涵道式兩棲飛行器空中飛行姿態的仿真分析

鄒汝紅　胡瑋軍　王海容

摘 要：兩棲飛行器是既能在地面上行駛又可以在空中飛行的一種新型飛行器。文章研究的涵道式飛行汽車是通過車身的主涵道螺旋槳產生升力，車尾的推進螺旋槳產生推力完成升降及前進。利用ANSYS-CFX對飛行汽車在空中飛行時的飛行姿態進行了仿真分析，得到飛行汽車的升力，翻滾力矩，俯仰力矩及偏航力矩等參數，并分析飛行汽車前飛狀態的流場結構，根據數值結果對飛行汽車空中飛行姿態進行討論。

關鍵詞：涵道式兩棲飛行器 螺旋槳 ANSYS-CFX 飛行姿態

涵道式兩棲飛行器（飛行汽車）是一種新概念的飛行器，作為一種方便、快捷且適應多層次出行需求的飛行器，成為國內外關注的焦點。在地面交通順暢的情況下，飛行汽車與普通陸地交通工具一樣，能在地面上行走，達到能少能耗的目的；當遇到緊急情況或者路面交通擁堵的情況下，它可以垂直起降，迅速升空，像飛機一樣飛行，盡顯其靈活便捷之處。

飛行汽車具有獨特的垂直起降和空中懸停特性，使其在軍民兩用中正發揮越來越重要的作用。目前，對涵道飛行器氣動結構的研究至今還沒有形成統一的方法與原則，特別是缺乏理論基礎和實驗數據的支撐。在飛行汽車的結構設計過程中，大多數更偏重于懸停及垂直起降性能的考量，而忽略了飛行汽車前飛狀態的氣動特性研究[1]。針對目前這一問題，本文重點分析飛行汽車在前飛狀態下主涵道螺旋槳與推進螺旋槳之間相互作用的氣動關系，并進行外流場的模擬仿真，研究涵道飛行器在前飛狀態的俯仰和偏航特性。

1 飛行汽車計算模型的建立

1.1 飛行汽車的工作原理

涵道飛行器大多還在研發階段，目前還未形成系統的設計標準。本文采用自主設計的飛行汽車外觀，如圖1所示，從結構上來說，具備汽車和直升機的特點；從功能上來說，也是地面行走和空中飛行的結合體。其外觀與汽車相似，但是為了實現在空中的懸停及飛行，在車身前后分別有為汽車提供豎直方向升力的主涵道螺旋槳，汽車尾部有兩個提供推進力的推進涵道螺旋槳。

在地面行駛時，前后涵道的柵格處于關閉狀態，螺旋槳處于不工作狀態，與汽車類似，依靠輪胎上的輪轂電機提供行駛的動力，利用機械控制的轉向系統的轉向模式[2]完成轉向操作。在空中飛行時，輪胎上輪轂電機停止工作，前后主涵道的柵格開啟，主螺旋槳開始轉動，為飛行汽車提供升力，讓其垂直起飛；當達到預定高度后，推進涵道的柵格開啟，推進螺旋槳開始轉動，為其提供前進的動力。當在空中轉向時，通過調節兩個推進螺旋槳的轉速，螺旋槳轉動速度不同，則產生的推進力不同，因此得到汽車轉向所要的水平方向的偏轉力矩，從而達到汽車轉向的目的[3-4]。同理，飛行汽車的俯仰運動需要通過前后主涵道螺旋槳的轉速差提供的俯仰力矩達成。

1.2 涵道飛行器的結構參數

飛行汽車車身內部的尺寸設計，參照普通汽車的車身外形及X-Hawk飛行汽車[5]的外觀構造，設計完成后的飛行汽車地面行駛姿態下的結構主要參數見表1。

研究涵道螺旋槳的氣動特性選取兩個坐標系，一個以地面為參照物，用來研究飛行汽車的運動；還有一個坐標系的原點與車體質心重合，稱為機體坐標系[6]。待坐標體系確定好了之后，便能夠對飛行器開展飛行動力學的研究。

2 涵道螺旋槳外流場仿真模擬

為了準確分析涵道體在涵道飛行器飛行過程中氣動特點，對飛行汽車在前飛狀態下進行了流體仿真分析。

1.靜止域邊界：將流體域的6個面都設定為開口邊界，選取標準雙方程湍流模型[7]，流體選取常溫常壓下的空氣。

2.旋轉域邊界：分別給主涵道和推進涵道螺旋槳設置不同的轉速。

利用ANSYS-CFX后處理中提取的結果對飛行汽車的空中姿態進行分析，當主涵道前后兩個螺旋槳轉速為10kr/min，推進涵道螺旋槳轉速為6kr/min時，流線圖如圖4所示。

飛行汽車空中姿態流線圖可看出飛行汽車主涵道前側的流線繞著車頭形成環量，由茹可夫斯基升力定理[8]可知，只要存在繞柱體的環量都會產生升力，因而主涵道螺旋槳為飛行汽車提供了升力。飛行汽車后側流線圖可看出飛行汽車尾部存在環狀的流線，從而對飛行汽車產生推進力?？罩凶藨B與許多參數有關，主要研究飛行汽車空中姿態有關的俯仰力矩（繞x軸）、偏航力矩（繞y軸）。

1）俯仰運動

俯仰運動是通過控制主涵道前后螺旋槳的轉速差實現的，將推進涵道的左右螺旋槳均設為6kr/min不變，主涵道前側螺旋槳轉速設置為10kr/min， 主涵道后側螺旋槳轉速分別為8kr/min，9kr/min，10kr/min，11kr/min，12kr/min，13kr/min。，，分別表示主涵道前，后螺旋槳提供的升力和飛行汽車的俯仰力矩。飛行汽車的后側升力和俯仰力矩的趨勢圖見圖5所示。

前后主涵道附近車身結構存在差異，且后側主涵道的流場結構會受到推進涵道螺旋槳的流場的影響，即便前后主涵道螺旋槳轉速都是10kr/min的情況下，它們提供的升力也存在一定差異，且后側螺旋槳提供的升力大于前側螺旋槳提供的升力。隨著主涵道后側螺旋槳轉速的提升，俯仰力矩也在逐漸增加，這是由于主涵道后側螺旋槳提供的升力增加，提供了正的俯仰力矩。因此可以通過改變主涵道前后螺旋槳的轉速來控制飛行汽車的俯仰運動。

2）偏航運動

偏航運動是通過控制推進涵道左右螺旋槳的轉速差的，因此將主涵道的前后螺旋槳均設為10kr/min不變，左側推進涵螺旋槳轉速分別為6kr/min，右側推進涵道螺旋槳轉速分別為4kr/min，5kr/min，6kr/min，7kr/min，8kr/min，9kr/min。在這6種情況下，，，分別表示推進涵道左，右螺旋槳提供的推進力和飛行汽車的偏航力矩。飛行汽車的右推力和偏航力矩的趨勢圖見圖6所示。

由于推進涵道受到主涵道后側螺旋槳的流場的影響，使得即使在推進涵道左右螺旋槳轉速都為6kr/min時，提供的推進力也有一定的差異。隨著推進涵道右側螺旋槳轉速的提升，偏航力矩也在逐漸增加，這是由于推進涵道右側螺旋槳提供的推進力增加，提供了正的偏航力矩。因此可以通過改變推進涵道左右螺旋槳的轉速來控制飛行汽車的偏航運動從而達到飛行汽車轉向的目的。

3 結論與展望

文中采用流體仿真的方法對涵道飛行器前飛時俯仰及偏航特性進行了分析，結合前人的研究得出以下幾點結論：

1）主涵道螺旋槳前后轉速一致時，受推進涵道螺旋槳的影響，飛行器前后會存在升力差異，即不能實現平穩行駛，會呈現一定的俯仰角度。

2）前后主螺旋槳轉速差異越大，升力值差異越大，俯仰角度也越大。

3）推進螺旋槳左右轉速一致時，受主涵道螺旋槳的影響，飛行器左右會存在推進力差異，即不能實現直線行駛，會呈現一定程度的偏航。

4）左右推進螺旋槳轉速差異越大，推進力值差異越大，可以通過改變推進涵道左右螺旋槳的轉速來控制飛行汽車的偏航運動從而達到飛行汽車轉向的目的。

由于數值仿真的局限性，多數具體參數還需要大量的實驗研究來確定，但是文中的計算結論在涵道飛行器定性分析上具有有益的參考價值。

基金項目：湖南省教育廳一般項目（2019C1642）。

參考文獻：

[1]徐嘉，范寧軍，趙澍.涵道飛行器涵道本體氣動特性研究[J].彈箭與制導學報， 2009，29（004）：174-178.

[2]陳哲吾. 涵道式垂直起降兩棲飛行器原理設計與研究[D].湖南大學，2010.

[3]梁建永，梁軍，范世杰等.轎車外流場CFD分析中常用k-ε湍流模型的對比[J].汽車工程，2008，30（10）：846-852.

[4]李建波，高正，唐正飛，陸洋.涵道風扇升力系統的升阻特性試驗研究[J].南京航空航天大學學報.2004，36（2）：164-8.

[5]FLINN E D. Revolutionary X-Hawk hovers near success [J]. Aerospace America，2003，41（7）：26-8.

[6]Daniel A. Mántaras， Luque P ， Vera C.Development and validation of a three-dimensional kinematic model for the McPherson steering and suspension mechanisms[J].Mechanism & Machine Theory， 2004， 39（6）：603-619.

[7]Habibi H， Shirazi KH， Shishesaz M. Roll steer minimization of McPherson-strut suspension system using genetic algorithm method[J]. Mechanism and Machine Theory.2008，43（1）：57-67.

[8]Graf W，Fleming J，Ng W.Improving ducted fan UAV aerodynamics in forward flight[R]. AIAA 2008-430，2008.