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1、碟形飞行器设计一、设计思路飞机设计思想来源于天上的鸟，升力则主要源于类似于翅膀的机翼。本文尝试设计一种飞行器，它的整体都会产生升力，经过比较选择较为简单的“飞碟”形进行设计。结合科幻电影中画面，采用圆盘式结构有以下几个优势：(1)外形紧凑，各方向中心轴对称受力均匀，可实现任意方向转弯；(2)采用垂直起降方式，可任意对称分布多个发动机，可空悬停；(3)侧面投影面积小，侧面雷达反射面积基本可以做到无反射状态，非常适合空战。因为这几个优势并使设计更为简单，采用多个发动机作为动力来源，飞机底部一个发动机产生升力来实现垂直起降，尾部一个发动机产生推力，且尾部发动机可在一定范围内进行旋转，即可以改变推力的
2、方向，从而控制飞行姿态。通过直接改变推力来改变飞行器运动方向，使对飞行器的操纵更为简便，并可提高飞行器的灵活性。本文先从外观、材料、飞行姿态、控制等方面设计一个简单的飞碟形飞行器，在实现基本功能后分析其性能及优缺点，进而提出一些观点对飞行器进行优化和完善。二、整体外观设计整个飞行器采用对称结构，底部为一圆形平面，上表面为一弧面。底部尾部各一个发动机，飞碟尾部增加一个类似飞机垂尾的部分，来保证偏航与滚转的稳定。其大致结构如图1所示。图1.侧视图与仰视图三、飞行器材料选择（1）大型飞机材料的选择必须满足飞机的总体技术要求及其相关的具体设计要求。由于飞行器动力有限，希望采用的材料可以大幅度减轻机体结
3、构重量、改善气动弹性，提高飞行器的综合性能。另外由于飞行器外形的原因，要选用可塑性强的材料。（2）飞机的发动机部分应选取耐高温材料。（3）由于所设计飞行器具有灵活性高、可操纵性强的特点，若考虑进入军用，则选取材料应具有高强度的特点。也可考虑在飞行器上应用隐形材料。综上，铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能，是飞行器上的常用材料，可以用做机身材料；陶瓷材料具有结构致密、表面平整光洁、耐酸性能良好等特点，可利用陶瓷材料的耐高温性能制造飞机喷气处绝热装置。若为了提高强度而用于军事，需采用复合材料。先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性、结构整体化、降低全寿命成本等优点，可以大
4、幅度减轻机体结构重量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能。复合材料已经在军用飞机上有了大幅应用。四、飞行器飞行姿态分析1.起飞飞行器底部的发动机可直接提供升力使飞行器垂直起飞，为了节省动力，也可以类似普通飞机，先进行一段滑跑，获得一定升力后再利用发动机升力达到更高高度。2.直线飞行当飞行器直线飞行时，有两种情况，一是与直升机情况类似，升力来源于机身和垂直方向发动机推力，飞行器头部向下是前进并上升，头部向上是上升之后并保持悬停。动力主要源于底部的发动机，而尾部发动机主要起到控制飞行轨迹的作用。也可向飞机一样，由尾部发动机提供推力，升力来源与机身。下面考虑当飞行器姿态发生变化时的稳定情况。由于飞行器
5、尾部设有垂尾，类似于飞机，假设飞行器向右滚转，由于重力与升力的合力也指向右方，相当于飞行器向右侧滑，垂尾上产生向坐的侧力，使飞行器恢复到原来的稳态。当飞行器向右偏航时，垂尾上受到向右的力，在此力矩的作用下，飞行器恢复原来的飞行方向。当飞行器在竖直方向产生运动，即进行俯仰运动时，由于碟形结构，当俯仰角过大时飞行器就无法保持稳定，需要通过控制发动机改变推力方向来保持机身稳定。即迎角过大时尾部发动机向下偏一定角度产生一个向上的力，迎角为负即低头严重时，尾部产生向下的力，使飞行器稳定。这对控制系统有较高要求3.飞行器的变向通过控制底部的发动机来改变升力可使飞行器上下运动。要使飞行器改变方向，可以通过控
6、制垂尾方向舵，也可以操纵尾部发动机，改变推力方向来改变飞行器轨迹。为使结构简单，不在垂尾上安装方向舵，这里选用第二种方案。如果配合底部发动机的推力，就可在飞行器在空中悬停时快速改变航向。4. 降落由于飞行器可以产生向上的推力，可使飞碟在水平方向停止运动后，再减小底部发动机推力，使飞行器降落。当然，通过更准确的操作，飞行器也可以实现像飞机一样在运动中降落。5.飞行器的控制综上所述，所设计碟形飞行器需控制部分为底部发动机的动力大小，与尾部发动机的推力方向。首先，当飞行器出现俯仰时需要调节尾部发动机推力方向，此操作应交于自动驾驶系统完成，将由传感器测出的飞行器俯仰角信号反馈到控制系统中。当飞行员来操
7、作时，设计一个驾驶杆：推杆时底部飞行器动力减小，飞行器下降；拉杆时底部飞行器动力增大，飞行器上升。向左推驾驶杆时，尾部发动机向左喷射，尾部产生向右的力，使飞行器向左转弯；同理，向右推驾驶杆，飞行器向右转弯。5、 飞行器缺陷分析与改进措施（1）可见该碟形飞行器最大缺点就是操纵过分依赖发动机，对动力的要求很高,下面考虑如何不依赖改变发动机推力，使飞行器实现滚转和改变航向。如下图所示，类似于飞机升降舵，在碟体底部装入两个挡风板，当飞行器直线飞行时，挡风板与飞行器底部在同一平面内。如图2所示，当一侧挡板打开一定角度时，由于两边升力不同飞行器发生滚转。左侧挡板打开，向左滚转，右挡板打开，向右滚转。V 图
8、2 滚转时左视图与后视图而当挡板打开90度时，如图3所示，在空气阻力的作用下，飞碟会发生偏航。左侧挡板完全打开时飞碟向左转向，右侧挡板打开时，飞碟向右转向。V 图3 转向时仰视图与左视图这样改进后，飞碟进行滚转和转向就不再依赖发动机，降低了控制难度。由于加入了滚转运动，控制器上加入一个脚蹬，踩左脚蹬向左滚转，右脚蹬向右滚转，进行转向时将脚蹬踩到底部。同时保留驾驶杆对发动机的控制，进行辅助转向，并可在必要时实现飞碟在悬停时的转向。（2） 飞行器设计外观顶部为一球面，虽然使飞碟产生各种运动时设计上更为简单，但会产生更大的阻力。可以考虑改进外形来减小阻力，例如将底部改为椭圆形状。由前面的分析，这种设
9、计使俯仰时要改变发动机推力方向来保持稳定，也就需要更为复杂的控制系统来确保飞碟稳定性。（3） 设计过程中缺乏整体性、系统性，使飞碟整体性能受到影响。本文设计采用完全对称结构，可在系统地对飞行器整体进行分析后，重新设计对发动机的位置，挡板的位置，以及飞碟整体质量分布。6、 总结与展望本文参考飞机和直升机的原理设计了一个简单碟形飞行器，可实现空中悬停，任意方向转弯等功能，操纵简单。但对动力和控制系统要求较高，稳定性欠佳，需要改进。飞行器设计完善后可以有多方面的应用，如民用上可用作交通运输工具，这就不需要太高的飞行高度，对动力要求也降低。也可运用军事，首先设计一个体积庞大的飞碟作为母舰，母舰中装载有更多的小型战斗机，相当于空中的航空母舰。
