立了基于计算流体动力学（CFD）技术的扇翼机气动

特性分析的数值计算模型。8.简洁的驱动和传动系统采用外转子无刷电机作为动力装置，通过传动轴、轴承、联轴器等部件驱动横流风扇，实现高效传动。固定轴承位置以保证两侧风轮的同轴度；使用联轴器实现扭矩从传动轴到风轮的传递；安装多个联轴器，均匀分布扭矩至两侧风轮，消除扭矩传递不均现象，减轻风轮变形以及振动。9.高效的操控系统操控系统布局与固定翼飞机相似，机翼外侧安装副翼，尾部安装平尾、垂尾、升降舵和方向舵。与固定翼飞机不同的是，操纵舵面的设计需要考虑扇翼机低速大载荷以及短距起降的特性，因此采用较大的操纵舵面，改善低速飞行时的操纵效率，此外扇翼机可以通过控制风扇的转速来控制升力和推力的大小。10.飞行试飞技术扇翼机是一种新概念新原理飞行器，现有飞行器的试飞技术不能完全适应扇翼机，特别是在升力、推力以及起飞降落的操控方面。但因扇翼机与固定翼飞机在操控方面总体上的相似性，在对扇翼机进行了大量的地面调试后，逐步掌握了横流风扇转速的调节规律，以及转速与起飞速度间的关系，实现了短距起飞；空中飞行时，通过操纵升降舵、方向舵和副翼，来改变扇翼机的飞行姿态和飞行轨迹；降落时，通过减小风扇转速，并配合操纵升降舵，保证扇翼机平稳降落。11.技术难点1）扇翼机的原理研究。由于该类飞行器是基于一种新的飞行原理，对其的认识和了解还非常肤浅，鉴于其比较复杂的复合式机翼升力推力系统结构，加上其风扇内部流场的旋涡结构和整体的内外部流场的耦合作用，给原理分析带来很大困难，需要建立一套合适的分析方法进行原理探索。2）扇翼机的升力推力控制技术。由于扇翼机的升力推力受旋翼转速、风扇尺寸、叶片数量等众多参数的影响，必须弄清各个参数对升力推力的影响规律，以及参数之间的相互影响规律，才能掌握对升力推力的控制技术，这需要做大量深入细致和系统的工作。3）高效的横流风扇和扇翼设计技术。风扇和扇翼直接决定了扇翼机的气动特性与飞行性能，扇翼组合设计技术是扇翼机独有的关键技术之一，该技术目前在国内还是空白，并且影响扇翼性能的因素众多，如风扇的转速、风扇的直径、风扇与机翼凹面间的间隙、叶片的数量、叶片安装角、叶片弦长、叶片弧度、机翼后部上表面的倾斜角、机翼的形状、机翼的迎角等，要在这众多的参数中选择一组合适的设计参数，是本设计的又一个技术难点。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

1.发明目的：通过设计制作扇翼机，可以对扇翼机的飞行原理、总体气动布局、空气动力学与飞行力学特性等方面进行探索和研究，从而掌握扇翼机的基本原理和设计方法，形成具有自主知识产权的扇翼类飞行器的设计技术和能力。

2.基本思路：在研究了扇翼机飞行原理的基础上，本团队进行了扇翼机总体和气动布局的初步设计，确定总体参数，建立数学模型，进行性能计算和风洞实验验证。根据计算和实验结果，调整设计参数，优化设计方案。在总体方案确定后，进行相关零部件和各分系统的设计，再进行各部件加工制作和总体装配，最后进行飞行试验，完成项目研究。

3.创新点：1)系统创新2)原理创新3)构型创新4)升力、推力控制技术创新5)设计和分析方法创新6)本作品是我国首架成功进行了飞行试验的扇翼机

4.关键技术：1)扇翼机的总体布局及优化设计技术。2)高性能横流风扇及扇翼设计技术。3)扇翼机分布式推力、涡升力及其控制技术。4)扇翼机的气动特性分析技术。5)扇翼机的飞行控制技术。6)扇翼机试飞验证技

术。5.主要技术指标：有效机翼展长：1m 空重：5kg 最大起飞重量：8kg 有效载荷：2kg 平飞速度：36km/h 起飞距离：小于5m。

科学性、先进性

一、独特的飞行原理扇翼机通过横流风扇的旋转产生升力和推力。二、独到的扇翼设计技术适合飞行器的高性能风扇以及风扇与机翼组合的扇翼设计技术，直接决定了扇翼机的气动特性与飞行性能。三、创新的总体构型和气动布局设计考虑到扇翼机低速大载荷的特点，需要对其各承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状进行设计。四、独有的升力、推力控制技术通过调节影响旋涡低压区强度和位置的参数可以显著地改变扇翼机升力、推力的大小和方向。五、低速巡航时的大载荷特性在低速飞行时，同样消耗100马力的功率，扇翼机的载荷大约是固定翼飞行器的2倍，是直升机的4倍。六、低速飞行控制律设计针对扇翼机低空低速和大迎角状态下的飞行特点，研发适合于扇翼机的飞控系统。七、先进的气动特性分析方法根据扇翼机的流场特性，建立了一套适合于扇翼机气动特性分析方法。

获奖情况及鉴定结果

获得大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛特等奖。

作品所处阶段

本作品处于中试阶段，已经完成了原理验证并实现飞行。

技术转让方式

技术转让或合作开发

作品可展示的形式

本作品可以通过图片和实物来展示它独特的外形。还可以通过飞行视频来展示它不同于传统飞行器的飞行原理。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

扇翼机具有超短距起降、大迎角不失速、操纵控制简单、噪声小、低空低速性能好、稳定性强等优点。与直升机比：1)机械结构简单2)操控系统简单3)效率高、噪声低、振动小4)稳定性好与固定翼飞机比：1)超短距起降，低速载荷大，稳定性好2)紊流及大迎角下无气流分离、不失速应用前景基于扇翼机超短距起降的特点，它可以在边疆、海岛、沙漠等起降条件不好的地方执行任务。同时扇翼机低空低速性能好、稳定性强以及安全性能好的优点可以使它成为一种高效实用的城市短途交通工具。此外，扇翼机还有更多的应用：1)城市监测2)农林作物病虫害防治3)消防4)无人机5)海上、陆上救援。

同类课题研究水平概述

国外研究情况：扇翼飞行器因其独特的飞行原理和飞行性能，受到了美国、英国、伊朗、以色列等国家的相关研究机构的关注。在美国NASA、英国SMART 等机构的资助下，英国的Imperial College、Kingston University、FanWing公司、美国的Syracuse University、Naval Postgraduate School、Propulsive Wing公司、伊朗的Iran University of Science and Technology等研究机构开展了扇翼类飞行器的原理、构型、气动特性、结构优化等多方面的理论和实验研究，并制造了原理样机。近年来，Joseph Kummer和Dang TQ提出了将横流风扇内置于厚机翼中后部，加上尾部导流片对流动的控制，可以获得分布式矢量推力和升力，发明了推进翼的新概念。2006年，Joseph Kummer等人在美国成立了Propulsive Wing, LLC公司，致力于新概念推进翼飞行器的研究，研制并成功试飞了两种形式的推进翼飞行器样机。随着CFD技术的发展，Kingsto n University的Deepthi D.等、Syracuse University的Joseph Kummer等、I ran University of Science and Technology的S.Askari等人对扇翼类飞行器的原理和性能，进行了基于CFD技术的分析研究，揭示了扇翼类飞行器的特殊机理，获得了改善飞行器性能和效率的方法，同时，Imperial College的Q. Ah ad等人还进行了扇翼类飞行器的实验和飞行仿真。总的说来，由于扇翼飞行器发明不久，对它的许多研究还处于起步阶段，需要在各方面做很多系统化的深入研究，以获得高性能高效率高可靠性和安全性的扇翼飞行器。国内研究情况：我国对于扇翼类飞行器的研究还刚刚起步，主要集中在高校和科研单位。对于扇翼类飞行器的研究正处于理论探索阶段。