性能优异的轮翼飞机

金色时代

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轮翼飞机

一、垂直起降与航程/航速的矛盾及现有解决方案：

众所周知，直升飞机由于能垂直起降，使用方便灵活，但平飞时由于前行桨叶的激波失速和后行桨叶的气流分离失速，使其平飞时耗油量大，航程较短，飞行速度慢，实用升限小；固定翼飞机平飞时耗油量小，航程较长，飞行速度快，实用升限大，但需昂贵的机场才能起降，使用不方便灵活。垂直起降与航程/航速的矛盾似乎难以调和，制造出一种既能象直升机那样能方便垂直起降又能象固定翼飞机那样能高效平飞的飞机是航空界的梦想。

为此人们制造出了直升机和固定翼飞机的结合体――倾转旋翼飞机，即美国的Ｖ－22鱼鹰倾转旋翼飞机。Ｖ－22鱼鹰倾转旋翼飞机不仅能垂直起降，而且航程是直升机的6倍，但由于倾转旋翼飞机在倾转旋翼时飞机重心会发生改变，使得Ｖ－22成为事故率最高的飞机（超过了直升机和固定翼飞机），其服役时间虽短但却被多次停飞，高事故率现状使倾转翼飞机难以大规模应用和普及，这也是除美国外其它国家未研制倾转旋翼飞机的原因。

高速直升机如美国的X2、欧洲的X3和俄罗斯的卡92仍是直升机的改进版，由于巨大的旋翼阻力存在，无法在提高航程和航速上取得实质性的突破。

上述解决方案都未逃脱旋翼的概念。

矢量推升的鹞式、雅克、F-35在垂直起降时耗油巨大，严重牺牲了飞机的滞空时间，经济和效能上十分不划算，目前只部分用在有特殊要求的军机上。

看来，要想真正解决垂直起降与航程/航速的矛盾必须从全新的概念出手才容易取得突破。

二、对蜂鸟悬停的研究：

蜂鸟能在空中自由起降、悬停、飞行。如果我们仔细观察鸟类用翅膀产生升空或悬停的升力过程就会发现：鸟翅膀上下煽动时，通过向上煽动时（上行程）收折翅膀、向下煽动时（下行程）展开翅膀，来实现（达到）上下煽动时的迎风面积不同,使向上煽动的风阻力小于向下煽动的风阻力，从而形成上下煽动的风阻力差异，风阻差异形成的差力就是鸟抵抗重力的升力。

蜂鸟翅膀以很高频率上下煽动（７５次／分钟），难以在煽动过程中收折翅膀，但翅膀上凸下凹的形状使翅膀向上煽动时凸面迎风阻力小、而在向下煽动时凹面迎风阻力大（如图1），在上下煽动时也会产生较小的风阻差异，当蜂鸟翅膀上下煽动频率达到一个较高数值时，每一次上下煽动产生的较小风阻差异，就会合成较大的风阻差异，这个风阻差异形成的差力就是蜂鸟升起和悬停在空中的升力。

同理，人类潜水时使用的脚蹼也是利用后蹬和收腿这个往返行程的水阻差异形成的差力来产生向前推进力的。

这就是说，利用往返行程的流体阻力差异形成的差力来产生力是可行的。

如果人类要造出象蜂鸟那样能垂直起降且姿态控制能力极高的飞行器，就要用机器来实现上述风阻差异，即必须使上行程风阻小于下行程风阻，通过上下行程风阻差力来产生垂直起降和悬停的升力。

三、轮翼的原理：

如图2，一个轮翼实际上是由多个小机翼(子翼)组合而成的复合体，外形有点像收割机的拨禾轮，因工作时小机翼能像轮子一样转动，所以叫轮翼。它主要由子翼、子轴、辐条、主轴四个部件组成，以及配套的驱动控制系统。主轴与子翼／子轴平行，辐条与主轴／子轴垂直。主轴可带动整个轮翼转动（公转），子翼可绕子轴自转，即子翼既可自转又可公转，用子翼自转来控制公转中的子翼攻角/倾角从而产生径向力——这正是轮翼最巧妙之处。

通常轮翼象普通机翼那样在机身两侧各安装一个，轮翼的主轴连接机身，轮翼的主轴与飞机机身的中轴线垂直。

轮翼是用二个或二个以上的小机翼(子翼)均匀分布在公转周园上，每个子翼的子轴（P1P2和P1’P2’）通过辐条（P1P1’和P2P2’）与轮翼的主轴（O1O3）相连, 子翼不仅可绕自身的轴（子轴）自转，而且也可绕轮翼的主轴（中心轴）公转。通过子翼绕自身的子轴自转来控制公转中的子翼攻角/倾角，就可实现上行程风阻小于下行程风阻，从而产生垂直起降和悬停的升力及前进的推力；当飞机需要平飞时将子翼的弦线锁定至水平状态，此时利用飞机上的发动机推进，就变成了固定翼飞机。由此可见轮翼飞机既具有类似直升机的垂直起降性能，又具有固定翼飞机的优良平飞性能，不仅较好地解决了垂直起降与平飞航程/航速的矛盾，而且在垂直起降与平飞状态转换时不会改变飞机重心，同时还具有极高的机动性能（可轻易完成比超级眼镜蛇动作更难的动作）。

注：下面说明轮翼的工作过程都是从图2的绿箭头方向观察轮翼的。

四、简单轮翼：

为了说明问题，先说简单轮翼：如图3是简单轮翼侧面视图，主轴带动轮翼反时针旋转（公转），其转动角速度恒定是ω，同时子翼也以相同的角速度ω绕自身的子轴顺时针自转。由于每个子翼绕主轴公转的角速度等于绕子轴自转的角速度，即子翼从时钟０点位置经９点公转至６点位置过程中子翼既公转了180o又自转180 o，因此子翼就会在公转园周上所有位置形成凸面朝上凹面朝下的状态，这样子翼在公转左半周以凹面朝下运动风阻大（类似蜂鸟翅膀向下煽动时凹面迎风阻力大）、而在公转右半周以凸面朝上运动风阻小（类似蜂鸟翅膀向上煽动时凸面迎风阻力小），即一个子翼转动一周会产生一个向上的风阻差力，这个力虽然较小，但轮翼高速转动时这个差力就会变大。这就象直升机的旋翼低速转动时升力很小，但高速转动时升力就会变很大一样。

通过分析简单轮翼的工作原理，我们很明晰地看到轮翼确实能产生升力（其实可在任何径向产生推力），不要小看这点，它意味着人类已突破旋翼的概念框架，轮翼这种新概念工作原理有可能引发一场航空变革。

五、轮翼直升机：

简单轮翼和旋翼一样能通过不停的转动来产生升力，用简单轮翼可制造出一种新式“轮翼直升机”：在机身两侧纵向安置两个（或多个）简单轮翼，它的主轴和子翼与飞机机身的中轴线平行（如图11），当机身两侧两个简单轮翼互为反方向转动时就会如图3那样产生升力，并由推进器（如螺旋桨）推动前进；通过对两侧两个轮翼的转速及子翼倾角的调节可获得超凡机动性。

由于新式“轮翼直升机”的旋转面紧凑，展开面积小，无前行桨叶的激波失速和后行桨叶的气流分离失速，所以飞行阻力比普通直升机小、速度和航程更大、站地面积更小（非常适用于舰船上）、机动能力更强，飞行性能远优于普通直升机。

六、比较复杂的轮翼：具有直升能力的固定翼飞机

简单轮翼制作的“轮翼直升机”和旋翼一样只能通过不停的转动来产生升力，尽管飞行性能远优于普通直升机。它仍不是我们的追求目标，下面我们来了解一个比较复杂轮翼。

这种比较复杂轮翼是在飞机两侧对称安置轮翼，轮翼的主轴和子翼与飞机机身的中轴线垂直（如图2），它的子翼采用的是下翼面凹进的机翼——勺状机翼，很多年前人们就认识到产生最大升力的最有效率的机翼是一种有凹陷的下表面的勺状机翼，早期的固定翼飞机飞行速度较慢，为获得更大升力许多飞机就是采用这种勺状机翼。子翼采用勺状机翼后，当子翼的自转角速度与公转角速度相等时子翼在公转周上就会形成图4的姿态，由于凹形迎风面的风阻力大，凸形迎风面的风阻力小，凹凸形迎风面的风阻力有差别，子翼从12点→9点→6点段（下行程）的风阻大于6点→3点→0点段（上行程）的风阻，轮翼获得风阻差的合力向上，提高公转速度可使风阻差的合力增大，这个力就是可使飞机垂直起降和悬停在空中的升力。当飞机升到一定高度后，开动推进发动机使飞机平飞，平飞速度足够大时子翼按序停止公转和自转，将子翼的弦线锁定至水平状态（如图5），即成固定翼飞机平飞，这时轮翼飞机如同一架双翼飞机，飞行时阻力与固定双翼飞机相近，其速度和航程比直升机大许多，且具有垂直起降能力。

从平飞转入垂直降落的过程则是其逆过程。

七、实用的轮翼结构和工作方式：

实用的轮翼如图2，包括：主轴O1O3、辐条P1P1’和P2P2’、子轴P1P2和P1’P2’、子翼和驱动控制系统。主轴连接机身和轮翼，并可由带动整个轮翼绕主轴旋转（即公转）；辐条(板)连接主轴和子轴；子翼可绕子轴旋转（即自转），轮翼的这种结构使子翼既可自转又可公转。

轮翼的工作方式按子翼运转方式可分为：

（１）单向转动方式――每一次公转子翼的排向是固定的，如图6；

（２）双向转动方式――奇次公转与偶次公转子翼的排向是相反的，如图7，黑色实线是奇次公转的子翼，红色虚线偶次公转的子翼。

双向转动方式论述篇幅较长，这里重点分析单向转动工作方式，为了便于描述，假设公转逆时针，将公转一周按时针表盘分别设定几个位置：0∶00(0点)、1∶30(1点半)、3∶00(3点)、4∶30(4点半)、6∶00(6点)、7∶30(7点半)、9∶00(9点)、10∶30(10点半)，共八个位置（如图6）。下面分别说明轮翼飞机从垂直起飞到平飞的工作过程。

1、垂直起飞/降落过程：

图6是轮翼侧面视图，主轴带动轮翼反时针旋转（公转），其转动角速度恒定是ω：

（1）在0∶00→9∶00→6∶00段，子翼弦线水平地从0∶00位置开始以角速度ω绕自身的子轴顺时针自转，由于子翼以相同的角速度ω既自转又公转，使子翼弦线始终保持水平，从而使子翼在0∶00→9∶00→6∶00段公转中因迎风面积大造成风阻力较大，根据作用力和反作用力原理，子翼会受到一个较大的反作用力F1，且其方向垂直向上。

（2）、在6∶00→4∶30段子翼以4ω的角速度逆（或顺）时针自转，在4∶30位置子翼弦线与公转圆周切线平行。

（3）、在4∶30→3∶00→0∶00段子翼不自转只公转，子翼弦线始终与公转圆周切线保持平行，使子翼在这段公转中因迎风面积小造成风阻力较小，根据作用力和反作用力原理，子翼会受到一个较小的反作用力F2，且其方向垂直向下。

由于子翼在0∶00→9∶00→6∶00段产生的风阻反作用力F1大于在4∶30→3∶00→0∶00段产生的风阻反作用力F2，两力的差F1－F2就是轮翼获得的升力。

（4）形象地说：子翼在0∶00→9∶00→6∶00段如同蜂鸟翅膀向下煽动（产生较大的风阻），而子翼在6∶00→3∶00→0∶00段如同蜂鸟翅膀向上煽动（产生较小的风阻）——这就是轮翼能象鸟类翅膀那样获得的升力的原因。

图7则是双向转动方式垂直起飞/降落过程示意图，子翼在6∶00→3∶00→0∶00段不自转只公转，子翼弦线始终与公转圆周切线保持平行，使子翼在这半周段公转中因迎风面积小造成风阻力小于另半周，从而产生差力使轮翼获得升力。

2、垂直起飞过渡成平飞过程：

当飞机升到空中后，让子翼在9∶00→6∶00段停止自转，使子翼弦线始终与公转圆周切线保持垂直，其余各公转段仍按上述垂直起飞过程方式运行，这时就会形成如图8的运行方式，此时子翼在0∶00→9∶00→6∶00段的风阻大于子翼在6∶00→3∶00→0∶00段产生的风阻，子翼仍产生升力，同时在9∶00→6∶00段子翼以最大面积向后滑动又会产生向前的推力，这样轮翼获得升力的同时又获得了向前的推力，配合启动推进发动机就可完成从垂直起飞过渡成平飞过程，还可用于短距滑跑起降。当然也可以完成悬停倒飞等悬停平移动作（这在舰船上降落时很重要）。

3、平飞过程：

在前面“四、简单轮翼”一节说了，当子翼以和公转相同的角速度ω绕自身的子轴自转时，子翼的弦线始终保持水平（即与飞机机身的中轴线平行）。当轮翼飞机平飞速度达到较大时，让子翼的自转角速度与轮翼公转角速度相同（都是ω），使子翼的弦线始终保持水平，并逐步降低ω，最后停止自转和公转，将子翼的弦线锁定至水平状态（图5）平飞，即成固翼飞机。而从平飞状态转入垂直起降则是其逆过程。

通过在公转周上不同位置调整子翼的方向（子翼公转的攻角）来控制子翼公转风阻的大小，可以使一个公转周中的“半周风阻”大于另一“半周风阻”，这个风阻差所产生的力就是“轮翼力”， “轮翼力”可在轮翼公转周半径的任意方向产生推力，它不仅可用于产生垂直起降的升力，而且可使飞机具备超级机动性能，如０半径转弯、０半径翻筋斗、倒挂悬停／倒飞、翻身悬停／倒飞等等，用轮翼飞机做眼镜蛇或超级眼镜蛇飞行动作易如反掌。可以说轮翼飞机的超级机动性能超过了任何人造飞行器及自然界的鸟和昆虫。

当飞机打开推进发动机平飞时，将子翼的弦线锁定至水平状态即成固定翼飞机。此时可根据需要将子轴固定在０－６点钟位置、３－９点钟位置或其它位置。若将两个子翼固定在10－4点钟位置时，前面子翼还能对后面的子翼产生诱导升力（和鸭式前翼类似）。由于子翼的攻角可人为调节，平飞时通过调节子翼的攻角可获得一些额外性能，如大升力、抗失速、急升急降、急刹车等等。所以说轮翼飞机解决了垂直起降和高效平飞的矛盾，同时还有超高机动性能。

通过在子翼内腔内装入精密控制电机或电动机构来控制子翼的自转，此时子轴是电机定子、子翼是电机转子。也可通过偏心随转机构或滑盘来控制子翼的自转。主轴公转由机上发动机动力或电机驱动。

八、轮翼飞机整体布局和变形：

轮翼工作时会产生力矩，为抗衡这个力矩，可设涵道式尾浆，水平放置在机尾或双尾垂翼之间，涵道由栅片开闭（如图9）。还可让左右轮翼公转互相反转来抗衡力矩；或将单侧轮翼共轴反转来抗衡力矩（如图10）。

为了减少平飞时的阻力，可对主轴外包翼形整流外壳。对辐条和子轴的强度进行提高后，可取消与子轴平行部分的主轴（即图2中O2至O3部分的主轴），成为“无轴轮翼”，这样可减少平飞时的阻力。此外辐条可以作成能伸缩式的，这样在垂直起降公转时适当伸长，而在平飞时缩短。

九、性能描述：

（１）垂直／短距起降+大航程。

（２）超凡机动性，如可完成倒立悬停、翻身倒飞、零半径机动等。

（３）实用升限和航程都较大，在军民领域：如空运／舰艇／航母／西藏／南海／无人机/特种作战等领域有广泛用途。

    比如我国的航母采用滑跃起飞方式，不能起飞较重的预警机、加油机和电子战飞机，而这些飞机却是航母最重要的力量倍增器，向美国采购弹射器难度极高，在这种情况下采用轮翼飞机制作预警机、加油机和电子战飞机是不错的选择。
    在南沙群岛有丰富的石油资源，但距我国本土距离较运，普通直升机航程不够，固定翼飞机航程够又无法起降，这是我国开发南沙群岛石油资源滞后的原因。轮翼飞机航程大又能垂直起降，可用于南沙群岛石油资源的开发。

十、无人机采用轮翼有很多明显好处，例如普通无人机采用的滑降、伞降和网降等降落方式很难在舰艇上完成，这也是无人机在舰艇上应用不广泛的原因，而轮翼飞机所具有的垂直起降性能可很好解决这些问题，从而可达到力量倍增的效果。

（李剑）

金色时代

世界航空史上，固定翼飞机90%的飞行事故发生在起飞、降落阶段，但直升飞机发生在起飞、降落阶段的飞行事故反而下降，说明垂直起降不仅更方便，还可有效减少飞行事故。轮翼飞机既能垂直起降又能象固定翼飞机那样高效平飞，用作民航客运和货运有很多优点。

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