时间：2022-10-10 06:51:46
北京航空航天大学第22届“冯如杯”科技竞赛飞行器项目选介
转眼间，“冯如杯”课外学术科技作品竞赛已经走过了22年历程。作为北京航空航天大学一项传统的科技创新作品竞赛，其在鼓励开拓创新和培养人才方面有重要的意义。每届“冯如杯”都会涌现许多优秀的科技创新作品。在2012年的“冯如杯”中，飞行器类的创新项目依然是其中重要的组成部分。这些作品分别从新型能源利用、气动布局研究、垂直起降技术、特殊飞行器等不同方面进行了开拓创新。
1.太阳能无人机设计
太阳能飞机是指以太阳能以及太阳可能存在的其它能量作为动力和任务设备能源的飞行器。20世纪中期以来，太阳能飞行器研究已成为世界航空航天业重点发展的新兴领域。这款太阳能无人机（图1、图2）未使用储能电池，而是采用了民用光伏发电技术，一方面使飞机的机构重量更轻，另一方面降低了技术要求，可节约成本。此外，该机采用了创新性的太阳能电池板封装技术，将能源和结构分开设计，保证了其良好的工艺性。相比一般的小型无人机，该机航时更长，从而能在空中更好地执行侦察和数据采集等任务。
2.无尾飞翼布局实验平台及其飞控系统
飞翼布局因其隐身性能和气动效率等方面的突出优势，在无人机领域得到了广泛的关注，相关技术的研究在我国方兴未艾。该项目旨在通过飞行试验的方式，结合定性的理论分析来研究一种具有实际工程意义的飞翼布局飞机设计方法，对飞机的横航向稳定性等问题进行研究（图3～图5）。该机为无尾飞翼布局，采用双进气道单发风扇发动机，取消了除主翼面外的所有翼面，以追求更好的飞行特性和隐身性能。为实现其稳定控制，飞机在两侧机翼的上翼面设置了扰流板，并搭载了精心设计的飞行控制系统。
3．智能机翼飞行器设计及飞行性能验证
智能机翼系统是一种可在飞机飞行过程中根据任务需求和飞行环境自动改变机翼展弦比、机翼面积和翼型，从而使飞机随时保持最佳飞行状态的系统。该机智能机翼系统包含可在空中展开与收缩的外翼段和变弯度翼肋两大功能模块（图6～图8）。前者可根据任务需求自动展开或收起，使飞机能在飞行中改变机翼展弦比和机翼面积，从而直接调整飞机的升阻比和构型；后者可根据空速实时调节翼型的弯度。
4.全动翼尖飞翼式布局验证机
飞翼式布局飞机虽然有许多优点，但其在航向稳定性和操纵性方面也存在很多需要研究的问题。该验证机采用了全动翼尖技术（图9、图10）。全动翼尖作为偏航操纵面，当其单侧作动时能产生较大的离轴阻力，同时因其距离机身轴线较远，所以能产生较为可观的偏航力矩。而当其两侧同时进行偏转时，则可作为阻力板使用。与传统的方向舵相比，全动翼尖具有铰链力矩较小、重量轻、结构紧凑等优点。
5.使用倾转动力系统的飞翼飞行器
该项目旨在通过研究设计一种可倾转的动力系统，来提升飞翼飞行器的短距起降性能。该机的机翼外段设计为可倾转翼面，其上装有动力系统，通过装在分离面处的控制机构实现转动并同时改变拉力线方向（图11、图12）。因为该项目旨在验证倾转动力系统对飞翼飞机起降性能的影响，所以将整个翼面装在机身上，以便于设置起落架和垂尾。
6.飞翼式微型飞行器设计与研究
微型飞行器是未来航空发展的一个重要方向，在救灾、侦察等许多任务中都有重大应用。该设计为一种飞翼式微型飞行器（图13），以研究适用于在低雷诺数下工作的翼型、翼面几何外形等问题，同时也研究电子设备微型化、结构设计、结构材料等相关问题。根据研究结果，制作出了样机并取得了良好的飞行效果。
7.三旋翼垂直起降验证机
该机总体呈正三角形，在3个顶点设置电机提供动力。在其中一个顶点处通过舵机拉动使拉力线偏转，实现对机动动作的控制（图14）。因为该机采用三点推力布局，所以其反扭力矩难以仅通过螺旋桨的反向旋转来平衡。为解决这一问题，将其中一个旋翼设置得偏转一定角度，以使旋翼的升力分量力矩与反扭力矩平衡，并在飞机的中心安装飞控板，保证其可靠性和稳定性。
8.单发变距四旋翼验证机
该项目在现有电动四发四旋翼飞行器控制原理的基础上，结合直升机控制原理，提出了一种依靠单台燃油发动机驱动的新型四旋翼飞行器。不同于传统四旋翼飞行器通过改变电机转速调节升力的姿态控制方式，这种单发四旋翼飞行器通过锥齿轮组和4根轴将动力传至4组桨叶。4组桨叶的转速相同，桨叶升力的变化是通过类似于直升机尾桨的变距机构实现（图15、图16）。变距操纵应用在四旋翼飞行器上可提升其飞行性能，兼顾灵活与稳定，同时燃油动力可增加飞行器的航时。
9.混合飞行方式的涵道式飞行器
该机机身为整体式涵道，在机身底部设置十字舵面以进行控制。通过这种方式将固定翼与直升机两种飞行器结合起来，并能在空中进行飞行模式转换（图17）。飞行器垂直起飞后转为平飞模式以快速飞行；到达目标空域后转为直升机飞行方式以实现低空低速侦察；完成任务后再以平飞模式快速撤离。这种设计兼顾了高速飞行和低速侦察能力，可作为小型无人侦察机执行相关任务。
10.高速高机动性直升机
现代航空技术的进步对垂直起降飞行器的发展提出了更高的目标，高速直升机旨在实现垂直起降的同时实现高速飞行。该直升机基于常规直升机布局，增加了水平推进装置和升力短翼（图18）。水平推进装置采用定转速的变距螺旋桨，并由伺服机控制桨距，可以快速改变推力大小和方向。当两侧螺旋桨同向推进时直升机水平高速飞行，而当两者反向差动时可实现航向控制。在机身两侧设置短翼是为了提供升力，且短翼的副翼以及尾翼也能提高机动性和操控性。
11.一种球形飞行器
本项目旨在设计一种小型球形飞行器（图19），得益于该飞行器较小的体积，它可应用于空间较小的区域，比如大型建筑、轮船、工厂等室内环境。该球形飞行器可以穿越窄巷、定点悬停以及垂直起降，外框保护结构能够使其触地反弹，且发动机也有球形外框保护，安全性、可靠性较好。它除适合执行一些监视、侦察任务外，还可搭载适当的传感器，用于森林防火、城市巡逻、灾难搜救等领域。
12.新型侧置卷轴式襟翼验证机
随着近年来许多国家开放低空空域，驾驶方便快捷的私人小型飞机将成为一种新的趋势。小型飞机平飞时翼展应尽量小，这样不但能减小平飞时的阻力，而且占用空间较小。该项目设计了一种适合于小翼展低速飞机的新型襟翼。该襟翼原材料为软质聚合物，重量轻、柔韧性好，收起时占用空间较小。飞机起降时机翼面积能大幅增加，却未增很多重量（图20）。这种装置在改变襟翼面积的同时改变了机翼整体外形，而且操控简单、起降安全，预期在未来城市私人交通工具方面具有应用价值。
13.前后掠组合翼验证机
前掠翼和后掠翼作为两种不同的飞机气动布局形式，其性能各有优劣。但两者都有效地提高了飞机飞行时的临界马赫数，并且在超过临界马赫数后，都能进一步减小波阻。对于后掠翼飞机来说，其主要问题是由于气流展向流动而产生的翼尖失速；而前掠翼因气流流动方向相反，改善了翼尖失速，却产生了不可忽略的气动弹性发散问题。前后掠组合翼将两者结合起来，内段后掠、外段前掠，使飞机在低速及高速时能取得一个均衡的飞行性能（图21）。
14.斜翼机气动特性的探究与验证
这种飞机在起降和低亚声速飞行过程中机翼保持平直，在超声速飞行时机翼偏斜。斜翼飞机的这种可变形能力满足了亚声速和超声速对行器不同的气动外形要求。而且超声速飞行时，由于机翼处于斜掠状态，可大大减小波阻（图22）。
15.低成本远程控制无人飞艇
随着近几年燃油价格不断上涨以及环保要求的提高，飞艇重新被人们重视起来。这种飞行器燃料消耗低、留空时间长，其在广告、传媒、高空侦察等领域可有大的发展，为人类的特殊运输领域提供了一种新的工具选择。该项目利用第一人称视角技术，结合OSD导航和GPS定位模块，组合出了一套完整的低成本飞艇系统（图23）。
16.仿生扑翼机
扑翼机是指能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器。扑翼飞行可以实现原地或小场地起飞，且仅通过扑翼就能实现举升、悬停和推进。这种飞行器具有空中机动性强、飞行费用低，更适合于微型化的显著特点，可使在有复杂地形或者特殊任务要求时发挥独特的优势。这款扑翼机设计精巧，机翼可以较好地模仿鸟类飞行时翅膀的扑动并具有急回特性。同时双自由度尾翼在无垂尾状态下较好地实现了对飞行的稳定与控制作用（图24、图25）。
17.基于自动驾驶技术的小型无人侦察机
该项目的飞机应用自动驾驶技术，可脱离遥控范围执行远距离自主拍摄任务。全机整体采用固定翼常规布局，携带吊舱作为任务舱装载航拍设备。在飞行时，通过飞机上搭载的高度和速度传感器，可根据高度自动进行变焦补偿拍摄，根据速度自动调整拍照频率，进而为实现大面积航拍测绘提供基础数据。