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“翼龙”超音速客机

追求完美是每个人永不停歇的梦想,航空客运的高速是旅客的梦寐以求,让天各一方的人们不再遥远,让远方的牵挂不再牵挂,让地球人同居一“村”, 愿梦想不再是梦想,我们每一个人都要努力!

“翼龙”超音速客机

当2003年,欧洲蓝湛的天空中最后一次划过那洁白的身影,协和客机奏响一曲天鹅悲歌。虽然现在有许多国家都在研究未来的超音速客机,但到现在为止是只听楼梯响,未见人下来,可见超音速客机研制的难度之大!

“翼龙”超音速客机

那么超音速客机要想重返蓝天,我想必须要消除或减轻音爆,改革动力,节省燃油,加大载客量,改善经济性,加强安全性,实现垂直起降。于是,我设想了“翼龙”超音速客机,这是一种能垂直起降,并能在2.5倍音速以下超音速飞行时不会产生音爆,客座数为350座以上,航程为10000千米的超音速客机。本想为此超音速客机起名“利剑”或“极光”,可画出三维画面后发现修长的身躯,扁长的机翼,像一条神龙,所以就起名为“翼龙”。

“翼龙”超音速客机

看下面的示意图,本超音速客机的机身狭长,越长越好,提高载客量,翼身融合,小展弦比,远远小于1,这有利于高速超音速飞行。机身和机翼的底面做成一个平面(“平底船”),机身截面做成三角形,这样对下面的空气不产生压缩,只对上方的和斜上方的空气产生压缩,产生的冲击波向左右斜上方、上方传开,对下面的陆地地面影响小。

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由于机翼小展弦比,低速性能不好,所以平飞和起降不采用同一个动力系统,飞行状态要分离,起降采用我设计的多级强力风扇埋植在机翼中做升力系统,而平飞还是采用传统的推力方式。由于采用垂直起降,不需要像滑跑起飞那样的大仰角飞行,所以机身可以狭长。

本超音速客机的具体参考设计尺寸为:

机身长:98米 翼宽:18.6米 机高(不含起落架,起落架为1.62米):3.77米

机身宽:4.72米 机翼厚:0.25米 下发动机直径: 1米 上发动机直径:2米

升力风扇直径:3.11米 单个升力风扇面积:7.59米2 升力风扇总面积:75.9米2

飞机所以后掠角和前掠角大约在70度以上,以上的数据只做为参考,实际可以增减。

1、基本外形

(1)、物理三视图:这是按实际比例画的三视图,不是透视图。

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侧视图:机身狭长,飞机所以斜角大约在20o以内,本图的发动机安装在机翼下面。

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前视图:发动机在下,垂直起降百叶窗打开状态

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发动机在上,垂直起降百叶窗闭合状态

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顶视图:发动机在上,垂直起降百叶窗打开状态

(2)、透视三视图

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侧视图(下发动机)

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前下侧视图 (下发动机) 后上侧视图(上发动机)

“翼龙”超音速客机

前上侧视图(上发动机) 后下侧视图(下发动机)

“翼龙”超音速客机

前下视图(下发动机,百叶窗打开) 前上视图(上发动机) 后上视图(上发动机)

2、超音速客机的机身结构原理

超音速客机由机身(机头、机身中段、机尾)、机翼、升力风扇、平推发动机、起落架、前后舱门等组成。本超音速客机采用翼身融合技术,渐进型过渡技术,外形上保持圆滑连接,由于要超音速飞行,机身要加长,这样能增加客座,设计座位为350座左右,座位为较窄小座位,因为超音速飞行,飞行时间短,座位窄小有利于多安装座位,一般不会产生太大的疲劳。因为要超音速飞行,采用小展弦比的机翼,滑跑起降能力不好,所发改用升力风扇垂直起降。

“翼龙”超音速客机

(1)、机身

超音速客机机身包括机头、机身中段、机尾,整体呈两头尖尖中间鼓的两端对称纺锤形。机头尖锐并逐渐变粗与机身自然融合,它和机身中段的下面平直,像一块平板一样,能减少向下的反射激波。机身中段和机尾的上面平直,机尾自然向上收拢成圆锥。为了能在2.5马赫的超音速下飞行,机头和机尾的每一点部位的后掠角和前掠角大约在70度以左右,从以上的物理比例侧视图上可以看出机头和机尾隔着机身中段基本呈对称状分布,只不过变尖处一个向上收拢一个向下收拢罢了。机身(机头和机身中段)的下面平直,像平底船一样的,从横截面上看呈三角形结构,就像在这个“平底”上搭起两块板构成一个三角形截面的机舱,这种机舱也是比较结实的。机头的驾驶舱窗比较宽大,视野良好。

驾驶室窗后有一个前舱门,供驾驶员或乘客下来。机身上留有舷窗,机尾下腹部还有一个后舱门,就像大型运输机那样,也可以供乘客上下。

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另外,为了配合飞机的姿态控制,可以飞机的机尾安装控制飞行方向的机内风扇,利用百叶窗打开吹出气流进行矢量控制,好操作飞机的左右转向、上下俯仰。

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(2)、机翼

由于要超音速飞行,机翼听翼展不能太大,翼展小阻力较小,并且机翼不能太厚(右下图)。同时为了在2.5马赫下飞行不产生音爆,机翼的下面要平直,在安装时与机身中段要自然圆滑融合,与机身底面形成一个平面,减少对地面的冲击波。

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机翼前半段要顺应机头的角度,向两侧展开时斜角不能超过20度左右。机翼后半段也要顺应机尾的角度,自然收拢,两侧向中间收拢时斜角也不能超过20度左右,也就是说机翼的后掠角和前掠角大约在70度左右。如左下图,每侧机翼呈等腰梯形,整个机翼呈菱形设计。

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还有机翼的纵剖面也要注意这个特点,如下图超音速客机的侧视图,整个机翼的纵剖面结构也要呈等腰梯形的设计。

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在前头的隆起段和后面的收缩段的斜角角度也不能大于20o左右,只有这样,在2.5马赫范围内才不会出现音爆。

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由于要照顾到超音速飞行,不光机身狭长,机翼也狭长,展弦比较小,所以要用滑跑起降那跑道太长了,所以要改用垂直起降。怎么样进行垂直起降?升力发动机之路证明是走了不通的,我认为安装升力风扇是最好的选择。当然,传统升力风扇也是不行的,只能采用我设计的横向分级式强力风扇或矩形风扇。

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多级式升力风扇由于可以做得较薄,所以可以埋在机翼中,设计在每一侧机翼上安装5-10个升力风扇,数量少了升力不够,多了结构复杂,成本高。本超音速客机每侧机翼设置有5 个风扇,两侧有10个风扇,每个风扇直径为3.11米,面积为7.6平方米,只要产生40吨的升力,10个升力风扇就可以把一个三四百吨的超音速客机给升起来了。

每个升力风扇到底能不能产生如此大的升力呢?我做过计算,大气压力会在1平方米上产生差不多10吨的压力,虽然本升力风扇也不是效率高达100%,能在风扇上方制造真空产生这10吨的升力,但风扇在旋转时给上方造成的压强远小于大气压,而下方的压强远大于大气压,这一反一正,成双倍的功效,所以每平方米产生的压力也许会超过10吨的升力。就保守点,每平方米产生6吨的升力,那么一个风扇7.6平方米也会产生45吨的升力,十个风扇就能产生450吨的垂直起降升力,基本上什么样的载重量都可以胜任的。

在每一个升力风扇的上下面安装有可打开和闭合的百叶窗,当垂直起降和低速平飞时打开,当高速飞行和超音速飞行机翼产生的升力足够了就闭合。在低速时百叶窗还可以调整角度,以配合进行姿态调整的矢量控制。百叶窗的强度要大,因为在超音速飞行时可能会产生很大的冲击力,所以每个百叶窗叶片的强度一定要够。

在机翼的后面可以设计副翼等舵性控制系统,但在超音速时不能超过产生音爆的角度,当然,也可以不设置翼舵,全用机尾的气流和发动机喷气的矢量控制。

如果气流矢量控制效果不好的话,也可以安装垂直尾翼安定面,但要注意降音爆的设计角度。这些也得在实践中检验。

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(3)、发动机

本超音速客机包括两种发动机,一种是为升力风扇提供动力的发动机,一种是平飞时的推力发动机。起降和平飞两种不同飞行系统分别用各自的发动机更加安全可靠,我们科技的发展就应该更加尊重生命,付出较多的代价也值得。

①垂直起降发动机

本超音速客机进行垂直起降最好用专用的涡轮轴发动机,它体积小,不需要太大的进气量,而输出的功率强劲,并且转数较高,这正是分级式强力升力风扇所需要的,一般不用减速器,所以重量也不高,成本低。

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垂直起降涡轮轴发动机最好是二台以上,每台采用左右机翼风扇对称控制,比方说第一台控制左右机翼的首尾风扇,第二台控制左右机翼风扇的中间风扇。也可以是共同控制,这样就更保险,一旦一台发动机停车,其它的还可以紧急维持迫降。

②平飞发动机

平飞发动机可以像协和飞机那样安装在机翼下方,也可以安装在机翼上方。安装在上方可能会影响到进气问题,但可能对地面的噪音影响小。安装在下方进气没问题,但可能对地面的有较大的噪音影响,不过采取措施得当也可以避免。平推发动机要有矢量控制的能力,以便在万米以上的高空能更好地进行姿态的控制。

“协和”超音速客机采用的涡喷发动机可以实现超音速飞行,但太费油了。而现在的民用大涵道比涡扇发动机(左下图)虽然推力巨大又特别省油,但风扇迎风面太大,无法实现超音速飞行。要想又省油,又推力巨大,又能超音速飞行,熊掌和鱼肉兼得,就得采用我设计的改进型风扇的涡扇发动机,如右下图,也就是采用风量型分级式强力风扇的涡扇发动机(在后面第五章我将详细讲解这种发动机的结构原理)。

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那要想让大涵道比涡扇发动机进行超音速飞行,就得提高空气的通透量,无论飞行得多快,就是超音速也一样,能迅速把风扇前面的空气排到后面喷出去,这就能实现大涵道比涡扇发动机的超音速飞行。要实现这个,传统风扇肯定是不行的,所以就得用我设计的分级式强力风扇。

(4)、起落架

由于采用垂直起降,就像直升机那样起降,比起沿路起降的飞机来说,是比较“温柔”的。所以本超音速客机的起落架要求不是太高,对接地冲击的缓冲也不要求严格,这可以降低成本。最好设计成可伸缩式的,当降落时,慢慢收缩机身下降,以利于旅客走下飞机。

3、飞行过程

本超音速客机飞行过程也是和传统客机差不多,分起飞和爬升、平飞巡航和进近降落三大阶段。由于飞行系统分离,所以它的起降和直升机差不多,平飞与传统飞机几乎一样,当然,它可能还有直升机的悬停能力。

(1)、起飞和悬停

由于本超音速客机翼展小,机身狭长,一般不宜滑跑起降,也没有那么长的机场跑道能供本超音速客机滑跑,所以主要以垂直起降为主。本机的垂直起飞可以有两种情形,一种是边垂直起飞边平飞,另一种是先垂直起飞到一定高度悬停,再打开平推发动机进行平飞。下面以第二种飞行方式介绍。

“翼龙”超音速客机

起飞前升力风扇的上下百叶窗打开,升力发动机启动,带动升力风扇旋转,当产生的升力大于机身的重量就可以垂直起飞了。

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当起飞到一定的程度,就可以收起起落架了。然后平推发动机点火,推动飞机向前飞去,当速度达到一定程度时,机翼产生的升力足以维持飞机飞行了,就可以停止升力风扇,关闭百叶窗了。

(2)、平飞

飞机在平飞时可以分为亚音速和超音速两个阶段。亚音速阶段可以利用升力风扇配合飞行,可以利用机尾的矢量控制风扇进行姿态和方向的控制。在超音速阶段可以利用平推发动机的矢量喷口进行方向及姿态的控制。在万米以上高空飞行,空气动力较差了,所以用发动机喷气偏转进行矢量控制较好,当然也可用普通的机翼上的副翼、舵等控制。

“翼龙”超音速客机


右转 左转

(3)、降落

与起飞相反,减速慢行,打开升力风扇,垂直降落。具体在降落过程中也有许多的讲究,比如可以慢慢减速到音速以下再打开升力风扇降落,也可以先以大迎角快速制动,再降落,这样降落时间短一些,不过得注意让步乘客舒服些。降落的路线可以是向下的抛物线,也可以是近乎直角线。

4、本超音速客机总结

本超音速客机针对以前超音速客机出现的问题进行了革命性的改进,并且也进一步发展,创造了许多新的飞行技术,是飞行技术史上的一大变革。

(1)、解决了困扰航空业多年的音爆问题,这是超音速客机的关键性的问题。

“协和”飞机致命的“硬伤”其实就是这个音爆问题。本设计的指导思想不是消灭音爆,而是在一定条件下避免音爆,所以就有了可靠性。我设计的超音速客机采用通体斜角角度不超过20o的平滑过渡连接,大量对称性的设计消除了前激波和后激波。这样,在大陆上就可以在2.5马赫以下飞行就不会产生音爆了,而在海上还可以突破2.5马赫,因为海上出现音爆也不要紧了,不会影响人的。

(2)、成本降低,经济性好。

采用垂直起降,不用修建庞大的机场跑道,以及大量的附属设施,维护费用降低,再也不用担心风雪云雾飞鸟等等,可以实现全天候飞行,旅客不会因延误而发生纠纷,增加航空公司负担。采用改进型涡扇发动机,推力大省油。这些会大大降低运营的成本,并且增加到350以上的客座,成为较大型的远程客机,经济性好。在与今天地上爬的“飞机”----高铁相比,飞机若不超音速飞行就日渐没有优势了,所以要做这个决心发展超音速客机。比如从北京到广州大约二千多公里,乘座高铁大约6-8个小时,普通高亚音速客机大约3小时,而本超音速客机只要一个小时就行了,这就看出优势明显了。

另外,由于通体采用不超过20o的斜角平滑过渡,不仅不能产生激波,而且在2.5马赫以下飞行时不会产生贴近飞机的“紧身衣”----极度压缩空气层,所以飞行时产生的阻力也小,飞机在超音速时就像在亚音速下飞行一样,没有什么音障激波,只要发动机的动力够就行了。这就让超音速客机非常省油,更加经济。

(3)、安全可靠

本超音速客机可以说是更安全的客机,采用了大量新的技术手段,特别是对生命重视的革新设计。

①、翼身融合,结构牢固。

“翼龙”超音速客机

普通客机的机翼展弦比大,为获取较大的升力便于起飞和降落,翼展几乎与机身相仿。这种结构不是太牢固的,一旦机翼折断就会有危险了。而本超音速客机的机翼狭长,与机身自然融合,居机身中,与机身形成一个牢固的整体,也就是说,先把机翼和机身的“平底”按一个整体建好,再建上面三角形机舱。机头和机尾虽然较长,但也很细,不是太多吃力的部件,主要是平滑气流防音爆的。由此可见,本超音速客机虽然机身细长,但与机翼组成牢固结构的整体,安全可靠。

②、垂直起降,起飞与平飞系统分离

起飞、平飞和降落是飞机飞行三种不同的飞行阶段,起飞和降落基本上属于逆过程,可以认为同一种飞行方式,是飞机在静止和平飞速度之间的过渡过程,统称为起降过程。起降与平飞的性质就是不同的,起降是速度从0到大的变化过程(或相反),而平飞速度是始终就有的,并且较大的,比较均匀的,那么飞行方式也应有所不同。传统飞机起降和平飞都采用直线“平移”的这种运动方式获取升力,所以起降只能以在跑道滑跑的形式。这就令起降阶段危机四伏,险象环生。

而本超音速客机把起降与平飞的飞行系统进行分离,各用各自的推进系统,各个系统用不同的飞行方式,起降阶段用“旋转”的运动方式,平飞阶段用“平移”这种运动方式,互不干扰,互相协助,这是对生命最尊重的技术组合。

本超音速客机平飞阶段与传统飞机不变,而把传统飞机飞行最危险的起降阶段采用直升机的起降方式,是一种最温柔最安全的起降方式。与传统滑跑起降相比,不怕飞鸟撞击,突变风,再也不用担心风雪云雾等等影响,可以实现全天候飞行,旅客不会因延误而发生纠纷,增加航空公司负担。

由于采用垂直起降,一旦发生事故,就以最快的速度进行垂直降落在任意可能的地点,让乘客先逃生,不再受机场跑道的限制。

所以本超音速垂直起降客机是旅客真正信赖的安全飞行器。

(4)、减轻对驾驶员飞行技术的严重依赖

要知道,现在的飞行员都是宝贝,多少年的飞行才能出一流的飞行员,一般地认为,一个技术设备的缺欠往往造成运用技术的苛刻要求,所以飞机这种飞行器的不完美造成了对飞行员飞行技术的严重依赖。

其实我们的最终目标是让每个人都能像骑摩托车一样去驾驭飞行器,所以必须去完美技术,降低使用技术的严格要求,容许驾驭者有错误时有改正的机会。本超音速客机正好能完备技术,是直升机起降技术和飞机平飞技术的完美结合,让一般的人都能会操纵,能实现比较普通的飞行员就能胜任,这也会降低成本,经济合算。

总之,如果本超音速客机研制成功,将在人类航空史上具有里程碑的意义,是人类航空事业新的开端,也是中国人重新夺回航空大国地位的一个重要契机。


本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

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