陆空两用车
摘要：
现今，在天空自由飞翔的梦想虽然已经实现，但是能够在陆地和天空两种环境中进行模式转换的车辆还无法进入大众生活中。本文设想通过设计一款采用涵道风扇作为飞行动力元件的陆空两用飞行汽车，根据主要性能指标及布置形式，基于空气动力学动量理论对涵道风扇升力进行设计计算。通过与发动机的匹配计算得出陆空两用飞行汽车的飞行性能参数，最终提出一种涵道风扇式飞行汽车的设计方案。
关键字：
陆空汽车; 垂直起降; 涵道风扇; 动量理论
引言：
陆空两用车是一种既能在地面行驶，又能在空中飞行的一种特种车辆，即地－空两栖汽车。自从1903 年怀特兄弟发明飞机以来，设计一辆能够飞行的汽车一直是很多人的梦想。自 1917 年第一辆飞行汽车问世以来，人们开始了对飞行汽车的大量探索，随着人类活动范围进一步扩大、社会进一步发展，人们对自身功能要求的不断提高，一种能面向实用的可满足陆、空两种使用要求的特种车辆平台引起了更多的关注。飞行汽车有多种布置形式，在汽车上加装机翼和尾翼通过翼面产生升力，采用螺旋桨推进，采用
喷气式发动机推进，还有采用涵道风扇推进。
涵道风扇系统作为一种推力或升力装置，自 20世纪 50 年代起开始在垂直起降和短距飞行器中得以应用。涵道风扇能够改变螺旋桨下游的滑流状态，增大滑流面积、减小滑流损失; 涵道壁面改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性，减小了桨尖损失从而具有较大的升力系数，能在同功率下产生较大拉力。利用涵道风扇作为陆空两用车辆的升力来源可提高旋翼升力，减小风扇直径和振动。基于以上特点，该陆空两用车可用于各种条件下的军方侦察，并可供地质勘探、护林及特种作业。
正文
汽车加装安全气囊
1作品核心创意
1.1创意产生过程
随着汽车普遍进入寻常百姓家，同时人口也在不断的增长，城市的交通拥堵变得越来越严重。解决这个问题，一个很好的办法就是让汽车飞起来，改变行驶路线，那就是飞行汽车。飞行汽车还可以用于道路中断(如灾区)、河流阻断等特殊情况。在人类的航空发展史上，有过各种各样的先进设想，陆空两用车就是其中之一。当前欧美已出现的陆空两用车大都是用过加装类似机翼的结构使得汽车可以升空，本文则是打算通过设计一种涵道风扇作为动力元件，且由于其安装在汽车内部，不会增加汽车的空间占用体积。
1.2核心思路描述
飞行方面，考虑车辆及载人的整体重量较大，以及平稳性要求高，故采用具有较大的升力系数，能在同功率下产生较大拉力且风扇直径较小，震动较小的涵道风扇作为飞行时的动力来源，在车辆的前后左右四角设置四个涵道风扇，使其具有垂直起降与平飞能力。采用内部双发发动机提供动力，提高升力的同时保证安全。
陆地行驶方面，依然采用传统汽车轮胎作为支撑并提供抓地力。利用涵道风扇提供前进动力，依靠前后两组风扇不同的倾转方向抵消竖直方向上的升力，以保证抓地力；并通过风扇与传动机构的联动进行转弯和制动，因此理论上陆地行驶时将具有较传统汽车更好的转弯和制动性能。
控制方面采用传统汽车的电传操纵。两种模式的转换通过对发动机转数的控制和差速器的配合，在飞行时采用高转数产生大升力，陆地行驶时则采用低转数产生小动力。
安全方面通过内部安全气囊与外部降落伞配合使用的方式，保证人员在飞行和行驶时的安全。
2 创意可行性分析
2.1 相关技术分析
2.1.1涵道风扇参数的选择
在分析涵道风扇性能时，考虑空气诱导速度沿桨叶半径方向是不均匀的。当不受涵道影响时其分布如下:
式中: 。
由于涵道的存在，使得空气诱导速度产生一增量Δv，且沿桨叶方向呈不均匀分布。实验证明: 如涵道前缘半径等于进口半径的 5.2%，则涵道所产生的推力增量等于单独风扇推力的 40%。由螺旋桨动量理论:
ε
故陆空车推力增至 1. 4 倍，平均诱导速度增至1.8 倍，则:。
在理论上可用 1 个涡环代替涵道，在X/R =0.5处的诱导速度增量平均值求得为 1.965，故沿涵道半径方向的诱导速度增量如式( 3) 所示。
由于桨叶倾角等于安装角与空气流入角之差:
其中: 。
为获得最大推力，应使桨叶尖的有效倾角达到翼面的最大升力倾角，即令安装角为 12°～18°。
利用螺旋桨动量理论可求出涵道风扇的推力，再利用螺旋桨叶素理论来求涵道风扇的扭矩和所需功率。推力为:
扭矩为诱导阻力产生的扭矩M ki和翼型阻力产生的扭矩M kv之和:
陆空车在悬空时:
可以求得:
利用积分可得:
得出:
功率:
由于涵道风扇桨尖损失较小可忽略，此时陆空车升空的总推力为:
所需要的总功率为:
考虑到反旋共轴螺旋桨的效率增加作用，还可以适当减小陆空车功率的需求值。
2.1.2 双发动机时功率分配
为增加飞行安全系数，一般要求飞行车辆为双发动机同时工作。且当其中1 台发生故障时，另外 1 台发动机仍可维持工作，并且使陆空车垂直下降速度不大于 5 m/s。
设单发动机工作时:
可得:
故:
总扭矩M k为 6.2 kg·m; 总功率N z= 4·N1=70.4 kW，此时产生的总升力应为:
由于飞行汽车的总重为 430 kg，所以 1 台 70 kW的发动机能够维持车辆以 5 m/s 的速度垂直下降，可安全着陆。考虑到既要满足正常飞行条件，又要保证人员的安全，应当选择 2 台功率均为 70 kW 的发动机共同工作，此时飞行汽车的总功率达到 140 kW。
2.1.3前飞性能估算
前后 2 个涵道可看作是纵向并列的圆筒，中间车身部分有蒙皮整流。故在计算涵道阻力时简化成 1个圆锥体，其阻力系数可查得C x= 0.62。前飞时涵
道前倾 10°左右，车身纵轴线与气流平行，前后两端被涵道屏蔽。故在计算车
身阻力时，只需考虑表面摩擦阻力，其系数为: C xf= 0.002 9。前飞时涵道内
气流方向仍与旋叶平面垂直，可视为旋叶的总诱导阻力与翼型阻力均等于 0，陆空两用车辆总阻力为涵道阻力、机身阻力和其他阻力之和。考虑车轮、风挡、轴系即涵道与机身的干扰阻力，将阻力系数总和放大 1.2倍，可得总阻力:
当陆空车水平飞行时，拉力为:
由于v2=3 560，所以前飞速度: v = 59.7 m/s =215 km/h。以发动机实际消耗功率为 92 kW 为准，取平均油耗为0.27 kg/( kW·h) ，油箱携带油量40 kg，可求得其续航时间为 1.6 h。
若巡航速度为 170 km/h，其续航里程为:L = 1.6×170 = 272 ( km)
2.2 预计技术难点
采用由两组纵向排列的陀螺式涵道旋叶组成的陆空两用车具备良好的垂直起降和前飞性能，能够满足陆空两用飞行汽车的动力性要求，但其空中稳定性还需进一步分析计算。
采用涵道式升力风扇并选用共轴翻转旋叶方式可达到扭矩平衡，能够消除车身在空中反转向发生，同时提高了升力效率。
采用  2 台发动机共同工作具有安全保证作用。当其中  1 台发生故障时，另1 台可单发安全降落。但在实际设计中需考虑2 台发动机共同工作的功率耦合作用。
3.作品应用前景
3.1应用场景及市场需求
作为一款陆空两用车，能行驶的同时还能飞行，这一特点能够让人人轻而易举的实现飞行梦想，同时能够解决道路拥挤，将道路扩展到空中，可以想象未来一定是主流的家用设备。与此同时，其还可用于各种条件下的军方侦察，并可供地质勘探、护林及特种作业。可见它的需求是很大的。