设计新颖,构思巧妙|构思巧妙
时间：2019-04-21 03:28:29 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
天空骑士开裂倾转复合翼无人机 西安天空骑士航空科技发展有限公司的参赛作品“天空骑士”是一种结合固定翼和直升机优点的开裂倾转复合翼技术验证机（图1），在飞机总体布局上属于非共轴式蝶形飞行器。与常规布局的旋翼式飞行器相比，其结构更紧凑，突破了单一旋翼的升力局限，能产生更大的升力。
传统的直升机实现复杂动作，如垂直飞行、悬停、前飞、后飞、侧飞等，主要依靠旋翼和尾桨（单旋翼直升机）或两副旋翼
（双旋翼直升机）的不同组合进行操纵。而开裂倾转复合翼验证机，则是通过调节电机转速来改变旋翼转速，实现拉力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。开裂倾转复合翼验证机使用4发动力装置，4个螺旋桨分别由4个独立的电机驱动。2个涵道风扇逆时针旋转，而另外2个涵道风扇顺时针旋转，从而抵消反扭力矩。
在垂直起降、空中悬停过程中4个螺旋桨提供全部升力，螺旋桨的动力喷流吹向下方，产生向上的动升力。通过改变4个电机的转速来实现俯仰、滚转、偏航控制，使无人机完成垂直起降、空中悬停、前飞、倒飞等机动飞行。由悬停过渡到前飞时，螺旋桨向前倾转，升力由螺旋桨和机翼共同承担。当达到一定飞行速度时，升降舵也可参与飞机的配平，实现飞行器的稳定过渡飞行。当螺旋桨达到90°倾转后，飞行器进入固定翼飞行模式，这时螺旋桨的动力喷流吹向后方，推动无人机水平高速飞行。由于此时大翼展的主机翼承担了整个机体的重量，发动机功率可大幅度地降低，因此能大大增加航程（图2、图3）。
这种开裂倾转复合翼无人机既具有随时随地垂直起降的优异特性，又能够发挥固定翼飞行器高速平飞、长航时、大航程等优
势。通过携带多种模块化的任务载荷，可成为一种机动灵活、轻小实用的“多功能飞行平台”，在军事﹑警用和民用领域具有一定的应用价值和市场前景。
高超声速隐身多用途无人战斗机
本次大赛的报名面向大众，有很多以个人名义报名参赛的选手。这种全民参与、共求创新的气氛很好地体现了本次大赛的精神，丰富了比赛的内涵。这架“高超声速隐身多用途无人战斗机”即为个人参赛作品。
很多人认为，高性能的先进无人战斗机，将逐步取代有人战斗机，成为未来争夺制空权的关键战力。本作品即是参赛者对未来战斗机调研后提出的一种先进无人战斗机方案（图4～图6）。
该机整个机身为宽体扁平外形，上表面是升力翼型，下表面是近似平面。这样设计一方面能提高隐身性能，另一方面能提供升力，减轻翼载荷。机头采用鸭嘴形扁平曲线外形，一直延续到机尾，以提高隐身性能，同时在横向和纵向均使机身外轮廓处于高超声速激波夹角内，以保持高超声速时低阻力。进气道位于宽体机身前中部腹下，横跨整个机身，形成宽体大开口机腹进气道，既保证亚声速及超声速大迎角机动飞行时能充分进气，也保证了高超声速飞行状态下，气流经下表面机身进入进气道，为超声速燃烧冲压发动机提供充分的冲压压缩气流。
机翼采用大后掠三角翼，并配置近距耦合前置鸭翼。小展弦比机翼保证提供良好的滚转、盘旋等机动飞行性能，而其较大的根
梢比能够在满足结构强度要求的前提下，大幅减重，并加大翼面积、减小翼载荷。由于翼根较长，机翼与机身充分融合过渡后，能提供较大机内空间，并兼顾隐身性。鸭翼前缘后掠角为60°，与机头方向上下机身分界的大后掠角S 形过渡曲线平滑过渡，保证了在亚声速、中超声速和高超声速都具有良好的低阻外形。鸭翼安装平面与主翼在同一个平面上，前后缘及翼尖应分别与主翼相同边缘平行。在大迎角机动飞行时，与边条翼协同产生涡升力；在滚转时提供差动扭转控制力；在陆地简易短距机场或航母降落后，大角度偏转实现减速板功能。
根据其设计特点判断，该机可在常规战术亚声速和中超声速空中优势制空、高超声速突防和对地攻击、对舰攻击和高超声速飞行、拦截弹道导弹、攻击航母和军用机场等战略用途方面发挥强大的力量。
红色万能无人战斗系统
该项目为个人项目（图7～图10）。红色万能无人战斗系统提出了一种新的设计思路：将作战飞机的起落架与主机体分离开来。起落架在保障飞机升空后与主机体分离，依靠自动驾驶技术先行返回机场；主机体需降落时，可分离飞行起落架加油起飞，在空中与返航的主体机对接，帮助其安全返回地面。这种可分离飞行起落架可为飞机节省可观的重量，从而使其能携带更多的有效载荷。
该机由战斗机本体和飞行起落架两部分组成。起飞前和起飞时，两者组成一个完整的飞行体。起飞后两个单体分开，主机体向着目标飞去，飞行起落架则返回机场。主机体完成任务返回时，飞行起落架从地面起飞与它对接，再次形成一个整体飞行体，共同完成降落。主体机与飞行起落架的对接采用类似于空中软管加油的方式，即主体机从腹部抛出一个带锚的软管，通过矢量喷气推力操纵，使其在自动控制系统或人工操纵下主动接近飞行起落架。飞行起落架从主体机下方进入对接范围后，用一个叉形的捕捉装置捕捉带锚软管。当其被捕获后，由叉形捕捉器中间的一对摩擦轮夹住，摩擦轮转动，就会拉动牵引飞行器与飞行起落架之间的牵引索，将两者拉近。
飞行起落架是该项目的主要创新之处。该飞行起落架采用鸭式布局，面积较大的主翼位于后部，减少了与主机体机翼之间的气动干扰。起落架主翼靠后安装也适合与主机体配合（位于主机体重心处），在两体结合飞行时比较容易形成双翼机模式。除了用于航空领域，这一概念也可用于太空飞行器。与大气层内飞行相比，减轻飞行器结构重量对于后者来说更具有积极意义。美国航天飞机为起落架付出的燃料多达上百吨，由此可见这类新型起落架所具有的意义。
四旋翼/机翼混合飞行器
该项目为个人项目（图11、图12）。四旋翼/机翼混合飞行器是一种同时具备垂直升降和固定翼飞行能力的飞行器。该机机翼可相对于机身做360°水平旋转，在定向垂直机翼的作用下，水平机翼始终正对气流，且其角度可按照气流的速度调整。这样无论在高速、低速飞行还是垂直悬停状态，全向机翼都可以利用气流为飞行器提供升力。与现有技术相比，其新型机械结构，降低了动力消耗，增加了留空时间。该机还可利用安装在机体上的4个小型旋翼垂直起飞，提高了通用性。
为了在变化无常的气流中及不同的飞行状态下保持稳定姿态，该飞行器着重加强了其姿态主动控制能力。由三维加速度传感器和三维角度传感器检测飞行姿态，气压传感器检测飞行高度、航速、GPS定位、磁罗盘定向，再加上数据传输微机处理器等构成了一套完整的飞行控制系统。
根据参赛者介绍，该机经进一步改进还能达到以下技术要求：
1．自动能源补充功能。在静止状态用贴在机翼上的薄膜太阳能电池充电，夏日晴天正午2小时可充满，然后自动处于待飞状态。
2．在风速为5m/s、晴天的条件下，充足电的飞机续航时间大于30min，最高速度达到30km/h，最大航程大于10km；
3．具备自动起降能力，并可按设定航点和高度自主飞行。起降场地仅需半径20m的平地，每次自动降落都能落到这个范围内并维持随时可自动起飞的姿态。
鸭式旋翼/机翼飞行器
该项目为个人项目（图13～图15），提出了一种将共轴双旋翼、变后掠翼与旋翼/机翼技术相结合的设计方案。这种飞行器以类似于直升机的方式起降，当垂直升到一定高度时旋翼被锁定在机身上成为固定机翼。该机既具有直升机的垂直起降和空中悬停能力，又能像固定翼飞机那样高速巡航飞行，而且具有较低的信号特征和较好的高速飞行生存性。
作为该项目的核心，其机翼设计颇费了一番心思。旋翼/机翼系统采用共轴双旋翼方案，解决了反扭矩问题，并可在旋翼转换机翼的过程中产生对称干扰，从而提高了模式转换稳定性。对于旋翼/机翼飞机，机翼锁定机构是其必要组成部分。该机的锁定机构通过机械方式实现，原理类似于圆珠笔活动结构。在旋翼中心主轴下部，垂直于主轴方向延伸有两圆杆，当旋翼停止于某一位置后，应用可控制旋转角度的对称楔形圆环向上卡死。在固定翼模式飞行时，也可在不同飞行速度利用这一机构控制旋翼的前后掠角。在翼型设计上，为实现超声速巡航能力，选用中心对称翼型并配合共轴双旋翼。这种无人机比常规直升机更快、更高、更远、机动性更好；与常规喷气式固定翼飞机相比又具有垂直起降能力和更好的使用灵活性。
“巡天戟”倾转翼无人机
该项目为个人项目（图16、图17）。“巡天戟”倾转翼无人机能够进行常规滑跑起降、短距离起降、垂直起降，并能在飞行过程中改变尾力臂长短。该机与常规布局固定翼飞行器最大的不同点是：机翼通过一根设在距其前缘30％翼弦处的倾转轴与机身相连；机翼与机身之间可在±90°的范围内由人工操纵做任意角度的倾转。为了更好地提高可操纵性，还配合采用了全动式水平尾翼，最大操纵范围为±20°，并由陀螺仪控制，以保持飞行器的俯仰平衡。
“巡天戟”采用双螺旋桨拉进方式，左右2个螺旋桨旋转方向相反。2个螺旋桨布置得尽量靠近翼尖，主要是为了万一操纵、控制桨的转速或控制桨盘的动作不够柔和时，飞行器的反应不至过于灵敏。对于螺旋桨的旋转方向，则是考虑到它们产生的旋转滑流与翼尖涡流旋转方向相反，可在一定程度上抵消不利影响，减小机翼的诱导阻力。
短距起飞时，人工操纵2个螺旋桨同时上扬一定角度，使其拉力线发生改变，除为飞行器提供向前的拉力外，还为飞行器提供了一个向上的分力。这个分力可补偿飞行器起飞阶段机翼的升力，从而实现短距起飞。垂直起飞时，首先接通陀螺平衡仪，然后操纵机翼倾转90°，水平尾翼安装角不变。通过提高螺旋桨的转速，为飞行器提供垂直起飞所需的拉力，同时用陀螺仪维持飞行器垂直上升的平衡稳定。当到达预定高度后，操纵机翼逐步倾转到平飞状态。
“升腾60”耦合式
多翼布局无人运输机
该项目为个人项目（图18），提出了一种耦合式多翼面布局。其特点是采用联接翼设计——前翼和后翼在机翼翼梢处通过整流装置连接，形成菱形翼；机翼位于前翼和尾翼上方，并通过整流装置相互连接，组成“盒式机翼”结构。这种盒式结构比常规机翼结构更轻、刚度更强、升力更大、稳定性更好。
多翼面布局可减小诱导阻力、增加升力，比常规布局具有更好的稳定性和抗失速、抗尾旋能力。在遭遇风切变时，前翼、机翼和尾翼都能产生滚转阻尼，保证横向稳定性。通过在翼面布置多个气动操纵面，能够实现3个方向的直接力控制，减小配平阻力。翼尖前后上下连接，提高了翼面的结构强度，使之能够承受更大的翼载荷，反之，在载荷一定的情况下，能够减轻结构重量，同时还能保证翼面具有很好的刚度。
无人运输机有多方面的用途和优势：面对突然发生的自然灾害时，使用无人运输机可快速开展救灾，如空投食物、医疗用品、帐篷、发电机组等救灾物资；组成无人运输机队可昼夜不停地将大批救灾物资运送到灾区，减小灾区的人员损伤；无人运输机还可用于在不同地理条件下，如雪地、海洋、湖泊等进行物资运输。
蜻蜓扑翼机
该项目为个人项目（图19、图20）。
翅膀是飞行动物产生推力和升力的主要器官。对于低雷诺数的小型飞行器，类似于昆虫的飞行方式有其独特的优势，具有较大的研究价值。要想实现高效飞行，就要在翅膀及其运动上做巧妙设计。该项目主要从仿生学原理出发探索翅膀控制技术，模仿昆虫扑翼飞行。
作为该项目设计的重点，机翼凝聚了较多的创新。无论鸟类还是昆虫，都极力运用翅膀通过扭转、折叠或羽毛开合等方法，有效减少上行阻力、增大下行阻力，因此该机采用了一种简单的主动转角控制装置，以实现对机翼自由度的控制。当翅膀上扑时，设计连杆机构使翅膀主动转动一定角度以减小上行阻力，下扑时则以最大面积增大下行阻力。同时对其扑翼的幅度进行调整。较常见的设计是扑翼幅度一经确定就固定不变，而如果能够在同一扑动频率下对幅度进行控制，那么幅度增大升力也会增大，在起降时可起到良好的效果。考虑上述因素，该作品采用双变幅对称设计。在同一频率下，改变两边翅膀扑动幅度差动，就可代替尾翼作用实现转向。此外，通过舵机控制，可调整两对翅膀的迎角角度。这一装置和变幅装置互相配合，在起飞、降落时通过增大迎角增大升力，可实现原地或短距起飞动作。在空中利用可变迎角还能实现更灵活的控制，或实现空中悬停。
该扑翼机将电机动力，传递给4只减速齿轮，分别驱动前、后、左、右4只翅膀。这样的设计虽然增加了重量，但通过简单调节齿轮位置，即可实现前后同上同下、前上后下、对角上下拍动等3种不同飞行运动方式。该项目通过进一步飞行试验，可对不同条件下的不同飞行状态气动效率加以研究分析。
结束语
“中航工业杯-国际无人飞行器创新大奖赛”于2011年9月25日在北京小汤山中国航空博物馆落下帷幕。
共计107支参赛队、近400名运动员参加了比赛。他们来自中国北京、上海、南京、西安、成都、哈尔滨、沈阳、长沙等20多个省市自治区以及美国和韩国。其中包括北航、南航、西工大、清华、北理工、国防科技大、哈工程大等高等院校，还有业内知名企业和科研院所，以及地方机构和民营企业，特别值得一提的是还有15名民间航空爱好者参赛。
大赛组委会主任、中国航空工业集团公司总经理林左鸣在闭幕式致辞中指出，航空事业是勇敢者、智慧者、创新者的事业。世界航空领域的每一次攀升都是以技术创新为基础，无人飞行器是飞行器发展的重大创新。通过这次大赛，我们看到了许多新原理、新布局、新技术和新方式，看到了激情与勇气的迸发与思想火花的闪现，更是看到了无人机飞行器创新发展的希望。“我们将积极探索其他有效手段，推进航空科技创新，普及航空科技知识，提升国民航空意识，营造航空文化氛围，培养航空创新人才，促进中国航空事业发展，为全世界热爱无人飞行器的人们提供更大的舞台。”
“中国工业杯-国际无人飞行器创新大奖赛”以后将每两年举行一次，努力打造成为一个高水平、高层次的国际知名赛事。推进航空科技创新，普及航空科技知识，提高国民航空意识，营造航空文化氛围，培养航空创新人才，促进中国航空工业发展。
