王智

　　“精灵鼠”私人高速旋翼机

　　南京航空航天大学

　　随着各国开放领空和民用飞行的飞速发展，在未来私人飞机也会越来越受到人们的重视。私人飞机由于使用空间的限制和使用的特点要求飞机具有良好的垂直/短距起降的能力、较高的飞行速度、较高的经济性，以及综合考虑低噪声、高可靠性等要求。现在的喷气式垂直起降飞机可以以较高的速度飞行，但垂直起降过程中耗油率大，影响航程。而可以垂直/短距起降的直升机、旋翼机由于其自身固有的缺点飞行速度比较低，难以满足未来民用的要求。因此我设计了这种具有较高的速度飞行的旋翼机，可以达到垂直/短距起降和飞行速度较好的折衷。

　　设计特点：

　　旋翼机和直升机的区别在于直升机通过将发动机的动力转化为轴功率输出，带动旋翼转动产生升力，而旋翼机是发动机产生推力，旋翼由前方的气流推动旋转产生升力，与直升机相比旋翼机由于机身不受附加的转矩可以省略尾桨，因此可以简化设计、节省了尾桨所消耗的功率。而且旋翼机不需要桨叶偏转提供前飞得拉力，可以达到比直升机更高的效率。但是二者都突破不了桨尖速度不能突破声速，从而飞行速度低的限制。

　　这种飞机采用全复合材料机身以减轻重量。在普通旋翼机的基础上增加了大展弦比、较大后掠角、较小翼面积的机翼和一对全动鸭翼，采用新型氢燃料桨扇发动机，发动机后置产生推力使飞机前进。采用新型复合材料具有大转动惯量高强度的新型旋翼(翼端采用高密度材料配重)，由于用舵面来控制飞机的俯仰偏航，所以可以省去直升机旋翼上复杂的装置。使旋翼更容易达到承受较大的转动惯量的要求。在结构上更容易实现。

　　该机采用桨扇发动机推进，用舵面来控制飞机姿态，为了改善了飞机高速的性能，采用了较大后掠角，较小翼面积的机翼。大展弦比机翼和翼梢小翼又可以尽量减小飞机的诱导阻力。并使用鸭翼来增升和提高可操纵性的。桨扇发动机在低速时就可产生较大推力，最高速度比涡桨发动机大，耗油率比涡扇发动机低。可以赋予飞机较好的低、高速性能和短距起降能力。

　　飞行原理：

　　起飞：有两种方式短距起飞和垂直起飞。

　　短距起飞：由飞机滑跑使旋翼产生的升力，由于旋翼机的特性和加之使用高性能桨扇发动机，滑跑距离会较常规飞机短很多。

　　垂直起飞：由于采用了高转动惯量的旋翼，可以使旋转中的旋翼储存较多的动能，因此采用一种预旋起飞的方式。减小旋翼桨距，使桨叶升力系数接近于零。发动机跟旋翼相连驱动旋翼旋转，使旋翼转速达到可以维持飞机重力的转速的1.5倍左右。此时由于桨距极小，旋翼产生的较小的升力不足以使飞机离地。然后发动机与旋翼断开与桨扇相连，由于高惯性旋翼仍会旋转并维持较大动能，此时增大旋翼桨距，使产生的升力大于重力使飞机离地至较高高度，由于桨扇发动机在低速也可产生较大推力，可以在因为惯性旋翼旋转产生的升力不足以维持机重之前很快使飞机进入常规飞行状态。

　　高速飞行：

　　当飞行速度达到一定数值后，逐渐降低旋翼转速，由机翼承担飞机升力，由于采用可推迟激波产生的后掠翼尖及旋翼转速下降，此时桨尖气流最大速度小于临界速度，飞行速度可进一步提高。而且旋翼的翼型阻力是旋翼转速的3次方的函数，所以降低转速还可以进一步减少阻力，最后旋翼转速降至几十转/分，(由于旋翼本身刚度比较低，在重力的作用下静止时会有较大形变，飞行时容易发生震动破坏飞机结构，所以旋翼在飞行时保持最低的转速以保证旋翼的“硬直”。由于旋翼惯性距较大，旋翼可以在较低的转速下旋转)使飞机最大速度接近于普通桨扇发动机飞行的速度。

　　由于这种旋翼机没有直升机发动机功率受高度下降较大的影响，旋翼的升力最后几乎全部由固定翼承担。因此有近于常规飞机的飞行品质，所以飞机升限也可远超普通直升机。进一步提高经济性。

　　降落：

　　垂直降落时，飞机关闭发动机，飞机下降高度，自下而上的气流将使飞机旋翼旋转。在下降速度达到某一值时将恰好升力=重力，采用全复合材料的机体较轻，加之使用新型桨叶，这一速度可以使飞机着陆时不致损坏，在快接近地面时，再次增大桨距，使飞机近一步减速，安全着陆。着陆情况变化，在此阶段可开启发动机，高惯性桨储存的能量也可维持飞机再次进入常规飞行。

　　发展前景：

　　这种飞机兼顾了私人飞机垂直起降和高速飞行，以及经济性的要求。使用单一动力，在结构上较其它组合动力的飞机更加简单。必将在未来民用航空中获得广阔的发展前景。

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