[原创]风扇革命风暴----横向分级式强力风扇在飞机的垂直起降上的应用

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横向分(多)级式升力风扇由于可以做得较薄,所以可以埋在机翼中,我不赞同像F-35B那样的把风扇埋植于机身内,因为这样整个风扇的上下通道空置好空气通畅,这影响到燃油与武器,机翼本来就是产生升力的吗,所以要像XV-5,把垂直起降的升力风扇埋植在机翼中。不占机身空间,可让机身载更多的油料、货物和弹药等。

一、常见飞机安装形式简介

左下图是横向扇叶多级式强力风扇在常规布局飞机上的应用,把强力风扇安装在两侧机翼根部,常规布局飞机的机翼居中,重心比较好掌握,基本不用尾喷发动机的配合(或只需简单配合即可)。当然,对于大型飞机如客机或运输机等一般要在机尾加辅助风扇,配合重心的变化进行调节。中下图是分级式强力风扇在大三角翼布局飞机上的应用,也把强力风扇安装在两侧机翼根部,但可能会偏离重心稍靠后,这时要在驾驶室后安装一个前升力调整风扇进行稍微的姿态调整,操持平衡或进行转向的调整等。

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像F-22这类正常布局的菱形或等腰梯形机翼是比较适合安装升力风扇的,能做到安装风扇后坚固可靠。如右上图。如下图,升力型强力风扇可以用在歼击机、轰炸机、运输机和客机等任意飞机上(如右下图的非喷气垂直起降飞机),经它的改造可让飞机变成“直升飞机”---垂直起降飞机。

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垂直起降舰载机与垂直起战斗轰炸机的垂直起降安装形式相同,只不过机翼可以折叠。垂直起降客机和大运由于重量大,所以要多安装几个风扇才能实现垂直起降。

二、起降过程

当飞机要垂直起降时,驾驶员通过电传或油压控制“扇叶转角控制环”上行,推动横向扇叶多级式强力风扇的扇叶展开最佳的角度(如右下图)。

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发动机通过离合器及变速器驱动分级式强力升力风扇转动,产生向上的升力而使飞机垂直起飞。

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当上升到一定程度时,就可以收回起落架了(如上图)。如果重心出现问题可由辅助平衡的调整风扇进行平衡。

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当要高速平飞时,涡扇喷气发动机向后喷气,飞机向前飞去,与正常飞机没有什么两样。当飞机速度越来越快,机翼本身产生的升力大于飞机的重力时,这时就不用升力型强力风扇的作用了,这时驾驶员通过电传或油压控制扇叶转角控制环下行,推动扇叶逐渐改平角度闭合(如下图),最后闭合得没有一点空隙(可用柔性皮蒙粘在扇叶边缘,这要效果最好),与机翼形成了一个整体,完美融合,而对于飞机原来的性能基本上没有太大影响。机内涡轮轴发动机通过离合器断开,停止驱动分级式强力升力风扇转动,这时飞机平稳地向前飞去。

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降落与起飞相反,减速,升力风扇扇叶展开并旋转产生升力,再打开起落架,然后垂直降落,如上图。

三、简化风扇,改进设计

原来的风扇设计有给每一片扇叶进行角度调节的机构,虽然可以做到最佳的角度适时调节,但这个调节过程比较费劲,结构也比较复杂,安全可靠性也大打折扣(左下图)。

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而在风扇上下采用了百叶窗后,就可以省去了每个桨叶自转系统,让叶片按实际上实验好的最佳偏转角度固定在旋转轴承上,更加牢固可靠(右上图)。

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简化结构后,每一级扇叶环可以用一个整体铸模,让扇叶更坚固。

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请点击以下的文字,观看相关的视频演示动画:

横向分级式风扇与垂直起降舰载机

四、垂直起降带来飞机设计的变革

当升力风扇埋植在机翼中进行垂直起降时,实际上就是飞机的起降和平飞功能的分离,用两种独立的方式来实现它,所以自由度较大,飞机的高速平飞和低速平飞起降互不干扰,对飞机的外形设计产生了较大的影响。主要对机翼和机身形状的设计影响较大,另外飞机飞行控制方式上也会产生较大的影响。

1、外形与速度的矛盾

鱼肉和熊掌难以兼得,追求飞行的高速与飞机的外形也难以和协统一。飞机要想进行超音速飞行,就要面临音障的问题,阻力增大,消耗增加,特别那雷鸣般的音爆更是让人难以忍受。人们发现飞机的机翼拥有较大的后掠角时能延迟激波的产生,减小波阴,有利于超音速飞行。但这样又会使升力效果不好,降低飞机的低速性能。于是变后掠翼飞机产生了,低速时后掠角小,这时的升力大,有利于起降;高速时机翼后掠角大,有利于超音速飞行。但这类飞机结构复杂,安全可靠性差,现在几乎不生产了。虽然现在的设计能解决一些问题,但那可怕音爆还是回荡在人们心头。因为只要让机翼以平移运动方式去实现起降和平飞两种功能,速度与外形的这对矛盾就永远难以兼得。所以,要想“鱼肉和熊掌”兼得,飞机的起降和平飞系统必须分离,用两种独立的方式来实现它,让飞机的高速平飞和低速起降互不干扰,这才是正道。那么实现的方式就是垂直起降或低速悬停时利用埋植在机翼中的超薄强力风扇以旋转的运动方式获取升力,高速飞行时利用机翼以快速平移的运动方式获取升力。这可能会增加成本,但为了好的功能,就必须付出代价。

2、双起降方式与速度的矛盾

即使飞机采用双升力系统进行飞行,也会存在滑跑起降与垂直起降这双起降方式与速度的矛盾。如左下图,在正常布局的飞机上安装升力风扇,那么它就可以实现滑跑起降和垂直起降两种起降方式。但飞机这种外形在超音速时会遇到较大的阻力,会产生音爆,也就是音障的问题是很难克服的。

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如果采用新的外形,如右上图,机翼采用大后掠角,小展弦比,前后对称型机翼,那么它在一定高速时就能很好地克服音障问题,阻力较小。但同时,它的滑跑起降性能降低,滑跑距离长,甚至很难滑跑起降,只能垂直起降。所以要根据飞行的功能进行灵活设计,以达到相应的效果。比如说省市间的支线垂直起降客机的速度不用太高,亚音速的,那么机翼就可以设计成大展弦比的,这样飞机的起降方式多样,可以滑跑起降,也可以垂直起降;如果洲际飞行的超音速客机,那么机翼就设计成小展弦比的,机身狭长,但这样它的滑跑起降性能就下降,甚至只能垂直起降了。

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五、升力风扇应用在垂直起降飞机上总结:

1、在垂直起降状态下比采用滑跑起降方式载重量更大

把分级式强力风扇应用在飞机的垂直起降上,这是让垂直起降飞机成为通用型的飞行器的一个新的开端。它的效率几乎与平移中的机翼一样高,风扇的每部分都产生同样的升力,那么应用这种升力风扇的垂直起降飞机在垂直起降状态下也许比采用滑跑起降方式载重量更大,这是因为它的工作状态与固定翼飞机的不同。我们可以看看,飞机的升力取决于速度和机翼的迎角(攻角),飞机的速度变化是很大的。起飞时由静止到起飞,是由0速度逐渐加速到离地速度的,这个起飞速度是不高的,机翼产生的升力也不大,那这时只能以迎角来增加升力,只有在起飞后的平飞中,速度才可能上去,达到亚音速或超音速的巡航速度,这时的升力效果才最好。而降落又要减速,所以飞机的起飞或降落阶段变化较大,速度低,升力较小,载重量怎能上去?同时,飞机的滑跑距离又与载重量有关,载重量大,滑跑距离就得长些,好让离地速度高一些,这样升力才能大到离地;载重量小,不用那么大的升力,所以离地速度就可以小些,滑路距离就不用那么长。由此可见,飞机的升力与飞行速度和载重量都有关系,每种飞行状态下的它产生的升力是变化的,这就导致飞机那巨大的机翼面积与应有的载重量不相匹配,就是因起降阶段的速度变化所累。

而采用升力风扇的垂直起降飞机的升力只与升力风扇扇叶的工作状态有关,如与每片扇叶的转角,风扇的旋转速度,驱动它的涡轮轴发动机的功率有关,而与飞机的飞行状态及载重量无关。分级式升力风扇与空气的相互作用面积较大,调节好风扇扇叶片的最佳角度,让升力风扇的各环形扇叶圈的外缘以接近音速的线速度旋转,并且在涡轮轴发动机的不变的功率驱动下始终以这个最佳状态旋转,这样垂直起降飞机无论在何种飞行状态下飞机都会产生比滑跑起降更强大的升力,所以采用升力风扇的垂直起降方式会比采用滑跑起降方式载重量更大。我们可以从米-26与C-130的中比较一下,米-26的八片扇叶片总面积不过六七十平方米,而C-130的机翼面积却达160多平方米,米-26的起飞总重量也不及C-130,反过来米-26却与C-130的载重量差为多,都 为20多吨。这从侧面说明以旋转的方式垂直起降的载重量会很大。

2、安全可靠。

采用两种起降方式,多了个保险。由于滑跑起降比较危险,所以它成为辅助起降方式,而垂直起降成为主要起降方式。另外,由于采用强力风扇,有涵道的保护,比直升机安全得多。

3、下洗气流均匀柔和

我们知道,要想让直升机那巨大的身躯飞起来每片桨叶那得承受多大的升力呀,由于桨叶片少,与空气相作用的面积小,只能加大扇动空气的速度,所以直升机起飞时的下洗气流又远又冲,吹得人摇摇晃晃。而应用分级式强力风扇的垂直起降飞机的风扇面积比直升机的旋翼叶片总面积大多了,所以下洗气流不会吹得太远。它其实就是把风扇上方的空气快速“搬运”到下方,风扇上方迅速产生低压,产生向上强大的吸力;下方迅速产生高压,形成向上强大的抬升力,这一高一低,产生力的方向一致,于是就产生强大的升力了。

4如安装升力风扇破坏了机翼的结构,所以我们可以重新设计机翼的结构,如等腰三角形或等腰梯形,让垂直起降飞机更安全可靠。

5、机翼上安装升力风扇后上方可能出现气流影响,这时也可以用通用XV-5的百叶窗上盖的形式。如下图,在风扇上下面加装一个百叶窗盖,要顺着机身方向安装,垂直起降时打开,由于上方上低速气流,对气动力影响不大,进行垂直起降飞行;高速平飞时闭合百叶窗,这时平滑的上盖不会对气流有太大影响,飞机可以高速飞行可超音速飞行。

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6、要做好风扇的防冻准备,包括电热解冻,发动机的散热解冻等等措施。无论是冬天或在高空中都要注意冰冻问题。

7、横向多级式强力风扇的动力对于垂直起降战机来说最好用专用的涡轮轴发动机,这样的平飞和垂直起降的动力系统分开,互不影响,安全可靠性好,对于一个寻求多功能飞机来说,不应该顾忌增加这点死重。如果就顾忌增加的这点死重,那就得把平推作用的涡扇发动机引出一部分力进行垂直起降了。

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自古忠孝难两全,熊掌鱼肉不得兼,要想垂直起降就得付出代价,而付出这个代价是值得的。要垂直起降就得增加垂直起降系统,如升力风扇,百叶窗,为升力风扇提供动力的涡轮轴发动机等等。虽然增加垂直起降系统可能增加一定的重量,可能增加一定的经济成本,但让飞机具有垂直起降功能省去了机场和跑道,出现故障可以在任何地方进行垂直降落以待维修,是对生命的重视,是一种进步的技术。所以因为垂直起降而增加的成本是值得的。


本文内容于 2011/6/30 19:47:20 被壮志凌云2编辑

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