[发明专利]一种涵道风扇矢量推进系统

说明书

技术领域

本发明涉及航空动力技术领域，具体涉及一种涵道风扇矢量推进系统。

背景技术

传统单旋翼带尾桨式直升机由于受到前行桨叶的压缩性和后行桨叶的气流分离的影响，最大飞行速度受到很大的限制，最大巡航速度通常在300km/h左右,而固定翼飞机的飞行速度可以很高,但需要机场跑道滑跑起落,且不能悬停和低速飞行。因此,长期以来,国外一直在不懈地探寻新的技术发展思路,力图创造一种新型的飞行器,既能保持直升机的垂直起落、悬停和经济性的优势,又能达到飞机的飞行速度。几十年中,产生了很多种不同形式的“垂直起落转换式飞行器”。例如，带有“共轴双螺旋桨”的XFV-1可以实现垂直起飞，并逐渐改变状态进入前飞，以螺旋桨飞机形式飞行。倾转旋翼机V-22是一种转换式飞行器，它可以在飞行中根据需要在飞机模式与直升机模式之间转换，以便发挥每一种模式的优势。X-旋翼机(S-72)则是一种旋翼/机翼转换式飞机，可在直升机和固定翼飞机两种模式间切换。还有Piasecki飞机公司研发的Piasecki 16H Pathfinder以及X-49“速度鹰”等复合式高速直升机，可大幅度提高直升机的飞行速度。多年来的探索和创造实践形成了后来高速直升机发展的三种主要技术途径——复合式、倾转旋翼/机翼式、旋翼/机翼转换式。

前面提到的复合式高速直升机中，部分采用了涵道风扇矢量推进系统(Vectored Thrust Ducted Propeller，简称VTDP)，如Piasecki 16H Pathfinder即采用该系统，将平尾、垂尾、尾桨和推进发动机紧凑地结合起来，不仅使复合式直升机飞得更快、更远，还有效减轻了重量、降低了成本、提高了效率。X-49“速度鹰”采用改进的带变向环的涵道风扇矢量推进系统，可以有效地提升其最大飞行速度，改善操纵性能，在复合式高速直升机中具有良好的应用前景。

涵道风扇矢量推进系统是在常规涵道风扇系统(ducted fan system)的基础上发展起来的。常规涵道风扇系统只能改变推力的大小，却不能改变推力的方向。为了使涵道风扇系统同时具备改变推力大小和方向的能力，涵道风扇矢量推进系统在常规涵道风扇系统的尾部安装水平和垂直舵面或其他偏转气流的部件。这样，涵道风扇矢量推进系统不仅继承了涵道风扇系统静推力大、推力效率高的优点，而且还能够通过安装 在涵道尾部的操纵舵面及其他偏转气流的部件来控制推力的方向。当涵道风扇矢量推进系统用于复合式高速直升机时，在垂直起降和悬停状态，主要用来平衡主旋翼的反扭矩；而在高速前飞时，可用来产生向前的推力以提高直升机的前飞速度。涵道风扇矢量推进系统可以根据直升机在不同飞行状态下对各方向的力的不同需求，通过调节风扇桨距及转速控制系统产生推力大小，通过舵面及其他气流偏转部件的不同偏转组合来控制涵道风扇系统产生推力的方向，充分发挥了涵道风扇系统静推力大、推力效率高的优点，使得采用了涵道风扇矢量推进系统的复合式直升机飞得更快、更远，而且还有效减轻了重量、提高了效率，同时具有造价低和风险小的优势，且方便利用现有直升机的机体进行改装，因此它被越来越多的应用到复合式直升机设计中。

虽然上述涵道风扇矢量推进系统已经在不同的复合式高速直升机飞机中得到应用，但是它们都有一个共同的缺陷，就是在起降和悬停时用于改变气流方向从而改变涵道风扇系统推力方向的气流偏转部件(舵面及变向环等)在飞机高速飞行时会产生较大的附加阻力，而且增加了系统的结构重量，从而降低涵道风扇系统的效率，增加了飞机的油耗。而且，无论复合式直升机发展得如何完善，旋翼的旋转仍然是气流不对称的原因。因此若要解决直升机的高速问题，最终还是要通过停转旋翼使其变为机翼，从直升机模式完全转换成飞机模式，即成为旋翼/机翼变换式飞机。然而旋翼/机翼变换式飞机高速飞行时并不需要提供平衡主旋翼反扭矩的侧向力，但起降和悬停时则需要很大的侧向力且尽可能小的前向推力。现有的涵道风扇矢量系统在旋翼/机翼变换式飞机中使用时效率并不高甚至不能使用。

对于涵道风扇矢量推进系统，如若能不使用额外的改变气流方向的操纵舵面或其他气流偏转装置，但在飞机垂直起降和悬停时也能改变气流方向来产生平衡主旋翼反扭矩的侧向力，高速飞行时又不产生附加的额外阻力，则可进一步提高该系统的效率，从而使旋翼/机翼变换式飞机的效率更高。

发明内容

为克服现有技术中存在的涵道风扇矢量推进系统结构重量大、驱动机构复杂、飞机高速飞行时气流偏转机构的气动阻力大的不足，本发明提出了一种涵道风扇矢量推进系统。