基于未来海底城市的全栖飞行器

　　引言：

　　随着科学技术的快速发展以及人类生存空间的日益拥挤，科幻家们预言的海底城市或许就要变为现实，沟通陆地和未来海底城市的全栖飞行器就有了其诞生的动机。在此，本设计根据当前一些前沿技术的发展情况，大胆展望未来，提出一个基于未来海底城市的全栖飞行器设计方案。全栖飞行器可从海底城市的航运港出发，经过水下潜航、浮出水面、水面起飞、空中飞行，最后降落到地面机场等几个阶段，实现一站式交通运输，极大缩减运输时间。

　　气动布局及飞行控制：

　　本设计采用飞翼式布局，以得到尽可能干净的外形来降低飞行器在空中和水下的阻力。机翼采用形状记忆材料和变形结构，能调整到相应的状态以适应空中、水面、水下运行的不同环境。

　　吸气式脉冲爆震发动机进气口位于机身背部，这样的构型可以防止水面起降时溅起的浪花被吸进发动机。机身采用船身式V型底部，并在机身后部设置两个突起的浮筒，在飞机从水面起飞时可大大降低水的阻力。并且在浮筒上各设置一个进水口，进水用于泵喷推进。

　　为了减小阻力，本设计不采用任何常规的操纵翼面。飞行器的滚转控制由翼尖的整体变形实现；俯仰和偏航由与脉冲爆震发动机高度协调的流体矢量控制尾喷口控制；整个机翼的弯度可调，以适应于各种运行状态。所有的控制由高度智能化的电传操纵系统统一协调，以得到最佳性能。

　　动力装置：

　　本设计拟采用吸气式脉冲爆震发动机和海水磁流体发动机分别实现空中和水下的推进。在海面调度时用海水泵喷推进系统作为脉冲爆震发动机的辅助。

　　现有的涡轮发动机由于结构复杂，零部件众多，在水下如果不密封起来极容易被腐蚀，剧烈的温度变化对这样的发动机也是极大的挑战。相反，吸气式脉冲爆震发动机的特性可适用于这种恶劣的使用环境：首先，其结构相当简单，甚至可简化为一个空腔，在水下时可作为磁流体发动机的磁流壁；脉冲爆震发动机启动迅速并可从静止状态启动，快速实现动力转换；另外，由于其燃烧过程属于等容燃烧，具有热循环效率高、耗油率低、排气污染低等优点。

　　内部布局：

　　飞行器后部布置氧气储气罐，在水下缺氧的情况下为燃料电池提供氧气，同时能为浮力控制系统提供气压。

　　旅客舱位于机身中段，飞翼式布局使得旅客舱相当宽敞，给内部布局带来极大的方便。另外，由于飞行器要在水下航行，其结构需要承受较大的水压，除了采用高性能材料外，还应尽量保持飞机结构完整。对此，本设计的旅客座舱用电子视觉系统取代传统的舷窗。

　　飞行状态及状态转换策略：

　　1.空中飞行状态及地面起降：工作状态等同于正常飞行器。

　　2.水面起降状态：在海面起降阶段，翼尖的浮力软体打开(如图所示)，以增加飞机的稳定性和可操纵性。此阶段的主要动力为脉冲爆震发动机的工作推力，海水泵喷推进系统仅作为辅助。

　　3.水下运行状态：浮力控制系统控制飞机进入水下，在结构变形和材料形状记忆同时作用下，机翼大面积收缩，减小飞机与水的接触面积，减小阻力。同时调整机翼的弯度，以适应水的流动情况。飞行器进入水下后，磁流体发动机开始工作，海水从发动机进口流入，经过电磁场的加速后从尾喷口流出，产生推力。

　　可能促进全栖飞机诞生的关键技术：

　　1.脉冲爆震发动机技术；

　　2.变形结构和形状记忆材料；

　　3.高性能材料(高强度、防腐、抗蠕变，密封材料)；

　　4.脉冲爆震发动机的流体矢量控制技术；

　　5.海水磁流体推进及相关的高温超导体技术；

　　6.燃料电池技术；

　　7.飞行控制及浮力控制；

　　8.导航、生命保障等系统。

　　展望：

　　本设计尚未脱离机翼升力原理，我们完全可以假想未来不依赖于机翼的升力原理(如动量定理)能得到广泛实用，气动外形不再是飞机设计的主要制约因数，结构、装载等设计得到极大的解放，届时人类将进入新的飞行时代。

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