第23届“冯如杯”竞赛航空类作品精选上

2013年5月23日是北京航空航天大学一年一度的“冯如杯”竞赛展示日。 “冯如杯”竞赛的参赛者们再次为大家奉上一场科技创新的视觉盛宴。

1.新型固定翼直升机复合式飞行器

该飞行器采用直升机旋翼和固定翼复合式设计：在垂直起降状态，由主旋翼提供升力，两侧的推进发动机提供航向控制力矩；由悬停进入平飞时，两台发动机推力逐渐增加，飞行速度不断提高，固定翼面产生的升力逐渐增大；当达到一定飞行速度时，旋翼停转并锁定，全机变为双翼布局的固定翼飞机（图1～图3）。

该机具有野外复杂环境的起降适应性和低空悬停机动性。在军用领域，能执行物资运输、低空侦察和打击等任务；在民用领域，可完成紧急支援、医疗救助、低空勘测等任务。

2.可收缩桨式先进布局S/VTOL战斗机验证机

该机的设计宗旨是利用螺旋桨的升力和涵道电机的推力实现垂直起降。全机采用无尾三角翼布局、两侧进气道。在垂直起降和悬停过程中，可收缩的螺旋桨从进气道外侧的整流鼓包中伸出，同时尾喷口向下倾转90°，3个点同时产生推力，实现垂直起降。从悬停向平飞过渡时，喷口逐渐向后倾转，当飞机积累足够速度后，前方螺旋桨停转并收入机身两侧整流鼓包内，以保证高速性能（图4、图5）。

3.单桨叶飞行器

该机的设计灵感来自枫树种子的飘落。这种飞行器由单个桨叶旋转产生升力，结构简单、效率较高。通过传感器感知方向后，将数据传输至Arduino单片机实现周期变距，从而实现对飞行器方向的控制。与传统飞行器相比，它具有较高的效率，而且更加轻便敏捷（图6、图7）。

4.新型三旋翼倾转动力验证机

该机的设计目标是：运用倾转动力技术实现垂直起降，既能以直升机模式完成指定航线飞行，又能以固定翼模式飞行。该项目的主要创新点在于将传统的三旋翼运用在固定翼上，通过倾转电机短舱使推力变向，并在倾转过程中使用自动稳定系统，同时利用PWM开关实现远程电路的切换（图8、图9）。

5.两栖可折叠翼水上短距起飞验证机

随着我国与一些邻国海上争端问题的出现，制空权和控海权的重要性愈加凸显。水上飞机能从水面起飞和降落，可以执行水域巡逻、搜救遇难船只和抓捕水上入侵者等任务（图10～图13）。

该验证机采用两栖起降设计。为了维持水上高速航行的稳定性，除了机身中部设有维稳小翼外，还在机身两侧维稳小翼前缘和翼根近机身处设计了向外喷气的气孔，使小翼与水面之间形成气膜，减小了水的阻力和表面张力的影响。折叠机翼的设计则可减小存放空间，并使之执行水上任务时能像快艇一样高速巡航，提高了海上生存能力。机身梁架结构和蒙板拼接处采用导热硅胶等材料，可以保证高强度和一定范围内的弹性变形量，以抵抗水浪的冲击载荷。该机动力装置采用后推式，位于机翼后机身中部。为了整流，垂尾前设计有背鳍，平尾两端有端板。

6.飞翼与联翼混合布局验证机

这架飞翼的整体是一个升力体。联翼将上下翼相连，有效地降低了诱导阻力，增大了升力面积。飞翼和联翼都是高升阻比的布局形式，但各自都有一些问题，如飞翼的稳定性与控制问题、联翼的起落架布置问题等。该项目尝试将两者结合，在气动、结构和控制上得到更优化的效果（图14、图15）。

7.两轴倾转机翼验证机

美国的V-22 是一种具有先进性能且外形独具特色的飞机，它的成功试飞引发了一场倾转旋翼机发展的浪潮。这个空中“混血儿”集直升机的垂直起降和固定翼的高速平飞于一身，在作战和救援等方面都发挥了很大作用（图16、图17）。

受此启发，该参赛组设计了一架两轴倾转机翼验证机模型，其设计思路是：由固定在机翼上的两个电机提供动力，垂直起飞时机翼与地面垂直，由电机拉力提供升力；到空中后机翼连同电机由垂直状态转变到小迎角状态实现平飞。为了增加垂直起飞的稳定性，引入了飞控板进行闭环控制。机翼的倾转由舵机经同步带驱动。

8.便携式可变后掠角折叠翼验证机

该机采用可变后掠角的“四边形”折叠翼机构，以验证变后掠机翼无人机的性能特性。其创新点在于：“四边形”可动式结构可使机翼完全折叠起来，能缩减78%的空间，方便运输；通过内置电机的牵引力改变折叠机构的展开程度，可控制前翼的后掠角（图18、图19）。

该机用途广泛：可高空投放，由母机运载到指定空域投放，机翼瞬时展开，启动时间极短；还可运用于勘探、搜救和测量等任务。

9.基于可倾转菱形翼布局设计的倾转性能验证机

菱形机翼具有独特的气动外形，在对角的两个方向分别具有小后掠、大展弦比的低速特性和大后掠、小展弦比的高速特性。菱形翼通过转轴与机身相连，在飞行中当转轴旋转时，飞机的展弦比和后掠角随之改变，即可实现从一种飞行状态到另一种飞行状态的转换。该机的主要创新点有：旋转主翼的设计、中等后掠角切尖菱形翼气动布局、网格式机翼结构布局、翼肋融合翼梁设计以及采用拓扑优化手段对飞机主要结构进行减重（图20～图23）。

旋转主翼的设计是整个项目的核心与创意点，这种介于常规布局和无尾飞翼布局之间的非常规布局形式以及旋转力矩配平，都带来很多技术难题。经过多次试飞调整，对这种飞机在两种状态下的飞行性能取得了一定的实验和理论分析成果。

10.高性能碟形升力体

升力体是一个翼身融合体，整体能产生升力，可以较低的速度获得较高的升阻比。碟形飞行器具有高速飞行波阻小、不需要做盘旋机动、能迅速指向攻击目标等优点。该项目小组通过将升力体和碟形飞行器优势的结合，制作出一架拥有新式布局的现代飞行器，同时具备优秀的飞行性能（图24）。

该机采用碟形升力体式布局。其翼尖双桨旋转产生的气流将整个圆盘状的机身都包裹起来，不仅使飞机能以极低的速度飞行，而且提高了其操控效率，机动性优于常规飞机。这种飞行器可用于巷战，甚至再进一步后可实现“单兵装备，远程控制，精确打击”。

11.“飞鱼”混合动力涵道式无人侦察验证机

该项目围绕“长航时”和“机动性”设计点，将传统无人侦察机机身用高性能涵道动力系统代替，集成了两者的特点，探讨可折叠机翼优化涵道飞行器的机理和控制系统，以优化无人侦察机在机动性方面的不足和涵道飞行器在稳定性方面的缺陷。通过线性假设和模拟仿真，建立合理的气动模型，分析涵道对侦察机稳定性和鲁棒性的影响（图25、图26）。（未完待续）