范文一:飞行器的分类
飞行器的分类
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飞行器 flight vehicle
在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械。飞行器分为3类:航空器、航天器、火箭和导弹。在大气层内飞行的飞行器称为航空器,如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。在空间飞行的飞行器称为航天器,如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空,然后在引力作用下完成轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力的飞行器,可以在大气层内,也可以在大气层外飞行。导弹是装有战斗部的可控制的火箭,有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。
飞行器分为航空器和航天器
飞行器
在大气层内或大气层外空间飞行的器械。
航空器
大气层内飞行的飞行器,分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器。
航天器
在大气层外空间(太空)飞行的飞行器。
气球(轻于空气的航空器)
无推进装置、不可控制的轻于空气的航空器。由气囊和吊在其下的吊篮或吊舱组成。气囊内充以密度比空气小的浮升气体使气球升空。吊舱用来乘人或放置物品。现今,气球在空吊货物、气象、通信、体育
运动等方面仍有用武之地。
飞艇(轻于空气的航空器)
有动力装置、可控制飞行的轻于空气的航空器。由巨大的流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体使飞艇升空。吊舱供乘人或装载货物。早期飞艇都充灌氢气,易爆炸;近代飞艇充灌氦气,较安全。广泛用于电视转播、广告、旅游、城市治安等。
滑翔机(重于空气的航空器)
无动力装置重于空气的固定翼航空器。靠飞机拖曳,或用绞盘、汽车等牵引起飞,升空后靠自身重力在飞行方向的分力向前滑翔。有些滑翔机装小型发动机,称动力滑翔机,但其发动机只用来在滑翔飞行前获得初始速度。现代滑翔机主要用于体育运动。
飞机(重于空气的航空器)
由动力装置产生使之前进的拉力/推力,由固定机翼产生升力,在大气层中飞行的重于空气的航空器。
直升机(重于空气的航空器)
以动力驱动的旋翼作为主要升力来源,能垂直起落的重于空气的航空器。
旋翼机(重于空气的航空器)
利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器。其前进力由动力装置提供。它不能垂直上升,也不能在空中悬停,必须滑跑加速才能起飞。现今一般用于浏览和体育活动。
“松雀鹰”旋翼机最大航速可达185公里/小时,巡航速度为130公里/小时。
图片:美国格莱恩兄弟航空公司(Photo:Groen Brothers Aviation,Inc)
【1】 【2】 【3】 【4】 【5】
松雀鹰(SparrowHawk)又叫松子鹰,是一种小型猛禽。性情机警,飞行迅速,也善于滑翔。美国格莱恩兄弟航空公司用“松雀鹰”恰如其分地命名了他们自研生产的一款旋翼机。
格莱恩兄弟航空公司在第11届北京国际航空展览会上展示了“松雀鹰”旋翼机。该机是目前市面上最为安全、价位低廉的高性能轻型螺旋桨飞行器。?
小型简易旋翼机 1
图片:
图片:
小型简易旋翼机
范文二:飞行器设计与工程专业介绍
“飞行器设计与工程(航天)”专业培养计划
Flight Vehicle Design and Engineering
1.培养目标
结合我校人才培养的总体目标,飞行器设计与工程(航天)专业为我国航天和国防事业以及国民经济建设培养面向未来发展、富有创新潜质、具备团队精神、善于学习实践的高层次高素质人才。培养学生具备航天飞行器总体设计的基础理论和专业知识以及工程实践能力。学生毕业后能够到航天、航空、兵工、船舶等部门从事航天飞行器(包括导弹与运载火箭、卫星等航天器)总体布局、弹道/轨道设计、结构设计、动态分析与模拟、动力学与控制综合、效能分析,试验设计与分析以及管理等方面的工作,成为高级工程技术人才。
在本专业中,相当部分的学生将以直读、本硕连读或报考研究生的形式获得进一步的深造。
2.培养要求
在品德和政治思想方面:热爱祖国,拥护中国共产党领导,愿为祖国现代化建设服务,为人民服务,有为国家富强、民族昌盛而奋斗的志向和责任感;具有热爱航天事业、艰苦奋斗、热爱劳动、遵纪守法、团结合作的品质;具有良好的思想品德、社会公德和学习作风。
在知识和能力方面:打下坚实的数学、物理等自然科学基础,培养人文和社会科学素养,具有较宽的专业知识和相关的工程实践能力,系统而牢固地掌握航天飞行器(即导弹与运载火箭、卫星等航天器)总体设计方面的基本理论和方法,接受航天飞行器工程设计方面的基本训练,获得参与航天飞行器总体和部件设计的基本能力。了解学科的发展前沿,能利用已经掌握的知识,融会贯通,培养创新意识,增强适应社会的能力。本专业学习要求获得以下几方面的知识和能力:(1)掌握航天飞行器设计的基本理论和设计方法;(2)具备开展航天飞行器总体设计的基本能力和相关实验技能,包括:总体布局、弹道/轨道设计、结构设计、动态分析与模拟、动力学与控制综合、效能分析、试验设计与分析等;(3)了解航天飞行器设计技术的发展动态、理论前沿和应用前景;(4)具备独立从事科学研究和开展实际工作的能力。
在身体素质方面:具有一定的体育和军事基本知识,掌握科学锻炼身体的基本技能,养成良好的体育锻炼和卫生习惯,受到必要的军事训练,达到国家规定的大学生体育和军事训练合格标准,具有健全的心理和健康的体魄,能履行建设祖国和保卫祖国的神圣义务。
3.学制与学位
学制4年,达到专业培养计划和学位条例要求者授予工学学士学位。
4.专业特色
本专业以导弹与运载火箭、卫星等航天器这两类主要的航天飞行器为对象,研究航天飞行器的动力学与控制原理、基本设计理论和方法,以及动态模拟方法。在此基础上进一步扩展到小型
无人驾驶飞行器和高超声速飞行器设计等方面的研究和教学。本专业包括两个研究和教学方向,即专业方向A:导弹与运载火箭设计,专业方向B:卫星设计。学生从三年级开始选择进入专业方向,进行有所侧重的专业学习。
最具特色的专业主干课程为飞行动力学基础、飞行器结构力学、航天飞行器总体设计(包括导弹与运载火箭总体设计、航天器设计)、航天飞行器专业综合实验。飞行器力学基础课围绕共性问题介绍航天飞行器运动建模、飞行性能计算与分析的基本原理和方法,以及航天飞行器及部件的构造原理、受力特性及强度计算的基本原理和方法。飞行器设计课介绍设计任务要求下的航天飞行器总体及其各部件的方案、性能和结构等方面的设计分析方法和计算过程。实验课则通过多个具体的实践环节,把理论知识与工程实际相结合,着重于实验技能。学生通过这些课程的学习可以掌握航天飞行器设计的核心专业知识。
此外,学生通过专业基础课程和专业课程(如材料力学、理论力学、机械设计、机械制图、空气动力学、自动控制原理、工程热力学与传热学、飞行器结构设计与分析、弹道学与动态分析、姿态与轨道动力学、制导系统等以及综合创新训练)的学习,也将获得从事航空飞行器设计及相关领域工作的重要基础知识。
5.培养计划总体结构
本专业指导性培养计划的总体结构如下:
6.核心课程和课程体系说明
(1)核心课程体系构成表:
(2)课程体系说明
核心课程体系由重点培养学生科学素质、人文素养和专业知识结构的国内外一流大学同类专业中普遍认可的最重要的关键课程组成,体现飞行器设计工程(航天)专业的培养特点,以保证学生在最重要的学科和专业基本理论以及工程实践方面能够获得足够且结构合理的科学培养。
本专业的核心课程体系由校级核心课程、学科与专业基础核心课程和专业方向核心课程共同构成。
校级核心课由大学英语、大学语文、工科高等数学、线性代数、工科大学物理、C语言程序设计六门课构成,分属人文社会类、自然科学类和工程技术类。
学科与专业基础核心课程是由本专业人才培养所必需的学科或专业基础课程构成,学科基础核心课程包括:材料力学A、理论力学A、机械原理、机械设计;专业基础核心课程包括:飞行动力学基础、飞行器结构力学、空气动力学、自动控制原理、综合创新训练(含拆装)。
专业方向核心课程由两组课程组成,分属导弹与运载火箭专业方向(专业方向A)和卫星专业方向(专业方向B),由学生在学院的指导下选择其一,前者的专业方向核心课程为导弹与运载
火箭总体设计、弹道学与动态分析和专业综合实验,后者的专业方向核心课程为航天器设计、
飞行器结构分析与设计和专业综合实验,这六门课程是最具特色的专业主干课程,理论课程和实
践课程有机结合。学生通过学习可以掌握航天飞行器总体设计相关的专业知识和实验技能。在专业课学习的基础上,本专业还将为学生开设若干开拓视野、激发兴趣的专业选修课。
7.实践能力与素质培养体系说明
学生实践能力与素质的培养体现在由若干实践类课程构成的实践课程体系之中,它是培养学生获取知识、提出问题、分析问题和解决问题能力以及适应社会能力的重要实践环节,是培养学生动手能力、创新意识和合作精神的重要途径。
为培养学生的意志品质、接触社会的能力和合作精神,设置了军训和社会实践等课程;为培养学生的动手能力,设置了机械工程技术训练A、电子工程技术训练等课程;为培养学生的创新意识,设置了综合创新训练(含拆装)等。而专业课程设计、专业综合实验、生产实习是专业知识与实践相结合,培养学生工程意识的重要实践环节;毕业设计则是学生综合利用所学知识自主提出问题、分析问题和解决问题能力培养的最重要环节,既是对学生在大学阶段培养起来的综合能力与素质的检验,也是学生走向工作岗位或进一步深造的铺垫。
实践课程体系包括:
8.最低毕业学分要求
本专业毕业最低学分要求为 179.5。
9.辅修/双学位基本要求
10.指导性教学进程安排
范文三:第三章 飞行器的分类
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第三章
第 章 飞行器的分类
沈海军 教授
同济大学航空航天与力学学院
2012年12月
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飞行器分类总表 31§3.1 航空器的定义 3.2 航空器的分类
§
冷气球 轻于空气 的飞行器
气球 自由气球
热气球
系留气球
飞艇
硬 式 软 式 飞 大 气 半硬式 有翼飞行 定翼飞行器
飞
机
军用机 民用机 研究机
无人驾驶飞机 行 器 分 类 飞行器
重于空气 的飞行器
器
滑翔机 无动力滑翔机 动力滑翔机 动翼飞行器
旋翼飞行器
旋翼机 直升机
单桨直升机 双桨直升机
总 表
扑翼机
无翼飞行 器
气垫飞行器 飞行平台 火箭 弹道式导弹
宇 宙 飞行器
人造卫星 航天站 航天飞机 星际探测器
31
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§3.1 航空器的定义
年巴黎空中航行管理公约
? 1919年巴黎空中航行管理公约:航空器是指可以从空气的反作用而在 大气中取得支撑力的任何机器。 ? 1967年 11月 8日国际民用航空组织:
航空器是指可以从空气的反作用,但 , 不是从空气对地球表面的反作用,而在大 气中取得支撑力的任何机器。
32
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§3.2 航空器的分类
3.2.1 航空器的技术分类
3223.2.2
航空器的法律分类
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 3.2.1.1 按飞行原理分类
根据航空器产生升力的原理,航空
器可分为两大类:轻于空气的航空器和重 于空气的航空器 。
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 轻于空气的航空器
也称为空气静力航空器,其主体是一个
密 (
气囊,充以密度比空气小的气体(如氢、氦 或热空气等),其升力就是空气的静浮力。
轻于空气的航空器根据其是否具备推进 装置,又分为气球和飞艇两种。
置, 。
3
21
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3.2.1
航空器的技术分类 重于空气的航空器
又称为空气动力航空器,其升力来自于
与空气的相对运动
与空气的相对运动。 重于空气的航空器根据其产生升力的原 理不同,又可分为固定翼航空器和动翼航空 器。
。
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 固定翼航空器
固定翼航空器主要由安装在机身上的固
定翼面产生升力。这一类航空器根据有无动 力,又进一步分为 和 两类。此外 还有地效飞行器。
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 动翼航空器
动翼航空器用来产生升力的翼面在飞行
时相对于机身是运动的。这一类航空器根据
。 翼面的运动方式可分为扑翼航空器和旋翼航 空器。
扑翼航空器产生升力的翼面相对于机 身作上下运动。
3
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3.2.1
航空器的技术分类 旋翼航空器
旋翼航空器产生升力的翼面相对于机身
作旋转运动,根据旋翼有无动力驱动,进一 , , 步分为旋翼机和直升机两类。
3
2
1
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3.2.1
航空器的技术分类 旋翼机
旋翼机的旋翼无动力驱动,其前进的动
力则依靠发动机,由迎面气流吹动旋翼而产
, 生升力。
3
2
1
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3.2.1
航空器的技术分类 直升机
直升机的旋翼有动力驱动,其升力和水 平运动所需的力均由旋翼产生。
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 气球
气球 不带推进装置。以气囊中所充气 体不同分为热气球和冷气球。
自由气球升空后只能随风漂流,但垂 直方向上的升降则可以操纵;而系留气球 则是用绳索系在地面或水面的固定物或牵 引工具上
引工具上。
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 3.2.1.2 飞机按外形构造的分类 ㈠
按机翼 ㈡
按机身 按尾翼 ㈢
㈣
动力装置 ㈤ 按起落装置
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3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 按机翼 (1)
?
按机翼的数量 , 分:※ ※ ? 按机翼相对于机身的位置 分:
, ※ 上单翼机 ※ ※ 下单翼机 ※ 伞式单翼机
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 按机翼 (2)
?
按机翼的平面形状 , 分:※ 平直翼 ※ 后掠翼 ※ 三角翼 ※ ※ ※ …… ? 按机翼的正面形状 , 分:
※ 上反直线 ※ 下反直线 ※ W 形 ※ 海鸥型 ※ X 形
3
21
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3.2.1
航空器的技术分类 按机身 (1)?
按机身的数量,分:※ 单机身飞机 ※ 双机身飞机 ? 按机身的形式,分:
常布局的 机 ※ 正常布局的飞机 ※ ※ 偏置式飞机 ※ 飞翼式飞机 等
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3.2.1
航空器的技术分类 按机身 (2)
按机身的截面形式,最常见的有圆 形、长圆形、扁圆形、矩形和 8字形等
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3.2.1
航空器的技术分类 按尾翼 (1)
?
按水平尾翼相对于机翼的位置,分 ※ 正常式布局飞机 ※ 鸭式布局飞机 ? 按水平尾翼的数量,分
※ 单平尾式
※ 双平尾式
※
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 按尾翼 (2)
?
按垂直尾翼的数量,分 ※ 单垂尾式
※ 双垂尾式
※ ?按尾翼组的形式,又有 、 ⊥ 形 形 、 ┼ 形、 、 等等 。
321TONGJI UNIVERSITY
3.2.1
航空器的技术分类 按动力装置 (1)
?
按动力装置的类型,分 ※ ※ 喷气式 现在美国还开发了 另外人们还从事 人力飞机 的研究 ? 按发动机的数量,可分为单发、
、 、 等
32
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3.2.1
航空器的技术分类 按动力装置 (2)
按发动机的安装位置,可安装在 ※ ※ 机翼
※ 垂直尾翼
……
3
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3.2.1
航空器的技术分类 按起落装置
按起飞着陆地点,分
※ 水上飞机
※ 陆上飞机
※ 水陆两用飞机
3
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3.2.1
航空器的技术分类 水上飞机
水上飞机按其起落装置的形式,分 ? ?
3
2
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3.2.1
航空器的技术分类 陆上飞机
陆上飞机按其起落装置的形式 分 陆上飞机按其起落装置的形式,分 ?
轮式 ?
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3.2.1
航空器的技术分类 轮式起落装置
轮式起落装置又可分为 ? ? ? ?
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3.2.1
航空器的技术分类 3.2.1.3 飞机按用途的分类
歼击机
歼击轰炸机 攻击机 运输机
轰炸机 其它
教练机
民用机 侦察 /预警机
无人驾驶机 垂直起落机
32
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3.2.2
航空器的法律分类 3.2.2.1 航空器的法律分类
航空器在法律上可划分为两大类:? 民用航空器(Civil Aircraft)
? State Aircraft) 国家航空器(State Aircraft)
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 《中华人民共和国航空法》规定 ∶
? 民用航空器是指除用于执行军事、 海关、警察飞行任务外的航空器。 ? 民用航空器和国家航空器具有不同 的法律地位。
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 3.2.2.2 航空器的国籍
《国际民用航空公约》规定:民用航空器不得具有双(多)重 国籍 它具有其登记国的国籍 民用 国籍,它具有其登记国的国籍;民用 航空器的登记可以由一国转移到另一 国;民用航空器登记和转移登记的条 件、程序由登记国的国内法规定;民 用航空器登记后即具有登记机构给定 的国籍标志和登记标志,这是从事航 行的必要条件之一。 。
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3.2.2
航空器的法律分类 民用航空器在其登记国领域内活 动,完全置于登记国的管辖之下。
民用航空器在其登记国领域外飞 行期间,在一定的条件下,其登记国 也具有管辖权 对航空器内发生的法 也具有管辖权,对航空器内发生的法 律行为和事件等可适用其登记国的法 律 。
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 3.2.2.2 航空器的国籍标志和登记标志
民用航空器在进行登记以后
即具有登记机构给定的国籍标志 和登记标志,并依法取得国籍登 记证;且必须按照规定在该航空 器的外表标明国籍登记识别标志 。
32
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3.2.2
航空器的法律分类 国籍标志(Nationality Mark)
籍的 志
是识别航空器国籍的标志。 国籍标志必须从国际电信联
盟分配给航空器登记国的无线
电呼叫信号中的国籍代号系列
中选取,并将选定的国籍标志
通知国际民用航空组织。
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3.2.2
航空器的法律分类 共用标志
家的
当航空器预期不以国家的形 式登记时(如航空器属于某一
国际经营机构),可以采用共
用标志。
共用标志从国际电信联盟分
给国际民航组织的无线电呼叫
信号的代号系列中选取,由国
际民航组织指定。
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 登记标志(Registration Mark)
登
是航空器登记国在航空器 登记后给定的标志。
登记标志必须是字母、数
字或两者的结合,列在国籍标
志之后。若第一位是字母,则
国籍标志与登记标志之间应有
一短划“ -” 。
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 3.2.2.4 我国民用航空器的登记和标志
? 我国航空器的登记机构是中国 民用航空总局。中国民航总局
代表国家负责航空器的登记和
管理。
? 根据国籍标志的选取原则,中 华人民共和国民用航空器的国
籍标志为拉丁字母“ B” 。
3
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3.2.2
航空器的法律分类 3.2.2.4 我国民用航空器的登记和标志 ? 我国航空器的登记机构是中国民用航空总 局。中国民航总局代表国家负责航空器的 登记和管理。
? 根据国籍标志的选取原则,中华人民共和 , 国民用航空器的国籍标志为拉丁字母“ B” 。
? 我国民用航空器的登记标志是数位数字、 、 字母或其组合,列在国籍标志“ B” 之后,
两者之间有一短划。 。
3
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3.2.2
航空器的法律分类 标志编号方法
我国民用航空器的标志的编号方法为:
B-B
_ _ ××。 ? “_ _ ××” 表示四位阿拉伯数字 。 ? “ ” 其中:_ _ 为机型代号 ? 也有的机型代号用前三位表示
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 标志编号方法
322TONGJI UNIVERSITY
3.2.2
航空器的法律分类 标志的绘制 (1)
对于重于空气的固定翼航空器 :? 位置:机翼 — 尾翼之间的机身两侧; ;
右机翼上表面,左机翼下表面; ? 字体:正体大写;字母和数字不修饰; :; ; ? 尺寸:
9字高:机翼上不小于 50cm ;
机身上不小于 30cm ;
9字宽:字高的 2/3(除 1和 Ⅰ ); 9笔划宽度:字高的 1/6宽度; 9字间隔:不小于字宽的 1/4;
3
2
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3.2.2
航空器的法律分类 标志的绘制 (2)绘制要求:9标志应永久性的附着在航空器的表面上; 9每个字用实线构成,其颜色与背底颜色成 鲜明对比; 字周围不能有混淆性图案 标志或符号。
9字周围不能有混淆性图案、标志或符号。
3
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3.2.2
航空器的法律分类 标志的绘制 (3)
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3.2.2
航空器的法律分类 标志的绘制 (4)
TONGJI UNIVERSITY后掠翼 -29米格 29
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TONGJI UNIVERSITY三角翼 -2000幻影 2000
back
TONGJI UNIVERSITY
双三角翼
J7-E
SAAB-37
back
TONGJI UNIVERSITY无尾式 -144图 144back
范文四:X_43A飞行器的设计与制造
情报交流
X243A飞行器的设计与制造
摘 要 叙述了X243A的主要
设计和制造特点以及承包商团队在设计与制造中遇到的一些技术难点。两次飞行试验的成功表明这一系列技术难点都得到了解决。在这两次试验中,飞行器机体、发动机、各子系统以及分离系统都是首次进行试飞。机载研究用测量系统和所有传感器都按照预想的状态工作。因此,统数据,飞行器可以使用现有的工程工具和技术进行设计和制造。
关键词 X243 设计 制造
引 言
在美国国家航空航天器(NASP)项目结束时,对此项目最严厉的批评之一是,只对最关键的部件超燃冲压发动机进行了风洞中的模拟飞行,而没有进行实际飞行。因此NASA兰利/德莱顿联合发起的Hyper2X项目,开始发展一种能够以马赫数10的速度进行飞行试验的飞行器,X243A就是该项目的显著成果。参考文献[1]对设计过程进行了详细的回顾。
在概念上,X243A是不需使用特种燃料、可验证实际超燃冲压发动机性能的尺寸最小的飞行器。通过采用现成的助推器,并用NASA的B252B空中发射助推器和研究用飞行器,从而减小了?24?
飞行器的尺寸,以降低整个项目的成本。X243A的升力体外形源于麦道公司为NASA的兰利研究中心进行的马赫数10巡航飞行器研究。,710的速度能的飞行试验数据。马赫数7试验得到的数据将可以直接与采用同一发动机和组合流路的地面测试结果进行对比,而马赫数10试验的结果将能够提供在该飞行马赫数条件下5s~10s的飞行试验数据。对飞行器和发动机的设计采用最广泛的现有计算工具,而且飞行数据也可以验证这些设计方法的精确度。
在概念设计结束之后,NASA开始寻找承包商团队来完成飞行器设计与制造工作,并支持飞行试验项目。共有2个团队参与该阶段项目的竞争,其中一个是由麦道公司和普?惠公司组成的,另一个团队包括MicroCraft公司、北美航空工业公司以及GASL公司,NASA选择了后一个团队。在Hyper2X项目进展中,产业界发生变化,MicroCraft和GASL纳入ATKGASL,而北美航空工业公司和麦道公司都被波音公司并购。因此完成
X243A飞行器和连接器(用来连
接和分离飞行器与改进型飞马座助推火箭)的设计与制造的团队是由ASL和波音公司组成2X项目的设计与制造阶段是从1997年3月开始的。飞行器关键设计评审于1998年2月进行,第一架飞行器和连接器分别于1999年10月11日和2000年3月31日交付NASA德莱顿研究中心。第二架马赫数7飞行器和连接器分别于2001年1月29日和2001年2月5日交付。初次飞行试验于2001年6月2日进行,由于助推器控制面在未经试验的环境中超载,此次试验未能取得成功,并且导致了飞行试验项目被迫中断数年,以查出故障原因,并对运载火箭和飞行试验轨道作适当的改进。在此期间,在发动机设计和热防护系统方面都与马赫数7飞行器不同的马赫数10飞行器于2002年5月2日完成,并于2002年6月17日交付NASA德莱顿研究中心。在重新进行了飞行试验前的准备工作验证之后,于2004年3月27日成功地进行了一次马赫数为7的飞行试验,并于2004年11月16日成功完成了马赫数为10的飞行试验。这两次试验都创造了吸气式发动机飞行器在
飞航导弹 2007年第6期
大气层内飞行速度的记录。
本文回顾了ATKGASL/波音团队在X243A飞行器、分系统和软件、飞行器与助推器的连接器与分离系统的设计与制造过程中遇到的挑战。对于这些在设计与开发中遇到的许多挑战,在本文的参考文献[2212]中都有详细介绍,因此在文中介绍得比较笼统。ATKGASL/波音团队的职责如下:ATKGASL负责承包商团队的全面管理,发动机、连接器的结构设计与飞行器结构设计,燃料与点火系统的设计与制造,飞行器、发动机以及连接器的结构制造,飞行器与连接器内部系统的装配,计,飞行器热管理,飞行器子系统的设计与技术规格,飞行控制和发动机控制律,飞行器控制系统软件,飞行器管理系统,以及飞行器热防护瓦的制造。主要的转承包商包括霍尼韦尔公司,负责飞行器管理系统;以及Moog公司,负责机电传动机构和控制单元。SAIC设计、B.F.古德里奇制造了马赫数7飞行器的碳2碳前缘,而马赫数10飞行器的前缘是由MER有限公司制造的。作为主要电源的电池由EaglePi2cher公司提供。高压电磁阀和调节器采用VALCOR公司的产品。Jansen飞机系统控制公司(JASC)提供氢和硅烷的流体控
图1 X243A验证机
,包括全动式水平尾翼和双垂直尾翼与方向舵(图1)。该设计以在全球范围内以马赫数10高超声速巡航的飞行器概念为基础。由于高速巡航的需要,为了减小阻力而将前缘设计得很尖,同时控制面也相应很薄。前机身下部的外形设计可以为超燃冲压发动机进气道提供外部压缩斜面,同时后机身下部的外形设计则可以提供单膨胀喷管面。机体上表面采用缓和的曲率,机身前段包含有大块的压舱段,从而使飞行器的重心足够靠前,以提供近似中性的纵向稳定性。
飞行器的机身桁梁和隔板由钢、钛、铝等材料制成,其上覆盖有钢、铝蒙皮(图2)。这些材料是由飞行器的硬度需求确定的,而尾舱选用钛则是出于热防护的需求。出于飞行器平衡的需要,前舱采用了重约392kg的钨制实心楔形块。X243A机体的热防护采用碳2碳前缘(包在钨楔形
),上、下
面覆盖强化氧化铝防热(AETB)瓷瓦。金属蒙皮设计为多个相对简单、低成本的刻面形状,使得外型模线(OML)可以加工到热防护系统(TPS)防热瓷瓦中。对于防热瓷瓦的设计特点是,外表面的机加工是在瓷瓦安装到机身上之后进行的。因此,表面涂装在机加工结束之后进行,从而避免了热烘烤。水平以及垂直尾翼都是热结构(海纳镍2钢合金),只沿着其前缘进行热防护。对于马赫数7飞行器来说,水平表面只采用碳2碳衬料防热;而对于马赫数10飞行器来说,水平和垂直表面都采用碳2碳防护。发动机采用散热库珀合金(Glidcop),在其整流罩和侧壁前缘采用了主动式水冷系统。
飞行器的发动机作为一个独立的单元(图3)进行制造。该发动机采用矩形流路、机身一体化设计,其前、后机身作为发动机内部压缩和膨胀面的外延,提供外部压缩和膨胀面。飞行器采用气态氢燃料和硅烷点火剂,为了
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制阀。模块化测量系统由L23公司完成(先前的AydinVector)。1 飞行器综述
考虑到其飞行包线,X243A飞航导弹 2007年第6期
保证充足的运行时间,氢和氢/硅烷混合点火剂分别以5.9×7710Pa和3.1×10Pa的压强贮存。Glidcop发动机舱段安装在一个不锈钢加强座上,加强座则与机身相连。该发动机的一个主要特点是可动式进气道盖板,能够在助推段关闭以保护内部流路,在发动机工作的时候打开,而在飞行器从试验点下降的过程中再次关闭。发动机的整流罩和垂直前缘都很尖锐,在助推段和发动机工作段采用水冷方式进行热防护。发动机整流罩前段和整个发动机的关键位置都采用氧化锆涂层提供附加的热防护。飞行统,应的飞行器子系统 作为研究用飞行器,X243A装载了大量的测量仪器。在飞行试验中,要对超过500个独立的仪器进行监控和记录。由于飞行器在飞行之后不进行回收,因此这些测量参数都通过发射机传送到地面和飞行接收机,大多数关键的数据(涉及发动机性能的)在整个飞行过程中都进行转发。测量数据包括表面温度与压力、内部温度与压力、结构应力以及机载惯性导航系统和全球定位系统接收机(INS/GPS)得到的飞行轨道参数。出于轨迹追踪和温度测量的目的,飞行器上安装有多部S2波段发射机和一部C2波段转发器。除了在飞行试验的发动机试验阶段得到的发动机性能和流路数据之外,还可以在从飞行试验点降高减速至马赫数1的过程中,通过预编程机动动作获得空气动力学数据。?26?
图2
飞行器材料
图3 X243A发动机
飞行器管理与控制系统的组成包括一套飞行管理单元
(FMU)、机电传动机构及其控制
器(控制四个舵面的舵机和发动
机整流罩的传动机构)以及测量系统。FMU为这些系统提供完
飞航导弹 2007年第6期
Hyper2X
研究用飞行器系统
全的自动控制,的时间线、飞行器测量系统数据和机载INS/GPS数据启动相关事件。该系统还包括发动机控制软件,以及用于检测和避免发动机进气道不起动的创新软件。所有机载设备都通过电力驱动,这需要充足的电池容量。由于FMU、传动机构及其控制器、测量系统和电池都采用成品件,飞行器内部的空隙达到最小(图4)。
研究用飞行器通过一个专门设计的连接器与经过改装的飞马座助推器相连(图5)。该连接器不仅仅是一个连接结构,同时还集成了分离系统,以及在飞行轨道的助推段进行水冷和氮气吹除(以及冷却)的功能。与飞行器机身一样,连接器结构主要采用钢和铝制材料制成,外部覆盖一层软木绝热材料。分离系统是以一套为B21B项目设计、却从未飞航导弹 2007年第6期
图5 连接段
使用过巡航导弹发射器为基础进行设计的。安装这些系统后,活
塞对飞行器的钛制后隔板产生影响,在起动时提供大约9g的加速度。该分离机构可以在大约0.35s之内完成X243A与连接
遇到挑战,而是指可以通过应用工程工具,包括“经验法则”方法
和尖端计算工具,如有限元建模、计算流体力学和空气动力学等,充分解决所遇到的挑战。
组合刚度:在详细结构设计过程的开始阶段,显然应首先考虑到连接器和飞行器的结构需要具有很高的刚度。之所以提出这一要求,是由于飞行器的弯曲和助推器控制系统关连,对助推器/连接器/飞行器组合的初始弯矩频率提出了要求,要求组合的
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器2助推器的分离。2 设计挑战
尽管X243A的飞行条件非常独特,但是设计过程进展顺利,在后续试验中基本不需要重新设计。这并不是说设计中没有
初始弯矩频率要超过8Hz。假设连接器与飞行器通过悬臂方式与助推器前端相连,则需要飞行器的初始弯矩频率达到约65Hz,并且飞行器与连接器以及连接器与助推器之间的螺栓连接要具备适当的刚度。根据大量有限元分析的结论,在飞行器与连接器结构中需要加入大量钢铁,而且蒙皮的实际厚度也要超过最初的设想。对组合刚度的要求还产生了几个额外的问题:举例来说,飞行器的质量相对于其尺寸来说过大,以至于在发动机试验阶段需要弹道式弹道来保持合适的迎角;但是从另一方面来说,通过度,B瓷瓦之间留有缝隙热防护:在可能的情况下,飞行器的热防护系统设计尽量采用被动热防护。由于飞行器外形的原因,飞行器机身前段一大部分都采用实体钨材料制成,从而简化了该区域的热防护设计。在钨制楔形头加热量最高的边缘采用碳2碳前缘和机身边条进行热防护,而相对较短的飞行时间可以防止大部分钨楔形头表面被加热。一般来说,大面积热防护(AETB防护瓦)是根据马赫数为10的速度条件下的加热量设计的,其厚度大约为1.3cm(除了需要加厚以获得所需的气动外形的情况)。将如此薄的瓦片覆盖在柔性表面比较难,但是正如上文已经提到的,对刚度的要求使得飞行器表面挠度达到最小,因此可以全部采用传统的(航天飞机所采用的)附着方法。对水平和垂直控制面的热防护设计更加?28?
困难,因为控制面属于热结构,采用实心或近似实心的设计效果比较好,但是出于对重心的考虑,因而无法采用此种设计。因此,这些控制面采用组合式焊接结构,该种结构又存在着难以加工的问题。虽然如此,已经根据设计完成了控制面的制造。由于其半径相对较小,并且需要覆盖碳化硅涂层,因而碳2碳前缘和机身边条也很难制造。此外,马赫数为7和10的飞行器接合处采用了不同方法,性。然而,,中加以考虑。除了外部高超声速环境的挑战之外,由于长时间的燃料加注和飞行准备时间产生的内部热量也需要在托架接触面和散热片的设计中加以考虑,从而在最终完成制造后使得吹除系统还可以胜任冷却工作。
推进和燃油系统:尽管X243A的发动机基本采用散热设计,但是发动机前缘及其导流板依然必须采用水冷,以抵抗在助推和发动机试验阶段面临的高加热量。由于每循环一次都会损失一定量的水,因而必须仔细考虑机载的水量。整体冷却不仅要求在X243A上携带水,而且在连接器上也需要携带助推阶段的冷却用水。当然这必须要有相应的连接件,这些连接件将在飞行器后舱占据一定的空间。虽然可能因为加热量的不断变化导致变形,仍然要确保整流罩板的完全可移动性。必须要对FEM热量与压力进行完全的分析,才能够确保
上述要求得到满足。更进一步来说,燃油与点火装置固有的高压,要求必须特别注意系统完整性和振动隔离,以及进行硅烷/氢气混合气体在如此高的压力下的点火性能试验。小型高压液压控制阀也是设计中难点之一,而且由于其高压特性,需要对它们进行合理安置。必须对阀门进行多轮试验和重复设计,以获得所需的合格工艺和可靠性。
F测量和遥测系统:X2)所寸来说可能是空前的。因为测量子系统与飞行器上的其它子系统一样,都要求采购“成件”,同时测量装置与记录装置的连接还需要配线和导管,因而该子系统在飞行器内部的封装就成为棘手问题。图6说明了在装配导线和导管束中遇到的挑战。尽管提供如此多的测量通道并不需要采取特别的措施,但是仍然要特别注意测量系统的布线(并且只能在装配过程中完成)。对测量系统以及遥测系统的早期试验还表明,飞行器内部电气设备产生的热量并未得到充分考虑。特别是遥测发射器,其产生的加热量几乎相当于小型灯泡。在设计过程中我们假设飞行器结构所采用的散热设计足以冷却电气设备,但事实证明并非如此,部分是因为在整个预发射准备阶段都需要FMU保持工作。因此,最初仅仅是作为飞行器内部使用的氮气吹除系统必须同时发挥冷却系统的作用。这就要求必须在连接器内部设置额外的容量和吹除连接,从而在飞行器释放前从B252载机、
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在助推段从连接器向飞行器上输送吹除气体。
电源与传动:另一个严重影响小尺寸X243A的设计与制造的领域是电源与传动装置的设计与安装。这两套子系统都在现有装置基础上完成,只是对电池盒和传动机构作了一些改动。为了节省空间,所有的舵机控制器都安装在同一个箱内,在最初的设计中,邻近控制器之间产生了严重的串话干扰。这就要求传动系统的子承包商进行多次反复设计以攻克该难题。此外,所有的电源与传动系统组件(象飞行器上的大部分电气组件一样)都通过,于小尺寸的X2,。配线需要周全的设计与安装,以将潜在的电磁干扰(EMI)作用降到最低。
连接器:出于刚度方面的考虑,需要对爆炸螺栓接头进行特殊设计,使其剪切力最小。最初的样品测试中发现,连接头中螺栓的膨胀可能导致失效。这个问题已经在设计定型前通过较小的设计修改得以解决。在连接器设计过程中遇到的关键问题是分离系统的设计。
该系统必须能够在4.78×5
10Pa的动压、马赫数7和10条件下,使助推器/连接器与飞行器之间顺利而迅速地分离。已有文献表明,该技术此前未曾实现过。最重要的要求是提供非常迅速的分离(从而助推器由于飞行器分离产生的上仰,不会造成连接器与飞行器接触),并且借助飞行器的可控余力完成分离。同飞航导弹 2007年第6期
图7 连接器布置
图6
系统安装
时,连接器与飞行器在分离之
前,助推器/连接器/飞行器必须保持8Hz以上的整体刚度。在设计阶段采用了项目规划阶段的提案,即飞行器与连接器之间采用沿飞行器后机身下部的非对称连接(图7)。该方案的传动机构采用B21B弹射式挂架传动装置,其可靠性和性能已经经过了充分的检验。通过这些性能数据和3自由度、6自由度以及后来的14自由度的仿真程序,最终在设计中选定了弹射式挂架方案。由于该分离方式对于整个飞行试验的成败至关重要,因此对其进行了大量的试验和计算仿真,直
到第一次成功完成飞行试验才给予确认。在飞行试验中,分离完成过程与预期方案完全相同。3 制造挑战
在Hyper2X项目期间,制造方面遇到了大量的挑战,但全都被一一克服了,飞行试验的成功证实了这一点。下文中列举了一些非常的挑战。
钨制压舱段:X243A前舱安装了可能是至今最大的钨制物体,其中采用的钨合金称为致密合金180(Densalloy180)。压舱段是通过在一个大型熔炉中将几大块钨原料烧熔在一起制造而成
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的。采用该工艺必须避免在烧熔过程中个别部分的滑落。
海纳合金水平和垂直尾翼:如上文所述,为了降低质量,保持飞行器的质心,飞行器的水平和垂直尾翼内部结构采用机械加工,表面采用焊接制造而成。材料方面选择的是在高温状态下强度很高的镍钢合金,由于其硬度较大,因此机加工和焊接处理都需要经过多次反复研究和试验才能得到满意的结果。特别是焊接工艺所需的高温,将导致蒙皮表面的形变大于飞行器技术规范规定的表面波伏度。ATKGASL公,前缘:最小,X243A的前缘设计采用非常小的曲率半径(0.08cm)。后来马赫数10飞行器的半径要求放宽到0.13cm。这都增加了碳2碳材料的制造和碳化硅层涂覆的难度。与水平和垂直尾翼结构情况一样,开发适当的制造工艺与工序也需要多次反复设计和试验。于是来自各承包商、包括子承包商SAIC和NASA的专家,组成专家组协助开发工序,最终使这些薄型前缘能够达到满意的性能。
外型线:如上文所述,X243A的防热瓦安装很特别,其最终外型线轮廓是在防热瓦安装到飞行器机体上之后才建立的。这一工序是采用一台大型三轴机床完成的,通过将机体舱段装夹在机床上一次成型,可以将加工设备减至最少。在数控机床完成了表面轮廓成形之后,对OML进?30?
图8
飞行前的准备图9 全尺寸分离试验
行测量以最终确认,并在室温下在防热瓦表面涂装保护层,从而产生了X243A黑色特性。法在相当,OML。
组装及检测:虽然X243A较小的尺寸使得上文提到的OML加工过程可以在原地进行,但同时也明显增加了飞行器子系统的组装难度。在飞行器总装过程中遇到的大多数困难都是因为使用了宇航标准的连接器和配件,以按照要求确保飞行器可靠地获取必要的飞行试验数据。由于在低
压条件下工作(非真空),因而飞行器上使用的所有设备都必须能在30000m及更高的高度条件下使用,从某些方面来说比空间飞行的要求更严格。对于电气和电子两个子系统尤其是如此,并且为此而不得不采用大型连接器和配件,从而占用了宝贵的装配空间。对设备布局和定制托架进行反复设计,对一些连接器进行了修改,并采用了一些非标准、高密度的德国产连接器,最终使组装取得了完满成功。
飞行器较小的尺寸给检测造成了很多不便,尽管已经将飞行
器的整个上表面设计为可拆卸式,。尽卸实际上,为了降低系统测试的难度,直到飞行前才将上表面安装到飞行器上(图8),瓷瓦上的上表面蒙皮紧固器孔用陶瓷塞封住,而表面抛光则在将飞行器安装到B252上之后才进行。
安全性:燃料和点火系统需要特别的操作安全规程。点火剂采用的是一种可以自燃的氢和硅烷(SiH4)的混合液,该液体一旦与空气接触就会燃烧。这一特点对于泄漏检查非常有利(即使少量泄漏也会导致硅石沉淀)。这也意味着,在向飞行器输送燃料时必须采取特别的安全防范措施。为此,在燃料系统中必须建立几个通风与吹除循环,通过飞行器上特殊的通风管从试验人员区排出可燃物。相关的安全规范也使得地面支持和辅助设备的复杂性超出了最初的设想。
分离系统:在项目的总装和测试阶段遇到的主要挑战是分离系统的测试。尽管作为分离系统基础的弹射式挂架已经经过了充分的测试,但是在用于X243A时所作的改动尚未进行测试,而且
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飞行器与连接器的爆炸螺栓分离系统和弹射式挂架也都需要通过测试加以确认。该测试采用完成部分安装的X243A结构组件对该阶段遇到的冲击载荷进行测量,并将结果与子系统检定规程规定的载荷进行了比较(图9)。该测试结果表明,设计中所选用的分离方法能够使飞行器可靠而迅速地从连接段脱离,冲击载荷完全符合要求。然而,这些测试无法给出飞行中遇到的空气动力学载荷数据。马赫数为7和10的飞行器的成功分离证明所采用的设计是正确的,甚至比之前期望的更加顺利。
意。制以及记录文件。个专用工具、支持设备、紧急情况中断箱、测量数据整合方法和拆卸夹具等,以支持组装和飞行作业。政府和承包商团队的成员在制造完成过程中的各个阶段都进行了详细的阶段检测。X243A飞行器的小型化和装载的高度密集化设计,对检测和试验程序提出了挑战,并且对专用工具的需求也远远超过大多数设计。4 飞行成功
历了最初的失败之后(此次失败
与X243A研究用飞行器本身的性能无关),剩余两架飞行器都实现了所有的性能和操作性目标。事实上,即使是在初次失败的飞行试验中,X243A飞行器及其系统的表现也非常优异。这在很大程度上取决于设计和制造团队得力的合作,有效地攻克了设计中遇到的诸多难题,制造出一套复杂而先进的系统。在X243A交付之后,就在NASA的德莱顿试验,,从而2项目异常成功。对开发X243A使用的工程和设计工具的确认已经完成,飞行器的试飞成功证明,高超声速飞行器的研发不存在根本性的问题。
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Preflight
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FlightData.AIAA220052
王 蒙 张 进 尚绍华
已发表的文章表明,X243A
飞行试验项目取得了成功。在经
飞航导弹 2007年第6期?31?
范文五:单人飞行器的应用与发展
单人飞行器的应用
与发展
作者:
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班号:
中文摘要:天空,作为探险史上人类最后涉足的宏观领域——之前是陆地和海洋——自1903年以来就被不断地探索着,至今已有一个世纪有余。少有留意周围的话,任何人都不难发现在交通工具和战争工具的发展史上,多人使用的工具和单人(或双人)操作的工具往往是同时发展的。我们有多人乘坐的汽车,同时也有单人驾驭的摩托车;有多人使用的巨型油轮,也有单人驾驶的摩托艇;有多人操作的自行火炮,也有单人操作的RPG 火箭炮??由此看来,单兵飞行器的开发与应用也是不可避免的。
关键词:机动性,安全,单人飞行器,动力、高效率。
一、 发展历史
15世纪,欧洲文艺复兴时期,意大利著名画家、科学家达·芬奇通过观察鸟飞翔,设计了一种“单人扑翼机”,通过机械杠杆作用,用手和脚扑动翅膀在空中飞翔。他的一个仆人首先用这种“单人扑翼机”作了试验,结果摔断了一条腿。这可能是除中国万户火箭以外人类对单人飞行器的第一次大胆的尝试。
这种不断地尝试终在20世纪最后的十几年里开花结果。1988年在韩国举行的第24届奥运会开幕式上,一种单人飞行器曾作了垂直升空表演。该飞行器上面装有3个玻璃钢储瓶,分别装着压缩空气和过氧化氢燃料。上面还装有固体催化剂的一个不锈钢催化罐,罐底有两根喷管。当人要起飞时,打开压缩空气瓶下的开关,压缩空气进入过氧化氢储瓶,经化学反应放出高热,使得水和氧变成高温蒸气,从喷管里喷出,从而产生推力,使人徐徐垂直上升。
1996年,美国人迈克尔·莫希尔在加利福尼亚州桑尼维尔市创办了TREK 航空有限公司,他声称自己已经让单人飞行器这一人类的梦想变成了现实。他研制的一种小型双叶片直升机,命名为“SOLOTREK-XFV”。这种单人飞行器,驾驶者不用坐进去,只需站在搁脚板上,把自己固定在飞行器上,然后启动发动机,两扇叶片开始高速旋转,产生巨大动力,足以使飞行器起飞并前进。飞行器上有两个手动控制把手,飞行员靠它起降并控制飞行方向。据称经过改进,该飞行器的时速就可以达到120多公里,一箱普通燃料便可以供它持续飞行200公里,可载单人连续飞行一个半小时。
然而,尽管人类在对单人飞行器的开发上一直做着不懈的努力,“伊卡路斯之翼”似乎并没有在人们面前完全展开,且不说如果应用到军事领域它所能发挥的作战能力,仅是最基本的航速和续航能力就迟迟得不到解决。
二、 优劣分析与主要问题
在讨论单人飞行器的优势与劣势这一问题之前,我们不妨按照最常见的形式将现阶段较为可行的单人飞行器分为两类:一种是类似于现代飞机(例如美国空军的V-22“鱼鹰”)的缩小版,驾驶员乘坐在仅容一人的驾驶舱内,我把它称为舱体式;另一种则是将一形似背包的带有电脑的喷射器安置在驾驶员身上的(尽管这看起来与“飞行器”一名并不十分相符),我把它称为外挂式。
单人飞行器的优势似乎是不言自明的:人类对速度的追求将在继流线型跑车和磁悬浮列车的问世的之后再一次得到体现,人与人、地与地之间的距离将再次大幅度缩短;堵车将不再是城市一景,相对的,漫天飞翔的“鸟人”将使都市面貌焕然一新;甚至,微小的体积带来的是未来战场上的高机动性和对战局的绝
佳掌控。
然而事实似乎并不如科幻作品那样尽如人意,在众多优势的表象之下,单人飞行器这一构想的劣势也被明显的表露出来:
首先,作为一种高速的飞行器,它对驾驶员的身体素质和驾驶水平的要求自然也不会如同考汽车驾驶执照一样简单。拿我们熟悉的F1赛车来说——它可能是陆地上速度最接近飞行器的机械,众所周知,F1赛车手需要一套头颈支持系统,或者说是头颈保护系统——HANS 来确保每一场高速度的比赛不会是自己人生中最后一场。这一套保护系统对单人飞行器来说同样也是必要的,原因如下:单人飞行器必然将在更高的行驶速度下拥有更小的转弯半径,根据向心力的计算公式不难得出这一特点将使驾驶员的脖颈承受前所未有的压力①,即使如F1驾驶员这样一些经过脖颈力量强化的人也不能在缺乏这样一套保护系统的情况下确保自己的大动脉血流畅通,就更不用说那些所有交通工具共有的隐患——驾驶事故。
其次,参考如今的地面交通发展态势,我们不难发现,即使将行动空间拓展到广袤的天空,我们所面临的交通状态仍然会是不容乐观的——没有人能保证在未来的某一天头顶上空不会有遮天蔽日的“堵车”大潮。②
再次,相对于“舱体式”来说,“外挂式”是一种局限性更大的单人飞行器方式,由于没有机体外壳的保护,驾驶员直接暴露在大气中,气流、温度、雷电、固体漂浮物等等许多因素对驾驶的影响就会有显著增加;而相对于“外挂式”来说,进入“舱体式”的驾驶员不但需要像汽车驾驶员一样进行各种操纵,而且还要穿戴一副保护自己的装备(比如前面提到的诸如HANS 的设备),更加重要的是,他们的活动空间将是非常有限的(而不是像大多数汽车驾驶员一样看着周围的几个空座怡然自得)
讨论了这些表象上的优势与劣势之后,我们还是应当把话题带回到单人飞行器的发展所遇到的技术问题上。
目前一个最大的问题是,单人飞行器究竟能在怎样的一个速度上保持怎样
③的一个续航能力。美国NASA 公布的电力驱动单人隐形飞机——海雀(Puffin ),
作为一款目前为止公认性能最出众的概念单人飞行器,其满电续航能力仅为大约50英里(合约80公里),此情况下的巡航速度仅为240公里/小时,该机型目前能达到的极限速度约为480公里/小时。这样的一个速度以及续航能力显然与人们的预期值还有很大的差距。另外,海雀带电池的重量约为180kg ,机身长3.7米,翼幅达到4.1米,旋翼直径2.3米,作为一款军用飞机这样的体型似乎合情合理,但是要想达到民用的要求,科学家们还需要将它“减肥”一番才可。
我们可以把目前单人飞行器发展上一些值得关注的问题概括如下:
1. 对储电量更大、重量更轻的蓄电池的需求;
2. 电力发动机的改进,在减轻重量的基础上增大推力;
① 据《F1中的HANS 系统》一文中计算,一名65kg 的车手,其头重约为5kg (约为体重的7.7%),
比赛时,车手所承受的加速度最高可达5g 以上,他的头会像钟摆一样前后左右晃动,也就是说
他的颈部要承受超过25kg 的重量(在不算头盔的情况下),而且力的方向和转变速度又极快,对
于未经训练和没有保护措施的人来说,这将是致命的。(2007年加拿大大奖赛上宝马车队的车手
库比卡在发生车祸的一瞬间承受的减速度为75g !)
② 详见《Scientific American》2011年10月号
③ 海雀采用重达45kg 的可充电磷酸锂电池作为能源,拥有两台电动发动机,效率可达到95%。(详
见《单人飞行器》一文)
3. 需要新型材料,以期通过减轻飞行器的重量来降低能耗和惯性对驾驶的
影响;
4. 研发更加可靠的安全保护措施,以保证在高空高速的情况下驾驶员的人
身安全;
5. 外形的压缩,可以允许飞行器执行更多的任务。
??
三、 发展前沿与展望
今天,全球许多科学家、工程师、甚至普通民众都在致力于单人飞行器的开发与研制。他们各式各样的创意和饱满的热情在各个方面激励着我们的探索。
前面提到的由NASA 的工程师们主持开发的“海雀”就是一款极为出色的军用单兵飞行器。工程师马克·摩尔称,由于使用电动机代替了传统的内燃机,“海雀”比普通飞机具有更有的静音效果——当它飞行到150米的高空时,其噪音为50分贝,相当于一般人说话的音量。超静音的特性使得“海雀”具备了潜在的特殊军事功能,可以作为特种部队和其他部队执行秘密军事任务的理想选择;由于电动机的效率非常之高,但它们产生的热量却很低,这就意味着它们在执行军事任务时的热信号非常低,从而达到很高的红外隐形效果;同时,电动机也不想内燃机那样在引擎附近需要大量冷空气来降低热量,从而有效地减少了空气阻力带来的影响。更加安静意味着它具有更加大众化的应用前景,比如在个人旅行和快递服务领域。起降“海雀”的机场可以位于人口中心附近,甚至建在住宅区里面,而不用担心会造成扰民,这样可以显著减少城市中的通勤时间①。
美国加州的Samson Motorworks公司一直致力于开发一种陆空两用的摩托车,这相当于放在私人车库里的一架飞机——其采用的是鸭嘴式造型,后部装有大的飞机机翼,前部还有水平翼。目前,该公司提出了两种设计款式,其中一个型号名为Skybike ,采用缩叠式机翼的设计,另一个名为Switchblade 的型号则采用可折叠的剪刀式机翼。这两款机型均配置有前后碟式制动、玻璃驾驶舱、雷电保护系统、副点火电池系统、导航无线电、航道校正等设备。Switchblade 在陆地上的速度可超过155公里/小时,在空中飞行时达到215公里/小时;而Skybike 在陆地上的速度可达到128公里/小时,飞行时则为209公里/小时。
Terrafugia 公司则开发了“变形者”,其创新之处在于拥有可折叠的机翼。驾驶者只需按一个按钮,机翼便会自动展开,30秒内即可从汽车变形为飞机。除变形速度快外,它还耗油少,十分经济,每升汽油空中行驶距离约为12.75公里,巡航时速可达185公里,陆上最高时速可达128公里。由于使用无铅汽油,“变形者”只需去普通加油站加油即可。Terrafugia 公司介绍说,收起机翼后,“变形者”和普通汽车大小相近,可存放在车库中。
此外,荷兰人约翰·巴克也开发了一种“飞行汽车”,使用汽油引擎,供一人乘坐。在陆地上,它形似概念三轮机动车,路面最高时速可达200公里。它飞行的秘密藏在顶部和尾端,那里有可折叠的叶轮、推进器和机尾。这样一套简单飞行装备可保证飞行汽车在5秒内从静止状态加速到时速90公里,飞行时速最高达190公里。飞行汽车可到达空中1200米高度,加满油后一次最远可飞行近550公里。飞行汽车起飞滑行只需50米,着陆滑行甚至不到5米。在空中,其顶部叶轮可调整转速以控制飞行高度,尾部的推进器负责提供前行动力,获专利的自动平衡装置可保证飞行汽车转弯时自动倾斜。
经过科学家与工程师们的不懈努力,单人飞行器经历了一个从完全没有,到
形成概念,再到产出样机的过程。伴随着能源动力科学、材料科学、飞行器设计学等的发展,单人飞行器的种类必将向多元化发展。仅从动力来源上就可以做如下分类:1. 旋翼式2采用多种航空发动机3. 核脉冲推进式4. 光帆飞行器5. 磁帆飞行器6. 采用反重力发动机??
参考文献:
《单人飞行器》(作者:Leipei )
《F1中的HANS 系统》
《Scientific American》杂志
《环球》杂志
《科技日报》 (作者:毛黎)
《民航概论》(刘得一编著)