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蝼蚁宣言

一百多年以前,美国伟大的发明家莱特兄弟让人们真正地飞翔蓝天,开创了一个崭新的航空时代。但这种滑跑式的飞行并非真正的自由飞行,跑道对于飞机来说就像水对鱼儿那般重要,是挚友也是枷锁。为了摆脱跑道的束缚,直升机出现了,可它只能说在天空爬行,于是人们开始了飞机垂直起降的探索。半个多世纪的实践只有昙花一现的雅克,鸡肋的鹞式和难产的F-35B.

飞行器的垂直起降之路究竟在哪?在中国!!飞机和直升机的老祖宗在中国,没有谁比历史悠久的中华民族更懂得飞行的真谛,那就是借助空气动力的升力风扇。今天,我,一个出身卑微的中国人,设计了一种非传统的强力风扇,能让飞机像孙悟空那样腾云驾雾,拔地而起。当然,今天或明天,你还可能有更好的方法让山不再崎岖,水不再宽阔,路不现遥远,全民航空就像家家户户的摩托车那样方便…,愿世界因新的航空时代的到来而更美好!

一、传统垂直起降失败的简析:

英国的鹞式、俄罗斯的雅克38/41和F-35B的尾喷采用喷气的反作用力获取升力进行垂直起降是有局限的,因为你要产生多大的升力(反作用力)就得有多大的作用力。也就是说,飞机重30吨,那么发动机就得产生30吨作用力向下喷出,产生同样大小的反作用力为升力让重30吨的飞机垂直起降。而这个喷气的作用力的大小又与喷口面积与气流速度有关,发动机的喷口不能太大,但喷口越小气流速度就得越快,这就会严重消耗燃油,起飞后作战半径就太短。喷气速度太快,高温来不及下降,对地面或舰船的甲板烧蚀严重,吸气和喷气的过快也带来巨大的噪音。高温的气体从发动机喷口喷出,到达地面后便向外扩散就在机体下方形成低压区而把飞机牢牢“吸住”,这曾在雅克身上是有教训的。

二、垂直起降未来的方向:

飞机和直升机这两种成熟的飞行器实际上已经给了我们很好地启示,这就是利用直升机的原地获取升力原理进行垂直起降,利用飞机的平移升力原理高速平飞。飞机和直升机的飞行大部分是依赖空气动力的,也就是依赖大气分子运动产生的大气压力的。飞机的机翼面积巨大,所以对大气压力的利用较好,它的飞行最经济。而直升机的飞行可能空气动力和反作用力都会用到,另外它的旋翼面积太小,所以它就比飞机的经济性差些。但它给人们很好地启示,这就是类似旋翼的风扇也能应用在飞机上,利用它的空气动力进行垂直起降,比喷气的反作用力要好得多,因为本来垂直起降就在接近地面的空间,这个地方的大气条件相对较好些,更有利于大气压力的应用。可升力风扇是不能采用传统的风扇形式,因为传统的风扇的效率太低,必须对传统风扇进行改进,提高空气的通透率。还要注意的问题是改进的升力风扇得超薄,这样就能很好地埋植在机翼中。

三、超薄横向分级式强力风扇

(一)、传统风扇的简析:

传统的风扇结构简单,便于制造,但存在许多不足之外,主要是效率低下,我从三方面来解读传统风扇的缺点,这就是旋转线速度效率低下和圆形面结构效率低下,再就是安装结构上的安全可靠性差。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

1、旋转线速度效率低下:

我们现在一般的风扇不论是电风扇还是排气扇等,乃至飞机F-35B(是纵向二级)或涡扇喷气发动机的风扇都一样的,多采用横向单级扇叶(如上图,在同一半径内扇叶从圆心到边缘只是一个整片)的风扇。这样的风扇结构简单,但无论大小,它简单的一级结构效率是低下的,主要原因就是与平移运动相比,旋转这种特殊方式引起扇叶各部分线速度不同造成的。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

见上图,每一片扇叶绕O点旋转,由于半径的关系,扇叶外缘旋转一周所经过长度是2∏r,线速度最快;而扇叶中间旋转一周所经过长度是∏r,相同时间内速度比扇叶尖的慢一半;此时圆心“O”点旋转一周所经过长度几乎为0,根本起不了什么作用。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

所以在同样转速下,半径越大,线速度就越大,向后排出(扇动)的气体效果就越好,效率也就越高;半径越小,线速度就越小,向后排出的气体效果就越差,效率也就越低(如上图,直到圆心的0为止)。

2、圆形面结构效率低下。

我们来看看以通用电气研制的 XV-5 垂直起落研究机的升力风扇或电扇、涡轮风扇等为代表的传统风扇,由于风扇是个圆形,半径指向圆心,所以直观上看就是每片扇叶根与圆心相连,梢向四周辐射。相邻的两片扇叶根汇集到圆心相连,梢以一定夹角(如有n片扇叶,那么夹角是360o÷n)辐射出去,其现象是越到扇叶梢越宽。所以最后整个扇叶形成的结果就是越到圆心扇叶越密,越到四周扇叶就越稀,中心密的地方扇叶挤在一起,线速度也慢,产生的升力也小;四周稀的地方扇叶又不能有效的覆盖其面积,线速度高但面积小,同样效率也打折扣。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

观察上图,我们再作分析。由于中心的线速度低下,效率最低,并且扇叶太密,所以大部分的风扇设计是舍弃这部分面积,用一个较大的盘架代替,好安装扇叶。那这就有几点得不偿失了,一就是白白地浪费了这部分圆心的面积;二就是这个盘架在会对空气产生不小的阻力,影响排气效果;三是扇叶片必须有较大的扭曲。

3、传统风扇的结构上安全可靠性差。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

我们可以看看像涡扇发动机上高速旋转的风扇,特别是大涵道比的民用客机或军用运输机上涡扇发动机的风扇,长长的扇叶在高速旋转时会产生很大的离心力,这就会产生在强离心力的作用下向四周断裂飞溅危险。造成这种问题的原因是传统风扇是“拉”扇叶的结构形式,也就是扇叶的固定支撑点在扇叶的根部,这样在扇叶旋转时扇叶盘得“拽”着扇叶,一旦“拽”不住那就危险了。

综上所述,只有一级扇叶传统风扇不能很好地利用本身与空气有效的相对作用面积,排气效率低下,风力和风量都不足,产生的升力或推力不高,可靠性不高,所以传统的风扇必须进行改革。

(二)、风扇革命:超薄横向多级式强力风扇

由于风扇的用途不同,风扇的扇叶结构可能不同,如升力型(垂直起降飞机的升力风扇)的或风量型(如涡扇发动机风扇或风洞风扇)的,有的扇叶需要转角,有的不需要,但总的结构不变,都是利用环形分级的原理,下面的介绍的图片主要以升力型风扇为主。

1、原理简介:

从以上的分析可以看出,传统扇叶在转动一周的情况下扇叶每部分的线速度是不同的,外缘快圆心慢。如果每片扇叶的每处部位线速度一样,效率就高了,可是这在一整片扇叶中是不可能实现的。但我们可以把从扇叶尖到扇叶根的扇叶分成环形几部分(级),如下图,

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

控制每部分(级)外缘的线速度都相同,这样就能达到在横向上整个扇叶有效作用面内从圆心到边缘的线速度比较均匀的效果,提高了风扇与空气相对作用面积有利用率,加大了向后的排气量,也就是提高了风扇推动效率(如下图三级扇叶)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

横向分级式强力风扇克服了传统风扇的不足,一是叶片分级旋转,让风扇半径每一处叶片的旋转速度相差不大,力量均匀地;二是每一层级的叶片大小差不多,但数量是不同的,密集覆盖在整个风扇的每一处,这样的设计能使空气向下均匀扇出,不至于出现像传统风扇那样的越到根部越弱的现象,同时也不会出现像传统风扇那样气流回窜到风扇上方的现象(如下图)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

由于我们的设想是让风扇尽量产生强大的空气压差,而不是强大的反作用力,所以风扇的叶片可以采用小叶片,这样风扇可以做得超薄,所以可以埋植在飞机的机翼中,再给扇叶加上百叶窗(如下图)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

这样,本强力风扇在高速旋转时把每个小扇叶片上方的空气迅速扇动到下方而不会回窜,这样风扇上方的空气量迅速减少,风扇下方的空气量迅速增加,在整个风扇的上方形成了个低压区,而在风扇下方形成了高于正常气压的高压区,这一高一低,相加的压差效果就非常明显了,所以就形成了强大的升力。举例说理想状态下,风扇旋转时上方的气压减小到周围大气压的一半,而风扇下方的气压增加到周围大气压的一半,那么整个风扇就得到了与周围大气压相同的压力,这是非常可观的。比方说一平方米的风扇在近地面的大气中调整上下压差达一个大气压,就会产生近10吨的升力,那么两个直径1.6米的风扇就可以实现近三四十吨重型战机的垂直起降。

2、结构说明:

横向多级式强力风扇从直观上看就像一个小风扇外边套着几层环形扇叶圈,再用一根传动轴上的几个齿轮以相同的速度分别驱动每一层的环形扇叶圈,下面具体介绍一下。

(1)、总体结构

具体设想是把风扇扇叶设计成几级(部分),视情况而定,一般为三级或以上,相应级的扇叶组成环形扇叶圈。对这几个层级的环形扇叶圈进行不同的转数驱动,以达到每级扇叶圈外缘(径)线速度的一致。在实际中最外一级扇叶转数少一些,因为这一级的半径最大;那么中间几级扇叶的半径稍小所以转数要逐渐多一些;而最内一级扇叶的转数最多,因为这一级的半径最小。通过这样调节,使每一级的环形扇叶圈外缘的线速度都一样,整个风扇的排气效果就比较均匀了。

在横向多级式强力风扇设计中,风扇扇叶分得越细,层级(环形扇叶圈)越多,线速度就越均匀,效率就越高。但层级(环形扇叶圈)数不是越多越好,要有个综合的尺度。分级多了,每级的非扇叶部分(轴承、齿轮、支架等)会占用有效空间,减少通气面积,结构更复杂,同时安全可靠性也会下降。

每级扇叶的所占半径R的长度一般根据面积平均的原则,也就是每一级环形扇叶圈(当然第一级实际上就是个圆形小风扇,而再往外才是环形扇叶圈)的面积大小基本相等。根据这一原则每级扇叶的所占半径的长度是不同的,我们知道半径的变化与线速度成比例变化,但与面积却是平方倍的变化,如最外级扇叶所占半径的长度最短,越往内每级的扇叶所占半径的长度越长。比如(以下数据是我用土办法计算的,可能不太精确),半径为R,那么面积为∏R²,那么扇叶分三级每级扇叶的面积为∏R²/3,这时从外向内每级扇叶所占半径的比为 1:1.31:3.15;扇叶分四级那么每级扇叶的面积为∏R²/4,这时从外向内每级扇叶所占半径的比为 1:1.17 :1.54 :3.70 ;扇叶分五级那么每级扇叶的面积为∏R²/5,这时从外向内每级扇叶所占半径的比为 1:1.13 :1.34 :1.74 R:4.23;扇叶分六级……。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

见上图,这是四级扇叶的风扇,由于扇叶是横向分层级布局的,一般所有级环形扇叶圈的每片扇叶的最外缘弦宽都一致(这样整个风扇可以做的厚薄一致),所以每一级环形扇叶圈的扇叶片数量是不相同的,最外层级的扇叶片数量多,越往内越少。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

每一级之间有安装“环形扇叶圈支架”,这个支架来固定环形扇叶圈上的轴承齿轮,让环形扇叶圈能稳定地在其位置上旋转,如上图四个红圈所示。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

每一级扇叶圈的齿轮轴承安装在支架上,在“扇叶轴承”上安装有“从动齿轮”,它受同一个传动轴上的主动齿轮的驱动。整个支架又用“升力风扇支架横梁” (如上图,垂直起降飞机上用)串接起来顺着飞机机身方向安装,这样顺风,阻力小(百叶窗的叶片也顺向安装)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

“升力风扇支架横梁”还可以从中心向四周辐射安装(如上图,改进型涡扇发动机用)。

每级环形扇叶圈上的从动齿轮与传动轴上的驱动齿轮要加上防尘润滑罩(图这里没有画出),防止灰尘的进入影响齿轮的寿命,并能更好地起到润滑作用。

(2)、具体结构分析:

横向多级式强力风扇根据用途的不同,扇叶的结构形状也不相同。如下图,升力型的风扇扇叶呈楔形上凸下平的形状,扇叶角度最好可调节;而风量型的发动机风扇的扇叶一般是较薄的扭曲片状,扇叶角度一般是固定的。同时,每级扇叶圈驱动形式也不相同,有内驱式,外驱式和混合式。像升力风扇一般用驱动转数较高的外驱式,改进型涡扇发动机的风扇一般用内个混合式驱动,而一般不单独用内驱式的驱动。

①、外驱式的升力型横向多级式强力风扇:

扇叶结构:

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

这种强力风扇的每片扇叶结构基本相同,都是由“扇叶叶片”、“扇叶转角轴”、“扇叶转角控制连杆”等组成。每片扇叶叶片都安装在扇叶转角轴上,都可以围绕“扇叶叶片自转轴”进行一定角度的转角(迎角,如左下图)。扇叶的形状像飞机的机翼(或直升机的旋翼)那样上凸下平楔子状,有利于升力的产生,再加上一定的迎角,旋转时会产生强大的升力,就达到了足以使飞机垂直飞起来的力量。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

每一级的扇叶叶片通过扇叶转角轴固定在“扇叶轴承齿轮”内侧(左上图),与传统风扇相反,多个扇叶叶片形成向内辐射的一圈扇叶,也就是“环形扇叶圈”(如右上图),多个环形扇叶圈与支架及横梁、驱动轴等共同组成了横向分级式强力风扇。每片扇叶上的“扇叶转角控制连杆”与“扇叶轴承齿轮”内侧的“扇叶转角控制环”相连,“扇叶转角控制环”与扇叶齿轮轴承一起旋转,能上下滑动控制每片扇叶迎角的变化(左上图与左下图)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

驱动形式:

驱动扇叶进行旋转的可以用传动轴齿轮等,也可以用高压气驱动式,我这里设计是传动轴驱动式,在每级扇叶圈的外缘进行驱动,故称为“外驱式”。外驱式的扇叶转角轴、控制连杆和控制环等安装在每片扇叶的外缘上,在扇叶轴承齿轮、扇叶支架的内侧,扇叶片内缘指向圆心,向内辐射(如下图)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

由于我们的目的是让每一级的扇叶的外缘线速度一样,所以我们用一根传动轴固定上四个齿轮(如右上图),那么这四个驱动齿轮的转速就都相同,这样对每一级扇叶外缘的驱动效果都相同,传动轴四个驱动齿轮以同样的转数驱动就可以实现每一级的扇叶的外缘线速度的相同了。

②、内驱式的升力型横向多级式强力风扇:

扇叶结构:

这种形式的风扇结构与外驱式基本相同,只是安装方向(位置)相反,也就是与传统风扇的安装形式一样。内驱式的每一级扇叶叶片通过“扇叶转角轴”固定在“扇叶轴承齿轮”及支架的外侧(如下图),扇叶片转角轴、控制连杆和控制环等安装在每片扇叶的内缘上(见下图),与传统风扇相同,形成向外辐射的一圈扇叶。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

驱动形式:

这种形式的风扇由于是在每级扇叶圈的内缘进行驱动,故称为“内驱式”。“内驱式”传动轴驱动扇叶内缘旋转,由于半径的不同,扇叶旋转驱动轴就得按一定的转数比对每级环形风扇圈分别驱动,所以得设计像钟表的时分秒针那样的驱动套管轴,发动机得经过变速器输出不同的变速比后分别通过驱动套管轴驱动每一级环形扇叶圈,以达到每级扇叶圈边缘线速度的相同。

③、混合式的横向多级式强力风扇

所谓混合式的强力风扇就是把内驱式和外驱的驱动方式结合起来,主要有两种,下面一一介绍。

第一种:混合式的风量型涡扇发动机风扇:

扇叶结构:

应用了分级式强力风扇的涡扇发动机的风扇主要是要求有较大的进气量,所以对风量的较大的要求,这样就得像传统风扇那样的薄叶片状,并且有一定的弯曲扭曲,以尽最大的加大通气量(如下图)。另外,发动机始终在工作,为了加强安全可靠性和降低成本,扇叶也取消扇叶片的转角机构,扇叶片直接固定在从动轴承上,其它结构的与升力型风扇无太大区别。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

驱动形式:

由于涡扇发动机的动力来自涡轮,动力从中心传出,所以得从分级式风扇的中心驱动,也就是驱动第一级(最内一级)风扇,而外面的环形扇叶圈的外缘再用第一级扇叶外缘的齿轮进行驱动。这就是混合式驱动,也就是中心的第一级利用内驱式驱动,外面的环形扇叶圈利用外驱式驱动。

第二种:混合式的升力型的强力风扇

这种风扇与外驱式风扇没有太大区别,只在第一级扇叶的中心加一个从动驱动齿轮,发动机直接驱动第一级中心,再用第一级扇叶外缘的齿轮动其它级环形扇叶圈的外缘,这就是混合式驱动,也就是中心的第一级利用内驱式驱动,外面的环形扇叶圈利用外驱式驱动。内驱的传动轴可以与外传动轴嵌套,如左下图,也可以是任意方向,如右下图。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

(3)、三种驱动形式的比较:

这三种驱动形式各有千秋,但一般认为有前途的是外驱式和混合驱动式,以下做几点比较总结。

①、外驱式传动轴齿轮驱动每级风扇旋转时,不再受每级扇叶半径长度、位置的变化而能保持每级扇叶外缘线速度的相同,只要传动轴上的几个驱动齿轮大小一致就行了。

②、与内驱式比较外驱式省去了复杂的变速传动系统。由于不用变速,省去了沉重复杂的变速器,也省去了复杂的轴套轴传动系统。发动机输出后一路畅通,一轴驱动,安全可靠。

③、外驱式扇叶片对抗离心力能力加强。传统风扇的扇叶(内驱式)叶片根朝圆心,梢朝四周,在转速太高的时候扇叶片承受很大的离心力,存在着飞溅的危险,这是一种拉拽扇叶片的形式。而外驱式叶片根朝四周,梢朝圆心,高速旋转时扇叶产生的离心力传递给轴承支架等,这是一种推顶扇叶片的形式,这样扇叶就可靠多了。

④、外驱式扇叶叶片安装形式上更加顺应了旋转力的特征。扇叶片旋转时越离圆心产生的力越大,外驱式正好把这个强大的力直接传递给轴承支架,而扇叶相反端的力小些不会对整个扇叶产生较大的扭曲。内驱式正好相反,扇叶外缘产生强大的力得通过整个叶片后再传回轴承支架,对扇叶片会造成较大的扭曲,产生机械疲劳,安全可靠性低。

⑤、外驱式虽然相对内驱式有众多的优点,但它的传动轴一般的转数较高,最高甚至可达4-6万转,当然也可以直接与涡轮轴发动机的高速涡轮相连,但如果在动力源的转数达不到这么高时,可以用混合式驱动,也就是像“混合式的风量型涡扇发动机风扇”那样的驱动形式,先利用内驱式的形式直接驱动第一级扇叶的圆心,再利用第一级外缘的变速(高速)驱动其它级扇叶的外缘,这也是个巧妙的组合,优点自然不言而喻了。这在设计时就要进行一下改动,也就是第一级扇叶的中心和边缘都得安装从动齿轮,当然,如果是传动轴直接驱动第一级扇叶(就像“混合式的风量型涡扇发动机风扇”),那圆心就不用齿轮了。

3、性能总结

综上所述可以看出,横向多级式的强力风扇就是针对传统风扇的不足而设计的,与相同面积的传统同风扇相比,有重大的进步。

一是整个风扇径向每部分旋转线速度相差不大了,力争从风扇外缘到圆心的通气效果都差不多,效率大大提高,面积利用率也高;

二是在整个圆形面积中利用分级的有利条件充分排布扇叶片,让整个圆形面每一处的面积利用率都差不多,提高了面积利用效率,改变了传统风扇那样根密梢疏布局的不足;

三是扇叶片与传统安装形式相反,这样受到的离心力影响减小,扇叶片受力情况改善,更加安全可靠。

四是结构上可以把风扇做得很薄,若埋植在飞机的机翼上进行垂直起降,这样与空气相对的有效作用面积大,所以效率会很高,节省燃油。由于升力风扇的转速可以快到近音速,这时扇叶向下快速扇动空气,在风扇的上方形成比周围大气压低的负(低)压,在风扇下方形成比周围大气压高的正(高)压,扇叶上下面的这一正一负大气压力差产生双倍的抬升力,所以面积虽小也能产生强大的升力而能使飞机垂直起降(如左下图)。

飞行器垂直起降之路---横向分级式强力风扇

五是风扇超薄,与直升机的几片桨叶相比面积也大得多,其原理更接近制造压力差,而不是制造反冲力的下洗气流。本风扇高速旋转时迅速造成上方的近乎真空的低压,由于风扇扇叶较小,便在贴近风扇下方造成高压,所以下洗气流不会冲下很远,如左上图。而直升机的几片桨叶面积较小,为了产生较大的升力下洗气流较大,如右上图。所以本风扇制造的垂直起降飞机在起降时产生的下洗气流会很小,不会造成太大的尘土**。

综上所述,超薄强力风扇与同样面积的传统风扇相比,本风扇的空气通气量更大,产生的(升)力更大。可以说,分级式强力升力风扇是打开飞机垂直起降这个番多拉魔盒的金钥匙。当然,它的用途远不止此,在军用和民用的大型风扇上也会大有作为。

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

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