中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 楊林 蘇鐵熊

1 緒論

飛行汽車是當(dāng)今世界各科研機(jī)構(gòu)都在研究的一款新型車型，它可以在空中飛行或在陸地上行駛，可以從一輛公路行駛的汽車變身為一架空中飛行的飛機(jī)。最初的飛行汽車裝有比車身寬5至6倍的平直固定翼，在公路上行駛或起降時(shí)，不僅會(huì)影響正常的交通秩序，而且車翼也會(huì)受到道路旁障礙物的限制，這就很難得到實(shí)用。經(jīng)過幾十年的研發(fā)設(shè)計(jì)，飛行汽車的機(jī)翼設(shè)計(jì)為折疊式，在尾部有一個(gè)螺旋槳，由一臺(tái)Rotax912引擎負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)。飛行汽車陸地行駛時(shí)，它將會(huì)收起機(jī)翼，這樣就能夠輕松地將飛行汽車停進(jìn)一般的停車位或車庫，也能在普通街道上行駛；飛行汽車要空中飛行時(shí)，它能在數(shù)秒內(nèi)打開機(jī)翼，變身成一架超輕型飛行器，著陸時(shí)也能夠在數(shù)秒內(nèi)收起機(jī)翼，變身成一輛普通汽車[1]，如圖1.1所示。

圖1.1 旋翼可折疊型飛行汽車

2 重心位置對(duì)飛行汽車的影響

飛行汽車既有飛行狀態(tài)又有行駛狀態(tài)，當(dāng)飛行汽車空中飛行著陸后，可以通過旋翼的折疊使飛行汽車從飛行狀態(tài)變?yōu)殛懙匦旭偁顟B(tài)。飛行汽車一般是作為一輛普通汽車在道路上行駛，只有在遇到一些特殊情況時(shí)才變身為一架飛行器。因此，飛行汽車無論在陸地行駛時(shí)還是空中飛行時(shí)，都必須具有良好的穩(wěn)定性，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

2.1 空中飛行狀態(tài)的重心位置研究

飛行汽車在空中飛行時(shí)，具有自轉(zhuǎn)旋翼飛行機(jī)的飛行特點(diǎn)。而重心的相對(duì)位置是影響旋翼機(jī)縱向靜態(tài)平衡的重要因素，并且整機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性都與重心范圍有著非常重要的關(guān)系?？v向靜穩(wěn)定性可以理解為，旋翼機(jī)等速直線行駛過程中，由于機(jī)身受到空氣擾動(dòng)發(fā)生向上的傾斜，旋翼機(jī)的升力會(huì)增加，而升力增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)頭上仰程度增加，如果重心相對(duì)升力增量的焦點(diǎn)位置在前，則旋翼機(jī)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這就是靜平衡。因此，當(dāng)旋翼機(jī)受到微小的擾動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致縱向平衡狀態(tài)的破壞，但是在這個(gè)擾動(dòng)消失的瞬間，旋翼機(jī)又能夠不經(jīng)駕駛員的操縱就能夠自動(dòng)恢復(fù)到原先平衡狀態(tài)，表明旋翼機(jī)具有縱向靜穩(wěn)定性[3]。

飛行汽車在空中飛行時(shí)，可以把其看成是一架普通旋翼機(jī)，重心的位置對(duì)飛行汽車的影響同樣很重要，因此飛行汽車的重心在其焦點(diǎn)的前方。飛行汽車正常巡航處于平衡狀態(tài)，重心應(yīng)當(dāng)在旋翼軸心的垂直線上。在上一節(jié)分析中，由于飛行汽車飛行速度不高，其焦點(diǎn)位置不會(huì)發(fā)生變化，然而飛行汽車的重心位置卻因燃料的消耗等外界擾動(dòng)影響而發(fā)生移動(dòng)。如果重心位置后移到飛行汽車焦點(diǎn)之后時(shí)，就會(huì)造成飛行汽車的縱向不穩(wěn)定，甚至有可能造成更嚴(yán)重的后果。因此要求飛行汽車的重心在旋翼軸心垂直線前，如圖2.1所示，飛行汽車受到外界擾動(dòng)后，重心后移保持在焦點(diǎn)之前，飛行汽車才是穩(wěn)定的，才能夠保證飛行汽車在空中安全飛行以及飛行員的生命安全。

圖2.1 重心在旋翼垂直線前

飛行汽車的車身背部有一垂直水平的螺旋槳，螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)對(duì)整車提供向前的推動(dòng)力，當(dāng)螺旋槳推力線低過重心點(diǎn)時(shí)，螺旋槳推力增加會(huì)導(dǎo)致飛行汽車的車頭上仰，會(huì)造成旋翼的迎角低于最小迎風(fēng)角，從而導(dǎo)致旋翼的旋轉(zhuǎn)速度降低，飛行汽車的升力降低或失去，飛行高度迅速降低，嚴(yán)重影響飛行的安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)螺旋槳推力線高過重心點(diǎn)時(shí)，螺旋槳推力增加會(huì)導(dǎo)致飛行汽車的車頭下沉，為了克服下沉力矩，飛行員要過度地操縱拉桿以致旋翼的仰角增加，操縱性較差。并且在起飛階段，車頭下沉導(dǎo)致飛行汽車所需的升力和速度增加，就增大燃油的消耗。通過分析重心相對(duì)于螺旋槳推力線的位置，螺旋槳推力線正好通過重心位置時(shí)，如圖2.2所示，才能夠保證飛行汽車車頭不會(huì)有俯仰動(dòng)作發(fā)生，使飛行汽車具有良好的穩(wěn)定性、操縱性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，飛行汽車重心位置的合理確定，不僅會(huì)影響飛行汽車的平衡和穩(wěn)定，還會(huì)危及飛行員和飛行汽車的安全。重心位置不應(yīng)過分靠前，雖然縱向穩(wěn)定性增強(qiáng)，但是車頭容易產(chǎn)生下俯的力矩，下俯力矩增大，飛行員對(duì)操縱拉桿的操縱力矩增大，操縱性變差，飛行汽車的機(jī)動(dòng)性就會(huì)降低。而且如果重心過分靠前，著陸減速能力減弱，甚至發(fā)生危險(xiǎn)情況，這就決定了飛行汽車的重心前限。當(dāng)然重心位置不應(yīng)靠后，雖然飛行汽車的機(jī)動(dòng)性增加，但是容易產(chǎn)生上仰力矩，操縱推桿的力矩增大，操縱性也變差，并且飛行汽車的起飛增速能力減弱，決定了重心位置的后限。為保證飛行汽車具有良好的穩(wěn)定性和操縱性，飛行汽車的重心位置應(yīng)位于螺旋槳推力線與旋翼軸心垂直線交點(diǎn)的前方。并且在保證飛行汽車重心位于旋翼軸心垂直線前方的前提條件下，重心位置必須遵循重心前后限規(guī)定。

2.2 陸地行駛狀態(tài)下的重心位置研究

根據(jù)對(duì)飛行汽車的動(dòng)力學(xué)模型分析，得出側(cè)翻靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)SSF和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)DSF：

可以看出：重心高度對(duì)側(cè)翻靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)SSF和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)DSF的影響很大，并且根據(jù)圖2.3所示的汽車橫向加速度與重心高度的穩(wěn)定區(qū)域，可以得出橫向加速度隨著重心高度增加而減小。因此，在汽車設(shè)計(jì)中減小汽車高度這一參數(shù)值，是提高汽車側(cè)翻穩(wěn)定性的最有效措施。圖2.4是速度與汽車質(zhì)心到前軸距離參數(shù)平面內(nèi)的穩(wěn)定區(qū)域，汽車重心與前軸距離越小，汽車的抗側(cè)翻能力越強(qiáng)，但是在提高汽車側(cè)翻穩(wěn)定性時(shí)，減小重心與前軸之間距離比降低汽車重心高度更有效，因?yàn)橹匦那耙茣?huì)導(dǎo)致汽車的甩尾。

圖2.3 橫向加速度與重心高度的穩(wěn)定區(qū)域

對(duì)旋翼可以進(jìn)行合理的折疊收縮，例如圖1.1中由西安美聯(lián)航空公司研發(fā)的飛行汽車，對(duì)旋翼和主支架進(jìn)行折疊，飛行汽車由飛行模式轉(zhuǎn)向汽車行駛模式后，只有重心高度的變化，而重心不會(huì)出現(xiàn)前后移動(dòng)。因此，飛行汽車陸地行駛時(shí)，把旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可以折疊的收縮型，不僅不會(huì)對(duì)外界造成不良影響，還會(huì)增加自身陸地行駛的側(cè)翻穩(wěn)定性。

2.3 飛行汽車重心位置約束

因?yàn)轱w行汽車的重心位置要比普通汽車高，所以飛行汽車陸地行駛的抗側(cè)翻能力比普通汽車要弱，飛行汽車更不穩(wěn)定。根據(jù)飛行汽車陸地行駛側(cè)翻穩(wěn)定因子的影響特性，降低飛行的重心高度會(huì)增強(qiáng)飛行汽車的側(cè)翻穩(wěn)定性，但是如果當(dāng)重心位置下降到螺旋槳推力線之下時(shí)，飛行汽車在空中飛行時(shí)的穩(wěn)定性就會(huì)減弱。因此，對(duì)重心位置高度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)就有了約束條件，重心位置在螺旋槳推力線中就是優(yōu)化重心高度對(duì)陸地行駛側(cè)翻穩(wěn)定性影響的約束條件。同樣對(duì)重心與前軸的距離也有約束條件，即：重心位置在旋翼軸心垂直線的前方，并且要遵循重心的前后限。

飛行汽車的重心位置不僅是陸地行駛側(cè)翻穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，也是空中飛行穩(wěn)定性的重要因數(shù)，因此對(duì)飛行汽車的重心位置有著嚴(yán)格的要求。因?yàn)榭罩酗w行的危險(xiǎn)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地行駛的危險(xiǎn)性，研究重心位置對(duì)飛行汽車穩(wěn)定性的影響，就必須要以飛行汽車滿足飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性為前提條件。飛行汽車設(shè)計(jì)過程中，重心位置處于飛行穩(wěn)定狀態(tài)的位置，具有很好的穩(wěn)定性。由于它的重心位置偏高，陸地行駛時(shí)的抗側(cè)翻能力較弱，但也認(rèn)為飛行汽車的設(shè)計(jì)是合理的。

3 結(jié)論

主要研究了重心位置對(duì)飛行汽車的飛行狀態(tài)和行駛狀態(tài)下的穩(wěn)定性綜合分析，因?yàn)橹匦奈恢玫挠绊?，飛行汽車在行駛狀態(tài)下具有較高的抗側(cè)翻能力，但是不一定保證飛行狀態(tài)下的穩(wěn)定性能。因此，必須把飛行時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)作為研究陸地行駛側(cè)翻穩(wěn)定性的前提條件和對(duì)重心位置加以影響的約束條件。重心位置的約束條件是：

（1）重心高度的約束條件：重心位置在螺旋槳推力線中；

（2）重心與前軸距離的約束條件：重心位置在旋翼軸心垂直線的前方，并且要遵循重心的前后限。

[1]王凡.世上第一輛“飛行汽車”首次試飛成功[J].電子商務(wù)，2009，4