飛行汽車重心位置研究

中北大學機械與動力工程學院 楊林 蘇鐵熊

1 緒論

飛行汽車是當今世界各科研機構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。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，不僅會影響正常的交通秩序，而且車翼也會受到道路旁障礙物的限制，這就很難得到實用。經過幾十年的研發設計，飛行汽車的機翼設計為折疊式，在尾部有一個螺旋槳，由一臺Rotax912引擎負責驅動。飛行汽車陸地行駛時，它將會收起機翼，這樣就能夠輕松地將飛行汽車停進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，它能在數秒內打開機翼，變身成一架超輕型飛行器，著陸時也能夠在數秒內收起機翼，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 重心位置對飛行汽車的影響

飛行汽車既有飛行狀態又有行駛狀態，當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變為陸地行駛狀態。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才變身為一架飛行器。因此，飛行汽車無論在陸地行駛時還是空中飛行時，都必須具有良好的穩定性，避免發生危險。

2.1 空中飛行狀態的重心位置研究

飛行汽車在空中飛行時，具有自轉旋翼飛行機的飛行特點。而重心的相對位置是影響旋翼機縱向靜態平衡的重要因素，并且整機的穩定性和操縱性都與重心范圍有著非常重要的關系。縱向靜穩定性可以理解為，旋翼機等速直線行駛過程中，由于機身受到空氣擾動發生向上的傾斜，旋翼機的升力會增加，而升力增加會導致機頭上仰程度增加，如果重心相對升力增量的焦點位置在前，則旋翼機會自動恢復到平衡狀態，這就是靜平衡。因此，當旋翼機受到微小的擾動時會導致縱向平衡狀態的破壞，但是在這個擾動消失的瞬間，旋翼機又能夠不經駕駛員的操縱就能夠自動恢復到原先平衡狀態，表明旋翼機具有縱向靜穩定性[3]。

飛行汽車在空中飛行時，可以把其看成是一架普通旋翼機，重心的位置對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的前方。飛行汽車正常巡航處于平衡狀態，重心應當在旋翼軸心的垂直線上。在上一節分析中，由于飛行汽車飛行速度不高，其焦點位置不會發生變化，然而飛行汽車的重心位置卻因燃料的消耗等外界擾動影響而發生移動。如果重心位置后移到飛行汽車焦點之后時，就會造成飛行汽車的縱向不穩定，甚至有可能造成更嚴重的后果。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后，重心后移保持在焦點之前，飛行汽車才是穩定的，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，螺旋槳運轉后會對整車提供向前的推動力，當螺旋槳推力線低過重心點時，螺旋槳推力增加會導致飛行汽車的車頭上仰，會造成旋翼的迎角低于最小迎風角，從而導致旋翼的旋轉速度降低，飛行汽車的升力降低或失去，飛行高度迅速降低，嚴重影響飛行的安全性和穩定性。當螺旋槳推力線高過重心點時，螺旋槳推力增加會導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，如圖2.2所示，才能夠保證飛行汽車車頭不會有俯仰動作發生，使飛行汽車具有良好的穩定性、操縱性和燃油經濟性。

綜上所述，飛行汽車重心位置的合理確定，不僅會影響飛行汽車的平衡和穩定，還會危及飛行員和飛行汽車的安全。重心位置不應過分靠前，雖然縱向穩定性增強，但是車頭容易產生下俯的力矩，下俯力矩增大，飛行員對操縱拉桿的操縱力矩增大，操縱性變差，飛行汽車的機動性就會降低。而且如果重心過分靠前，著陸減速能力減弱，甚至發生危險情況，這就決定了飛行汽車的重心前限。當然重心位置不應靠后，雖然飛行汽車的機動性增加，但是容易產生上仰力矩，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定性和操縱性，飛行汽車的重心位置應位于螺旋槳推力線與旋翼軸心垂直線交點的前方。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定。

2.2 陸地行駛狀態下的重心位置研究

根據對飛行汽車的動力學模型分析，得出側翻靜態穩定系數SSF和動態穩定系數DSF：

可以看出：重心高度對側翻靜態穩定系數SSF和動態穩定系數DSF的影響很大，并且根據圖2.3所示的汽車橫向加速度與重心高度的穩定區域，可以得出橫向加速度隨著重心高度增加而減小。因此，在汽車設計中減小汽車高度這一參數值，是提高汽車側翻穩定性的最有效措施。圖2.4是速度與汽車質心到前軸距離參數平面內的穩定區域，汽車重心與前軸距離越小，汽車的抗側翻能力越強，但是在提高汽車側翻穩定性時，減小重心與前軸之間距離比降低汽車重心高度更有效，因為重心前移會導致汽車的甩尾。

圖2.3 橫向加速度與重心高度的穩定區域

對旋翼可以進行合理的折疊收縮，例如圖1.1中由西安美聯航空公司研發的飛行汽車，對旋翼和主支架進行折疊，飛行汽車由飛行模式轉向汽車行駛模式后，只有重心高度的變化，而重心不會出現前后移動。因此，飛行汽車陸地行駛時，把旋翼系統設計成可以折疊的收縮型，不僅不會對外界造成不良影響，還會增加自身陸地行駛的側翻穩定性。

2.3 飛行汽車重心位置約束

因為飛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翻能力比普通汽車要弱，飛行汽車更不穩定。根據飛行汽車陸地行駛側翻穩定因子的影響特性，降低飛行的重心高度會增強飛行汽車的側翻穩定性，但是如果當重心位置下降到螺旋槳推力線之下時，飛行汽車在空中飛行時的穩定性就會減弱。因此，對重心位置高度進行優化時就有了約束條件，重心位置在螺旋槳推力線中就是優化重心高度對陸地行駛側翻穩定性影響的約束條件。同樣對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翻穩定性的一個重要參數，也是空中飛行穩定性的重要因數，因此對飛行汽車的重心位置有著嚴格的要求。因為空中飛行的危險性要遠遠高于陸地行駛的危險性，研究重心位置對飛行汽車穩定性的影響，就必須要以飛行汽車滿足飛行狀態的穩定性為前提條件。飛行汽車設計過程中，重心位置處于飛行穩定狀態的位置，具有很好的穩定性。由于它的重心位置偏高，陸地行駛時的抗側翻能力較弱，但也認為飛行汽車的設計是合理的。

3 結論

主要研究了重心位置對飛行汽車的飛行狀態和行駛狀態下的穩定性綜合分析，因為重心位置的影響，飛行汽車在行駛狀態下具有較高的抗側翻能力，但是不一定保證飛行狀態下的穩定性能。因此，必須把飛行時的穩定狀態作為研究陸地行駛側翻穩定性的前提條件和對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，2009，4