第三屆創新杯飛行器設計大賽獲獎作品(部分)

天思 · 發表于 2008-12-23 13:49:11

霞光超音速民航客機效果圖　　一、氣動設計創新
　　1.弓形機翼的乘波設計，當飛機進行超音速巡航飛行時，通過調節發動機的進氣錐，使它的激波錐緊貼著弓形機翼的前緣上，這樣機翼下表面的壓強就是激波后的壓強，飛機機翼上下表面的壓力差就大大提高了，升力也大大提高了。這樣，利用激波的能量使飛機得到了附加的升力，而相對減少伴隨的附加阻力，從而使飛機的超聲速巡航升阻比大幅度提高，使飛機超音速巡航時經濟性得以提升。
　　2.上平下斜的鍥形體的機身設計，可以由飛機前進對空氣的動壓產生升力。一個上平下斜的鍥形體前行時，下斜面對空氣的動壓的壓縮作用時產生升力，鍥形體上表面水平的，減小了的阻力，提高了升力。
　　3.凹進去的，凸出來的機身和尾部的設計，可以利用機身各部位產生的激波在相位上的差異，誘使它們產生干涉激波，這樣激波就會互相對消，使傳遞到地面的聲波的強度減小，大大地削弱音爆。其次，發動機外的方形外殼內部結構由蜂巢式的六邊形組成，可以進一步達到消音的效果，達到真正的靜音飛行。
　　4.機翼的翼尖有向下彎曲和展開兩種狀態設計，在起飛和降落狀態時翼尖展開，產生較大的升力，在巡航狀態時，機身下的壓力不僅僅向下，也有向兩側作用的，所以翼尖向下彎曲。這樣，不僅可以把“流散”的壓力包攏起來達到最大的收效，增加有效升力，而且翼尖向下彎曲還有助于方向穩定性。
　　5.倒V字形的尾面設計，一方面，可以產生一些附加升力，另一方面，超聲速飛行時可以與機翼產生一些有利的干擾。
　　6.發動機的方形外殼設計，用鋁蜂巢結構結合智能材料的主動震動來改變振動頻率和噪聲頻度的改變，這樣可以大大減少發動機的噪音。
　　7.主動流動控制機翼設計，在機翼上安裝一些超微型渦輪發動機和可以控制打開和關閉并能改變方向的小型噴管，引入一些的二級氣流，實現流場主動控制，這樣可以實現飛機起飛和降落的短距離滑跑，提高各個方向偏移的機動性，進而減輕飛機的重量，達到減小阻力和增升節油的效果。
　　巧妙的結合以上的設計理念，又將三機身以立體式分布結合在一起，在符合氣動外形和不增加飛機的外形尺寸的情況下增加飛機的客容量和空間，使乘客在乘坐時更加舒適。另外，飛機的外形與現有的大型民航客機很接近，這樣，現有的機場即可投入使用。
　　二、動力系統創新
　　采用以液氫為燃料，將渦扇發動機和沖壓發動機結合的智能發動機，前面渦扇發動機燃氣發生器中通液氫，燃氣發生器推動渦輪，帶動風扇，風扇吸入空氣。后面是沖壓發動機。當馬赫數達到3以上，風扇葉片順槳，不轉動，靠滯止沖壓吸入空氣。另外，發動機利用磁浮軸承，由于沒有磨損，無需潤滑和冷卻，可以減輕發動機重量和使用壽命，在高速的轉速下工作又可以減少震動。同時，發動機利用通用核心機又大大降低生產和維修成本，達到真正意義上的環保和高效。
　　三、熱防護系統創新
　　采用主動熱防護系統，即在飛機的蒙皮下安裝冷卻面板，配合熱交換器循環系統和對流冷卻熱防護系統。由液氮冷卻劑(選用液氮是考慮到它的熱穩定性比較好)通過冷卻板和熱交換器，再由將熱量傳遞給液氫燃料，這樣可以實現以液氫燃料為中心的“防熱-推進”一體化。
　　四、安全方面創新
　　大部分失事的飛機在失事前都有一段時間能與地面取得聯系，這說明在失事前都有一段反應時間，由于飛機由三個機艙組成，當飛機的一個機身出現事故時，可以將乘客疏散到另外兩個機艙，只有三個機身與機翼的連接處均使用激光切割迅速切開，同時，三個機身分別展開自身備用前后兩對的滑翔機翼，這樣可以避免重大空難的發生。
　　五、航空“插件”的構想
　　航空“插件”的構想就是，飛機的部件及零件可以通用，當一架飛機退役以后，可以將這些插件從退役的飛機上拆下，安裝到新的飛機上，這樣可以大大節省飛機的制造費用，如飛機的安全防護部件，發動機的主要部件等等。尤其是，客機的安全防護部件，可以設計個人防護系統，當飛機發生事故，防護系統可以啟動防護裝置將個人保護起來，每個座位都要安裝的費用會很高，如果把它做成航空“插件”就能大大降低費用，就能實現客機的安全個人防護系統。
　　六、飛機的基本數據：
　　機長：70米
　　翼展(展開)：68米
　　翼展(下彎)：66米
　　機高：13米
　　座位數：700位
　　航程：25000千米
　　巡航速度：M4
　　巡航高度：20千米
　　“霞光”超音速民航客機達到了真正意義上的環保，靜音，高效，舒適，快捷，在未來的民航客機方面潛力無限，也將會成為未來藍天中一道耀眼的霞光。

天思 · 發表于 2008-12-23 13:52:16

中國星超大型可變翼飛翼布局客機　　凌維安王全平
　　面對21世紀燃油價格日趨上漲，人們對環境保護的要求愈加嚴格。人們對民用航空的期望已經不僅僅局限于飛行更安全、速度更快、乘坐更舒適這樣的對客機的基本要求。因此，人們會提出對客機的能源消耗以及污染氣體和噪音的排放等關乎生態可持續發展更高層次的要求。
　　為了迎合人們這種要求，同時面臨著來自空客公司A380客機對民用航空市場的巨大沖擊，波音公司提出了“翼身合一”(blended-wingbody,縮寫BWB)的客機設計理念，并制作出了X-48試驗驗證機進行研究。但該驗證機也暴露了諸如容易出現俯仰和偏航失速、操縱面設計和控制困難、各種控制系統高度非線性和高度耦合及結構承壓高于傳統布局客機等技術難題。
　　立足于飛翼布局這一基本概念，針對波音公司X-48的不足，運用正在興起的最新科技，我們設計了“中國星”超大型可變翼飛翼布局客機(下文簡稱“中國星”)，為中國不遠的未來超大型客機的發展做了探索性的設計研究。
　　0.“中國星”概述
　　“中國星”有效座位數為1000座級，巡航馬赫數為0.88，最大航程為14000公里。飛機裝有兩臺采用兩臺860千牛低功耗靜音渦扇發動機。飛機為整體翼身融合，其中機翼采用了先進的“智能可變翼”技術，實現機翼在空間的多自由度變形。機身尾部也利用“智能可變翼”技術實現全動“智能全動襟翼”。此外“中國星”還采用了先進的控制和導航系統。
　　1.“中國星”氣動特性設計研究
　　1.1“流線型翼身融合”整體設計
　　眾所周知，翼身融合技術已經在軍用轟炸機中得到實現，其中最著名的是美國的B-2和F-117隱身轟炸機。客機中翼身融合技術在上世紀九十年代末美國也進行了研究。“中國星”采用翼身融合技術，包括機身總體為“后緣擴張翼型”，機體能直接提供升力。同時，“后緣擴張翼型”能明顯減弱激波，增大升阻比。機體表面光滑平整，無平尾垂尾附加裝置，大大減小了零升阻力。從而降低了飛機單位公里油耗。
　　1.2“智能可變翼”技術
　　為了兼顧飛機的高速巡航和低速飛行性能，“中國星”運用了“智能可變翼”技術(圖1.1)。使得機翼能夠在空間實現多自由度的變形。“智能可變翼”采用最新發展的壓電材料為驅動器和傳感器，可伸縮彈性硅樹脂蒙皮，并用鈦合金和剛材料網線加強。利用中央大規模計算機做中心控制。實現機翼在高速巡航和低速飛行下，翼展和翼尖小翼狀態的變化。
　　圖1.1 “智能可變翼”技術
　　同時，機翼表面能實現自適應鼓包，壓電材料通過對外界氣流的捕獲，將信號傳回中央計算機，在通過電流驅動，實現在當前氣流狀態下，最適合的氣動形狀，來獲得最大升阻比。
　　圖1.2“中國星”低速飛行狀態
　　我們特別給出了飛機低速飛行狀態和高速巡航狀態(圖1.2)(圖1.3)。在低速飛行狀態下，飛機展長可以達到125米，到了高速巡航狀態下，為86米。當飛機為于機場候機狀態時，也可以收起長翼展，增加機場空間。翼尖小翼也具有感知外界氣流能力，從而做出最有利上反角，減小誘導阻力。
　　圖1.3“中國星”高速飛行狀態
　　特別要指出的是，“中國星”機身后部為“智能全動襟翼”(圖1.4)，能夠提供一定的下彎角，從而在飛機起飛時，有效增加升力系數，使得“中國星”在起飛時的滑跑距離大大縮短。在高速飛行時，可以該回平面，減小廢阻。由于“智能全動襟翼”是通過智能材料變形，沒有傳統襟翼的縫隙，因此對飛機的氣動特性更加有利。同時“智能全動襟翼”還能夠起到全動舵平面的作用，提供飛機的縱向穩定性。
　　圖1.4“智能全動襟翼”
　　1.3“主動非線性渦升力”技術
　　由于采用了“智能可變翼”技術，因此機翼的兩側前緣可以主動形成溝槽，使得氣流從兩側前緣經過會產生脫體渦，這種渦可以為飛機提供額外的非線性升力。另外由于，表面壓電傳感器的捕獲流場作用，又可以通過改變溝槽形狀來獲得，最滿意的非線性升力，從而使飛機得到最滿意的升阻比。
　　2.“中國星”推進系統設計研究
　　“中國星”裝有兩臺860千牛低功耗靜音渦扇發動機。具體利用下列最新技術實現。
　　2.1變循環發動機技術
　　兩臺發動機均為變循環發動機，其可通過改變發動機一些部件的幾何形狀或位置來改變其熱力循環, 在各種飛行條件和工作狀態下提供良好的性能。變循環發動機可自發改變涵道比, 在低速飛行時加大涵道比, 以降低耗油率。在高速飛行時減小涵道比, 以增大推力。
　　2.2多電發動機技術
　　“中國星”渦輪發動機上用主動磁浮軸承系統代替傳統的滾動軸承系統,用安裝在主軸上的大功率內置式整體起動/發電機為發動機和飛機提供所需要的電源, 用全電氣化傳動附件取代機械液壓式傳動附件,實現發動機和飛機的全電氣化傳動, 同時, 發動機的控制系統也由集中式全權限數字電子控制系統改為分布式控制系統, 發動機的燃油泵和作動器也改為電力驅動。多電發動機除為飛機提供飛行所需推力外, 還為飛機上的用電系統提供電力, 發動機上的機械、液壓和氣壓系統均采用電力驅動,并且由于采用磁浮軸承而無需潤滑系統。與傳統的發動機相比, 多電發動機具有性能更好、結構更緊湊、運行和維護成本大大節省等許多優勢。
　　2.3智能發動機技術
　　“中國星”發動機為智能發動機, 依靠傳感器數據、專家模型以及它們之間的融合, 發動機全面了解環境和自身狀態, 以作出最佳決策, 并采取物理動作執行這些決策。它能對發動機的性能和狀態進行主動的自我管理, 并根據環境因素平衡任務要求, 從而提高性能、可靠性, 延長壽命, 降低使用和維修成本。
　　2.4靜音發動機技術
　　“中國星”發動機進氣道口由3塊智能吸音材料板構成。智能吸引材料板可以向舵面一樣實現偏轉，以實現最佳的發動機口進氣。吸音材料表面由打孔的金屬板構成，在表面之下是一層蜂窩狀中心的材料，最后是無孔背板。智能吸音材料可以通過主動檢測發動機聲波頻率，通過壓電材料驅動蜂窩結構的緊密程度，從而吸收特定頻率的噪聲。

天思 · 發表于 2008-12-23 13:55:31

2.5“鋸齒邊”技術　　發動機噴口采用的是“鋸齒邊”(圖2.1)。“鋸齒邊”能減少發動機噪聲中的噴流噪聲分量。由于噴流噪聲是起飛過程中的重要噪聲，因此，采用鋸齒邊能最有效地降低民用航班起飛過程中的噪聲。
　　圖2.1“鋸齒邊”發動機
　　2.6射流消聲技術
　　發動機內部運用了射流消聲器技術，通過機械直接射出氣流來，降低發動機內部空氣和機械結構的摩擦，從而大大降低了發動機內部的噪聲。
　　3“中國星”結構設計研究
　　3.1“智能可變翼”結構
　　由于“中國星”的“智能可變機翼”需要實現空間多自由度變形，因此對于“智能可變翼”的結構具有嚴格要求。利用最新發展的壓電材料為驅動器和傳感器，可伸縮彈性硅樹脂蒙皮，并用鈦合金和鋼材料網線加強，同時采用了滑動蒙皮技術，用記憶合金設計機翼內部的梁、肋和加強筋，通過合理布置梁、肋和加強筋實現機翼的多自由度變形。
　　3.2飛行器結構健康監測系統
　　“中國星”率先利用了現在正在研究的結構健康檢測系統，該系統主要應用在整機疲勞壽命監測和重要結構的損傷監測兩個方面。通過在全機布置壓電材料傳感器，能夠對“中國星”結構實現在線檢測并獲知飛行載荷譜。通過中央計算機分析，前者可以對飛機的重要結構部分獲得實時信息，從而對結構維護提供依據。后者則通過對飛行載荷譜的分析研究，對飛機疲勞失效情況的發生做出提前判斷。從而保證飛機在空中飛行時發生結構瞬間疲勞解體的惡性事故。
　　3.3飛行器結構自我修復系統
　　“中國星”機體為百分之二十的鈦合金與鋼合金鋼與百分之八十左右的復合材料構成。在復合材料中填充有環氧樹脂和硬化劑的中空纖維。當這些纖維管束被嵌入飛機結構的任一部分中，如機身、機翼中，一旦這些部分受損，這些纖維管就會漏出來封住所有孔洞，就像傷口結痂。這些材料可以修復80%到90%的損傷，使飛機能夠正常工作。通過往樹脂中摻入染料還可以令修復的損傷部位顯示為有色的補丁，這就有利于在之后的全面檢修中被清楚發現。不過，這種染料在正常的燈光環境中是看不出來的，只能在紫外光下才可見。
　　4.“中國星”控制系統設計研究
　　4.1穩定性控制
　　4.1.1縱向穩定性控制
　　飛機的縱向穩定一方面由飛機的氣動布局保證。由于飛機采用了“流線型翼身融合”整體設計，機體的側視面也為一個機翼，因此很容易使得飛機焦點落在飛機重心之后。保證飛機縱向靜穩定。另一方面，飛機采用的“智能全動襟翼”可以起到升降面的作用，從而保證飛機的縱向穩定性。此外，飛機還利用了先進的光傳操縱系統。該系統通過感知飛機的姿態，對飛機起到增穩的作用，確保在各種條件下飛機縱向穩定，防止失速發生。
　　4.1.2橫向穩定性控制
　　“智能機翼”在變形時，在兩側機翼上產生了翼稍小翼。翼稍小翼一方面可以減小誘導阻力，另一方面起又能起到垂尾的作用，可以保持飛機的橫向穩定性。由于“智能機翼”可以根據操縱變形，因此可以為飛機的橫航向穩定性提供增穩。另外，機翼有兩個副翼，副翼的偏轉可以作為飛機的航向控制。
　　4.2“智能機翼”變形控制
　　對于“智能機翼”的變形控制利用了最新發展的壓電材料為驅動器和傳感器，可伸縮彈性硅樹脂蒙皮，并用鈦合金和剛材料網線加強。圖4.1給出的是機構變形的示意圖，雖然給出的是二維圖，但三維尺度上同樣可以參考圖4.1的機構設計。圖中aj方向為展向。在c,d,g,i節點分別布置了壓電材料的驅動器和傳感器，就可以實現對機翼的變形控制。圖4.2給出了“智能機翼”閉環控制的示意圖，作動器和檢測器為壓電材料。箭頭表示氣流附著在機翼表
　　圖4.1“智能機翼”機構變形示意圖
　　面。只要運用人工智能技術，實施閉環控制技術，就能實現機翼像鳥一樣伸展變形。
　　圖4.2 智能機翼”閉環控制示意圖
　　4.3“量子計算機”技術
　　為了完成對“智能變形機翼”、“智能發動機”及飛機飛行狀態的基本控制，“中國星”自身必須具備一顆強勁的心---一臺高效能的中央處理系統。因此，“中國星”的中央控制系統采用了下一代計算機的代表--量子計算機。量子計算機與傳統計算機原理不同，它是建立在量子力學的原理上工作的。經典粒子在某一時刻的空間位置只有一個，而量子客體則可以存在于空間的任何位置，具有波粒二象性，量子存儲器可以以不同的概率同時存儲0或1，具有量子疊加性。如果量子計算機的CPU中有n個量子比特，一次操作就可以同時處理2n個數據，而傳統計算機一次只能處理一個數據。例如，具有5000個量子位的量子計算機，可以在30秒內解決傳統超級計算機要100億年才能解決的大數因子分解問題。“中國星”的運算能力可達1億億次/秒，是當今世界上運算能力最強的電腦——美國藍色基因超級計算機的35倍。
　　4.4“人工智能”技術
　　為實現“中國星”自主飛行，“人工智能”技術將在“中國星”被充分利用。并且提出了“有人操縱、無人飛行”的概念。即由飛行員對應急情況進行處理，其余情況下由“中國星”自主實現起飛、巡航、盤旋和降落。“人工智能”技術還主要體現在“中國星”的“自主學習”與“專家系統”方面，可以將以前的客機飛行數據傳入“中國星”內，“中國星”可自主形成“專家數據庫”和“學習知識庫”，用庫中的知識指導自身的自主飛行。另外，在“智能可變機翼”上的壓電傳感器會自帶微型數字處理器(DSP)，傳感器與傳感器之間形成神經網絡。神經網絡可以感知機翼外界的氣流，其作用與鳥的羽毛能夠感知空氣的機理一致。
　　4.5光傳操縱系統
　　“中國星”運用光傳操縱FBL (Fly By Light) 系統對舵面和機翼變形進行控制。光傳系統是以光代替電作為傳輸載體,以光導纖維代替電導線作為物理傳輸媒質，應用光纖數據傳輸技術在飛控計算機之間或飛控計算機與遠距離終端(如舵機等)之間傳遞指令和反饋信息的飛行控制系統。
　　與電傳(FBW)相比，光纖傳輸技術之所以得到迅速的發展,是由于它具有許多非常獨特的優點：
　　(1) 頻帶寬、信息容量大. 目前單模光纖的帶寬可達THz·km 量級；
　　(2) 傳輸損耗低、傳輸距離長. 光纖損耗降至0. 2 dB/km 以下,比電纜小1～2個數量級；
　　(3) 抗干擾性強,使用安全. 光纖傳輸密封性好,有很強的抗電磁干擾性能,不易引起信號串擾,不打火花,耐高溫和耐腐蝕,具有很高的可靠性和安全性；
　　(4) 體積小、重量輕,便于在狹小的空間敷設；
　　(5) 運用波分和時分技術,光傳操縱具有靈活的數據總線協議和結構。
　　4.5全球定位系統—第三代北斗星導航系統
　　“中國星”的導航與定位，將采用中國自行研制開發的全球定位系統--第三代北斗星導航系統。第三代北斗星導航系統性能如下：
　　(1)覆蓋范圍：第三代北斗導航系統能全天候覆蓋全球所有區域。能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到15顆衛星。
　　(2)衛星數量和軌道特性：第三代北斗導航系統在地球8個軌道平面上設置50顆衛星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛星為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。
　　(3)定位原理：第三代北斗導航系統利用被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。
　　(4)定位精度：第三代北斗導航系統三維定位精度能達到厘米級，授時精度約2ns。
　　(5)用戶容量：第三代北斗導航系統單向測距系統，用戶設備只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此第三代北斗導航系統的用戶設備容量是無限的。
　　(6)生存能力：第三代北斗導航系統正在利用星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛星可以獨立運行。
　　5.客艙布局和艙內設施設計
　　“中國星”的客艙分為上下兩層，包括有頭等艙、商務艙和經濟艙三種類型。其中“中國星”上層為頭等艙，能容納200人，內部裝飾非常豪華，各種休閑娛樂及辦公設備一應俱全。此外，“中國星”上層設有5套總統套房，按5星級標準設計。上層還設有商場，在這里旅客可以買到全世界的無稅商品。另外，還包括了一個酒吧和一個健身場所。讓乘客在旅途中得到全面放松。
　　“中國星”客艙下層為商務艙和經濟艙，商務艙共有座位400座，分為10排，每排四十座，共八通道。經濟艙也設有400個座位，其布置模式與商務艙相同。商務艙，能夠支持無線網絡連接，并提供全球免費衛星電話，此外還包括前排位置椅背上的LCD顯示器提供的XBOX3和PLAYSTATION5的游戲功能以及最新電影的免費觀賞。經濟艙不提供無線網絡連接和免費衛星電話外其余設施與商務艙一致。
　　6.“中國星”超大型可變翼飛翼布局客機設計方案的主要數據
　　翼展(高速巡航)：86米
　　翼展(低速起飛、著陸)：125米
　　機長：88米
　　機高：32米
　　空重：360噸
　　最大起飛重量：620噸
　　安裝兩臺低功耗靜音渦扇發動機，單臺最大推力：860千牛
　　最大載客量：1000
　　最大飛行速度：M0.91
　　最大巡航速度：M0.88
　　最大燃油航程：18000千米
　　最大載重航程：14000公里
　　實用升限：14千米

天思 · 發表于 2008-12-23 13:56:47

精“鷹”無人戰機　　1、總體設計概述
　　隨著各種新型無人機種的出現，無人機將一改過去和戰場上充當輔助角色的狀況，不僅會在未來戰場上與有人戰斗機平分秋色，甚至還有可能取代有人戰斗機，占據空中作戰主力軍的地位。無人戰斗機，采用人在回路中的控制方式，由地面指揮中心控制，能夠執行對地攻擊和空戰任務。無人戰斗機相對于有人戰斗機來說最大的特點就是“將飛行員的大腦放在駕駛艙中，而將身體的其他部分放在家中”，從而避免了人員傷亡或被戰俘。另外，由于它是無人駕駛，只要是結構強度允許，它可作任意高機動，大載荷飛行，而無需考慮駕駛員的生理和心理極限，這是有人戰斗機永遠所無法比擬的。
　　精“鷹”無人戰機是集眾多性能于一身的一種新型無人戰機，它在未來的戰爭中占有重要之地，是對未來無人戰機的一種合理想象。它采用三翼面布局，翼身融合技術，S型進氣道,隱身性能較好的橢圓進氣道唇口，翼展約10m，機長12.5m，機高9m，采用整體式機翼油箱，載油量可達5-6噸，低速巡航馬赫數約為0.8,實現 “變體”后高速巡航馬赫數約為2.0＜主要是改變上反,兼顧低速穩定性和高速機動性＞。從遠處望去，它就是一只展翅翱翔的雄鷹，故將其取名為精“鷹”。
　　2、設計創新點
　　2.1 機翼以雄鷹的外形為參考，進行仿生設計。一方面可以提高飛行時的橫向穩定性,還可以減少飛行的誘導阻力,并且采用翼身融合布局,整個飛機作為一個升力體,具有較大升阻比.
　　2.2采用操縱效率較高的三翼面布局，即機翼、鴨翼和平尾，但無垂尾。一般魚是有垂尾(鰭)無平尾，而鳥是有平尾(尾巴)無垂尾的。
　　2.3精“鷹”無人戰機是一種先進的“變體”飛行器，它借助于未來智能結構和先進控制系統，即可改變機翼的上反角，實現飛機低速時的優異穩定性能和高速時的良好機動性能，又可以進行柔性機翼的收縮折疊，減少飛行器的存放空間。作為一種艦載戰斗機，占有體積小是精“鷹”無人戰機的一大優點，當降落在航空母艦上以后，機翼就像鳥一樣收縮折疊于機身內部。
　　2.4 油箱采用“海綿擠壓式”機翼油箱，根據發動機的蠔油特點來控制擠壓海綿的速度。這種機翼油箱一方面能夠增加燃油質量，提高了續航性能，另一方面又很好的解決了因為燃油晃動造成能量損失和飛機振動問題，其機翼油箱平面機構見圖4 。另外飛機還具有空中受油能力，受油口設置在機身背部.
　　2.5 精“鷹”無人戰機機身設計成船形，采用未來先進的流體密封技術，如果在航母上降落失敗或攔擊鋼索斷裂，就迫降在寬闊的海面上。
　　2.6 前置鴨翼設計成滑動式，低速起降時，鴨翼自動向后滑動，形成近耦鴨式布局，利用鴨翼的脫體渦對主翼形成有利干擾，增加整機升力，同時還能避免低速時過大的靜不穩定。高速時巡航時，鴨翼能自動向前滑動，形成遠耦鴨式布局，有效阻止使氣動焦點后移，減小配平阻力。
　　另外說明：翼型采用超臨界翼型，提高它的臨界馬赫數，特別是翼型的阻力發散馬赫數，以便推遲翼形的跨聲速氣動特性的劇烈變化，同時還能增加升力。由于初初接觸CATIA三維設計軟件，對它的一些功能還不熟悉，所以翼型沒有在圖上具體繪出。
　　3、性能特點
　　3.1 該戰機采用三翼面布局，它有以下幾大優點；
　　首先，通過鴨翼-機翼后緣-平尾的操縱控制，提高了飛機操縱效率和減小了配平阻力，充分發揮了主動控制技術的潛力。其次，采用三翼面和機翼邊條，大大提高了飛機高速大迎角時的機動性能。再次，在同樣的機動過載下，三翼面載荷分布更為合理，對減輕結構重量有利，并且有效的解決了一味的增大襟翼面積和偏度所帶來的問題。最后，它便于實現直接升力控制，從而達到了對飛行軌跡的精確控制。對于未來先進的戰斗機，特別強調高機動，大載荷性能，因此三翼面布局是未來戰斗機的一種很有發展前景的布局形式。AFTI-15驗證機就是在F-15飛機上增加鴨翼形成的三翼面布局
　　飛機，其機動性能得到大大的提高。另外說明精“鷹”無人戰機是一種變體飛行器，它依賴于一種具有“形狀記憶”能力的合金和其他新型的“智能”材料，能使飛機的機翼通過柔性變形彎曲等來形成新的形狀，以使飛機的外形結構更適合不同飛行任務和飛行條件下的性能要求。低速時飛機帶有一定的上反角，提高其低速時的穩定性能和起降性能，高速飛行時則依賴于柔性結構減小其上反，以提高高速時的機動性能。甚至在進入格斗狀態時，可以時機翼略帶有一點下反角，通過靜不穩定性來增強飛機的機動性能，在整個戰斗中居于有利位置。
　　戰斗時利用柔性結構實現了飛機的變體
　　3.2 精“鷹”無人戰機具有良好的隱身性能。
　　1.它采用翼身融合技術，機翼機身平滑過度，融為一體
　　2.進氣道設計成S型彎道，使強散射源進氣道減弱散射強度
　　3.武器內埋于機身，以避免雷達的探測。
　　4.發動機采用特種冷卻技術，從噴管排出的溫度極低，大概只有幾攝氏度，使紅外信號大大減弱，能夠順利的躲避敵方的紅外探測。
　　5.采用未來等離子隱身技術，被敵方發現的概率可降低90%，即能真正實現“全隱身”設計目的。
　　3.3 無人機由于載油量的限制，一般航程航時都很短。精“鷹”無人戰機作為未來新型戰斗機，必須強調它的續航性能，以提高作戰半徑和遠程飛行能力。
　　1.全機選用復合材料，重量輕，發動機采用加力式渦輪風扇發動機，蠔油率低，熱效率高。由航程航時公式T=∮＜ηK/gqG＞dG，L＝∮＜ηVK/gqG＞dG知續航性能得到提高。
　　2.采用整體式機翼油箱并且具有空中受油能力。為了防止燃油在油箱中晃動造成能量損失和飛機顫動，特意制造了“海綿擠壓式”油箱。
　　3.精“鷹”無人戰機還具有空中受油能力
　　3.4 短距起飛、著落能力是精“鷹”戰機的又一性能特點。
　　1.發動機選用加力渦輪風扇發動機，采用了新穎的外骨架結構，即用全新的復合材料鼓式轉子，取代了常規噴氣發動機中笨重的盤和軸，使發動機重量減輕三分之一，這樣大的重量減輕能讓推進系統的推重比大幅提高，能瞬間獲得很大的加速度，并且矢量推力和反推力與前鴨翼結合，進一步縮短了起飛著落距離，適合在航空母艦上起降。俄羅斯的SU-37改進型載戰斗機同樣也是在SU-27基礎上增加鴨翼形成三翼面布局，不但解決了增大襟翼面積和偏度帶來的問題，更大大提高了襟翼的增升效率和起降時的升力。
　　2.令我們更加關注的是精“鷹”無人戰機機身設計成船形，即使在航空母艦上著落失敗或者攔機鋼索斷裂我們也不必擔心，它還可以迫降在海面上，那里永遠是世界上最廣闊的“機場”。
　　3.5 優異的作戰性能
　　精”鷹”無人戰機裝有20mm以上的航空機炮,同時內掛多枚雷達制導的中距攔擊導彈紅外跟蹤的近距格斗導彈,也可以攜帶3-4噸的航空炸彈或其他對地攻擊武器.雷達為合成孔徑雷達,進行搜索時的分辨效率達1M,進行識別的分辨率達0.3,能同時跟蹤幾十個目標并攻擊其中數十個.
　　4.采用的未來先進技術
　　等離子隱身技術，發動機特種冷卻技術，先進流體密封技術，未來智能結構和先進控制系統實現飛機變體。

天思 · 發表于 2008-12-23 14:03:15

聯合戰斗機設計

天思 · 發表于 2008-12-23 14:04:31

藍色天使”蜻蜓翼飛行器　　飛行自古以來就是人類的夢想，自從飛機發明以來，人類的飛行方式在不斷的發展與完善。
　　設計目的：
　　方便、簡潔的實現每一個人的飛行夢想。
　　“藍色天使”蜻蜓翼飛行器是根據這種要求而設計的，飛行器采用混合動力，由電力和太陽能混合驅動，滿足環保和綠色能源的需要。
　　飛行器結構及工作原理：
　　1、機翼：飛行器采用雙排翼結構，在符合空氣動力學的基礎上，模仿蜻蜓的翅膀形態，可靈活調整，在科學計算的基礎上達到滑翔、上升、俯沖、自由轉向等操作目的。
　　2、機身：機身采用輕質納米級新材料，堅固，附有太陽能吸收等功能，可方便將飛行中捕捉到的太陽能轉化為電能。采用垂直分體式結構，分別有駕駛座、操縱區、電子及雷達控制區、儲物區等。
　　3、發動機：采用一個主發動機和兩個副發動機，主發動機位于飛行器上部，主要產生向前的動力。副發動機位于飛行器下部，儲物區兩側，有兩個小發動機組成，可270°旋轉方向，從而提升了飛行器的機動性，可完成垂直起降、加速、減速、空中懸停等目的。
　　生產實用性預測：
　　這款飛行器的設計思想主要是為個人服務，所以在飛行速度上要求不是很高，不能滿足長途旅行的需要，但是可作為一種休閑的交通工具，滿足人們放松心情、自由飛翔的愿望。
　　由于這款飛行器的操作十分自由，可原地垂直起降，空中懸停，滑翔和加速，大多數動作有電腦進行科學計算后完成，降低了技術門檻，提升了其普及的可能性。
　　相信這是一款屬于未來的人人都可實現飛行夢想的飛行器。

天思 · 發表于 2008-12-23 14:05:06

大型垂直短距離起降運輸機

　　機長55M 機寬45M 機高10M
　　擁有一只大型運輸機隊是一個空軍大國的標志，而一型先進的大型運輸機能夠有效的提高空軍的戰斗力。
　　Y20大型等離子隱型短距離/垂直起降運輸機，采用聯翼結構，上翼后掠30度，下翼前掠30度，兩翼用垂直翼面連接。擁有6臺大推力的發動機。其中4臺埋在上翼內，2臺在下翼外側，可向下偏轉90度。。
　　該機有四個特點，一是寬機身，擁有比同級別的大運輸機更寬更高的貨艙，方便運載體積更大的貨物，其二是具備隱身能力，通過把發動機埋入機體內部，優化機體表面，攜帶等離子發生器這些手段，減少RCS數值。其三是具有短距離/垂直起降能力。主翼部分的上翼后的襯翼面，能夠向下轉動75度，再與下翼，上下翼的連接面結合，能夠行成完整的空氣通道，把發動機產生的高速氣流改變方向，使其向下噴射，產生垂直動力。而下部的2臺發動機，通過整體偏轉，能夠向下噴射。另外再結合上下兩部分的主翼面的大面積，前掠的下翼能夠提供的巨大升力，使的Y20能夠具備滿載時短距離起飛，輕載時垂直起降的能力。其四，因為在設計時就大量采用模塊化設計，使Y20在戰時能夠快速的修理，在平時，擁有巨大的改裝潛力。6臺大推力發動機，在起降時能夠提供可觀的動力，在巡航時，又能為等離子隱型發生器提供電力支持，在改裝成預警機，電子對抗/偵察機，戰場監視型等特殊機體時，能夠直接提供電力支持。改裝時只需要更換相應部分的機身模塊，通過接口連接上即可。

天思 · 發表于 2008-12-23 14:06:22

"和諧號"環形翼超聲速旅客機
“和諧號”是繼“協和號”之后的未來先進超聲速客機，它采用了與傳統飛機布局形式所不同的環形機翼以及尾吊式發動機布局，融合了環翼機和弓形翼飛機的氣動優勢，采用了激波控制技術、激波壓縮升力技術、氫燃料技術、層流減阻技術、柔性蒙皮技術、音爆抑制技術等先進技術，高空巡航速度可達M3，航程達13000千米。
　　設計特點及技術創新：
　　1、新概念環形翼：
　　“和諧號”采用大后掠環形機翼，這也是該飛機的最大亮點，世界各航空大國都對環翼飛機進行過研究，與普通機翼對比，環翼機有以下幾大優點：(1)翼展小，在升力相同的條件下，環翼比平面機翼小30%，這對于運輸、停放和生產組裝都是難得的優點。(2)重量輕，機翼兩端連接成一個圓環，機翼的強度和剛度顯著提高，因此結構重量可以降低，這對飛行所需的燃料和發動機推力都有利，并能提高飛機的商載。(3)抗振性好，與平面機翼相比，環翼的抗扭和抗彎能力都非常強，不容易出現平面機翼會碰到的顫振問題。(4)機動性好，環翼飛機的轉彎是靠環翼產生的側力完成的，轉彎時不需要象常規飛機那樣先傾斜，環翼機很容易實現直接側力控制技術。與傳統的亞聲速環翼概念不同的是，“和諧號”采用了大后掠角的高速環形翼并在上端形成了類似弓形翼概念的乘波翼，這樣的設計是出于其高速巡航飛行的需要，大后掠角有利于高速飛行并有利于加強方向安定性和改善高亞聲速特性，弓形翼則出自乘波的概念，波音公司曾對弓形翼戰斗機概念進行過深入研究，但由于弓形翼不利于飛機隱形而作罷，但對于民用旅客機，這種技術完全可以應用。“和諧號”超聲速飛行時，機頭產生的激波可以集中在環形翼的前緣，增大機翼下表面的壓力，而上表面卻沒有相應的壓力與之平衡，故飛機會獲得一個很強的激波升力，同時飛機的阻力并不增加，這樣便大大提高了飛機超聲速巡航的升阻比，大大降低了燃料消耗，提高了飛機的經濟性。
　　2、柔性蒙皮技術及激波控制技術
　　“和諧號”的機頭和部分機翼采用了先進的智能柔性蒙皮技術，可以根據飛行狀態智能調節外形，提高整體的氣動性能，如形成操縱面、自動形成層流翼型、以及通過振動增加邊界層流動能量或清除邊界層，這種柔性蒙皮能大大提高飛機的氣動性能，使得飛機在大部分飛行狀態下都能保持高的氣動效率，好的操穩特性。機頭整流罩采用的柔性蒙皮可以在低速飛行如起降時變形，使得機頭產生脫體渦，對機翼進行有利誘導，產生渦升力，改善飛機的低速性能。在高速時，機頭柔性可變形整流罩與頭部激波桿組合變形，控制不同速度下的激波形狀，使激波正好打在機翼前緣，產生壓縮升力。
　　3、尾吊式渦扇沖壓發動機：
　　“和諧號”采用了非常規的尾吊式發動機方案，這種方案有諸多優點：(1)減少配平阻力，飛機高速飛行時氣動中心后移，需要壓平尾進行配平，壓平尾形成的向下氣動壓力產生配平阻力，機尾發動機的重量形成自然的配平力矩，減少配平阻力。(2)降低客艙噪音并提高安全度，發動機距離客艙比較遠，會大大降低噪音和振動對客艙的影響，提高乘坐品質；一旦發動機發生故障，如渦輪盤破碎，碎片不易傷及乘客。(3)檢修方便，維護人員可以很方便的在地面對發動機進行檢修或更換。
　　“和諧號”的巡航速度為3馬赫，在該速度下沖壓發動機具有比普通渦輪發動機高的多的效率，因此采用綜合效率最優的渦扇沖壓雙模態發動機。
　　4、音爆抑制技術：
　　由于超聲速飛行會產生很強的音爆，對地面的居民的影響非常大，因此超聲速飛行受到很多限制，研究表明：只要對機身進行精細的修形，可以利用機身各部位產生的激波在相位上的差異，誘使它們互相對消，使傳遞到地面的 N 形波的強度減小，至少不再尖銳，減低音爆的影響。“和諧號”的機身經過細致的布置，再加上機頭和機翼柔性蒙皮在計算機的控制下綜合聯動，進而控制激波的形狀和相位，使得滿足飛行性能的前提下讓激波對消，這樣便大大抑制了音爆的強度，使得超聲速飛行變得安靜許多。
　　5、氫燃料及主動防熱技術：
　　傳統的超聲速飛機尾氣排放會對大氣尤其臭氧層造成嚴重的破壞，因此無毒無污染的氫燃料技術得到青睞，同時氫燃料具有質能比高的優點，所以在相同的航程下，氫燃料飛機攜帶的燃料要比普通飛機少的多，這樣可以大大提高飛機的商載或航程。但傳統的低溫儲氫技術體積很龐大，使得其在飛機上的應用受到限制，碳納米管儲氫技術將成為這一問題的極佳解決方案，碳納米管具有儲氫量大、儲氫溫度高、結構重量低的優點，在“和諧號”中，儲氫的碳納米管分布在機翼及機身高溫部位的蒙皮下，這樣可以一舉兩得——高速飛行產生的熱量非常大，而“和諧號”利用在高熱部位的碳納米管以及燃料輸運管，可對蒙皮和結構進行主動冷卻，同時，燃料也得到一個預熱的作用，提高了整體的能源利用率。
　　6、層流減阻技術：
　　減阻是提高飛行器性能以及效費比的重要方式，“和諧號”采用任務自適應柔性蒙皮，可以根據任務需要產生層流翼型，并可以通過振動激勵增加邊界層能量，在主翼段重點部位還設置了邊界層吹吸孔，通過推遲轉捩保持層流流動，減少阻力。
　　“和諧號”環形翼超聲速旅客機技術數據：
　　翼展：40米
　　機長：90米
　　機高：60米
　　空重：100噸
　　最大起飛重量：200噸
　　四臺渦扇沖壓雙模態發動機，單臺最大推力：300千牛
　　最大載客量：230
　　巡航速度： M3.0
　　最大航程：13000千米
　　最大商載航程：11000千米
　　實用升限：25000米
　　起飛滑跑距離：1700米
　　著陸滑跑距離：1500米
　　“和諧號”采用了先進的非常規氣動設計，使得飛機具有異乎尋常的性能，乘客可以通過它盡情享受神奇的高速飛行“和諧之旅”所帶來的快樂和節約時間帶來的便利，而不必擔心票價過高，因為飛機具有很好的經濟性，技術的進步使普通老百姓都能承受的起高速飛行的票價，“和諧號”定能促進全世界的和諧發展。

天思 · 發表于 2008-12-23 14:07:19

白鯨“級多用途航空中繼飛艇
隨著科技的不斷進步，未來的交通必定朝著立體交通的方向發展。更多的私人航空器進入千家萬戶，人們的出行變得異常的方便、高效。但普通航空器仍然離不開地面的支持，如燃料的補給，人員的休息等。特別是小型航空器在遠程飛行時，因航程的限制，起降次數比較多，由于空氣阻力及地球引力的關系，每一次的地面起降都要消耗大量的燃料，這樣就使得小型航空器的遠程飛行非常的不經濟，因此我設計了這一款“白鯨”航空中繼飛艇。
　　此款航空中繼飛艇長400米，寬50米，艇身采用兩架硬殼式飛艇連接而成，飛艇內充氦氣，各氣囊采用隔艙化設計，保證了飛艇的安全。飛艇上部鋪設飛機跑道，艇身中部設有機庫、貨艙及燃料艙庫，下部吊掛人員休息艙。飛艇由尾部的四臺螺旋槳發動機驅動，而能源由艇身上跑道兩側鋪設的大面積太陽能電池板提供。
　　此飛艇飛行在一萬一千米的平流層，每艘飛艇分別停留在固定的區域，做為小型飛行器的高空中繼站。當有飛行器接近時，飛艇會向飛行器發送詢問信號，確認需要降落時會引導飛行員飛往降落進入區域，然后飛艇的計算機接管飛行器的控制權，并使其準確降落在飛艇跑道上，防止因人員的操作失誤引起重大事故。降落后，工作人員通過跑道一端的升降機將飛行器運送到機庫，并按需要為其添加燃料及設備維護，人員也可在飛艇底部的艙室內休息用餐。
　　當飛行器需要再次起飛時，飛艇內的空管人員清理出跑道，即可放飛。由于在高空起飛，飛行器不需要使用很大的發動機推力即可飛離飛艇，因此可以大大減少燃料的消耗。如果天空中每隔一定的區域就設置一架中繼飛艇的話，那么小型的航空器就可以采用類似蛙跳的方式，從一個中繼戰飛到另一個中繼站，直至到達目的地。另外飛艇內還設有大型的貨艙，尾部開有艙門，在特殊情況下也可執行遠程運輸的任務。另外由于飛艇的飛行高度高，留空時間長，還可做為電子信號的中繼站來使用。

天思 · 發表于 2008-12-23 14:08:16

個人休閑型飛行器
定位于年輕家庭和獵奇探險的休閑型飛行器,牢固而更具人性化的考慮,前艙的駕駛及休息間,后艙的飯廳及廚房,人性化的功能空間分割,使整個飛行器在除了造型以外的功能上更接近流行趨勢。優雅時尚的前懸門設計，在概念設計中作為車家族的開門方式較為常見，但是，配置在飛行器上，更加具有強烈的視覺感官，沖破以往飛行器的刻板印象，新從頭開始。
　　明亮的黃和中庸的灰色搭配，色彩上跟具有親和力，使人眼前一亮。在空中飛行中色彩的人機更為重要，外型的色彩直接關系到，分辨度，警示等。飛行器在造型上采用“梭”型，對造型而言。具有流體感的梭型代表的是速度，與爆發力，中寬兩端窄的造型，更符合空氣動力學，結構更為穩固。變換的機翼以及可以隨時變換行進方式也是此款飛行器的一大亮點，直升機的利于停靠，方向掌握，噴氣式的速度融為一身，機身由固翼，和可伸縮折疊的螺旋槳組成(螺旋槳可后移變形后變為固翼)，頭似汽車，車身似飛機。有可折疊型起落架，可收起。前艙主要為透明構成，前艙蓋由前翻起打開，機身后部有櫥柜和爐具，可折疊餐桌和椅子相互拼接為后艙，在打開時候使用。機后有噴氣式助推器，在進行高速飛行的同時，螺旋槳變固翼，雙翼平飛，換噴氣式飛行狀態。
　　在民用方面，這兩種飛行狀態的結合，實際上最為實用。
　　氫能源是啟用綠色設計的首要元素，耐用而環保的氫能源電池，是此款飛行器的綠色心臟。

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第三屆創新杯飛行器設計大賽獲獎作品(部分)

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