“大學通”關于科研成果申報的模塊研究

陳冠旭 王飛 楊銀 王金濤 雷雯 張中正

摘要：本文隸屬于創新創業項目大學通項目中專利申報部分實際執行部分，基于大學通指導理念，完成對于大學本科生及研究生階段對于專利申報的探索，將大學本科生在申報專利方面的理論進行實踐，完成對于創新創業項目在在整個項目中在專利撰寫及申報方面的理論實踐，總結出相應經驗并完成對于整個項目理念的完善。以下內容均為實用新型專利申請部分受專利法保護。傳統的飛機在抗墜撞設計已經有了一定的發展，但是大多數抗墜撞設計還是處于加強機體結構的層面，當剛度達到一定的上限以后，就會失去對人體的保護作用，通過設計一種新型波形彈簧以提高飛機的抗墜撞性能及緩沖性能。

關鍵詞：小型通用飛機;波形彈簧;抗墜撞;緩沖

一、項目背景及國內外研究現狀

在飛機的使用越來越廣泛的現實環境下，如何使飛行器的安全性顯著提高是各領域科研人員共同面對的問題。事實上有很大一部分航空事故可以通過合理的技術手段來大大減少傷亡。飛機的墜撞安全設計正是為了減少飛機墜毀后的人員傷亡而發展的。

從60年代開始美國軍方進行了一系列范圍廣泛的長期研究，發現飛機在設計中如果考慮了墜撞安全性，飛機墜毀后乘員的生存概率相較于設計中不考慮抗墜撞能力的飛機將大大提高。其中對1967年至1972兩年間的美國陸軍旋翼機事故的調查顯示，如果在旋翼機的設計中考慮了墜撞安全性，有接近92.8%的事故是可以有部分乘員可以幸存乃至減少將事故的損害降到最低。

如圖1所示為飛機速度和生存范圍的關系圖：

目前國內對固定翼飛機的墜撞安全性研究還不多，比較出色的是南昌洪都航空工業集團有限公司在農林-5A型飛機的適航取證過程中進行了有關于全機的瞬態動力學有限元仿真分析和相關機型實機墜撞實驗，通過實驗取得了寶貴的數據和墜撞實踐經驗，主要通過經驗手段進行預估，在研究時仿真方面只做了相應部件的系數評估，但是還是缺乏全機的整體處理與數據.

本文通過復合材料設計一種波形彈簧，應用于小型通用飛機的抗墜撞設計和緩沖設計，以提高某型飛機的安全性和舒適性。

傳統的小型通用飛機在抗墜撞設計已經有了一定的發展，當剛度達到一定的上限以后，就會失去對人體的保護作用，甚至碎片會造成嚴重的二次傷害，并且由于加強剛度帶來的機體質量的迅速上升對飛機的航程的影響是巨大的，所以設計一種在各種情況下都能保護人體的結構是迫不及待的。

二、項目研究內容

該項目結合通用飛機的研究現狀，提出波形彈簧抗墜撞設計，將波形彈簧應用于小型通用飛機，使小型通用飛機的抗墜撞性能和緩沖性能得到提高。

三、項目研究結果

在通用航空領域，飛機的飛行速度和飛行高度并不算太高，結合飛機的特殊工作環境，為了提高飛機的抗墜撞性能和緩沖性能[10] ，設計用波形彈簧解決這兩個問題，單個波形彈簧的設計視圖如圖2所示，正視圖如圖2所示：

波形彈簧采用正弦函數波形，上波和下波采用對稱設計，使結構更加穩定，此波形彈簧使用復材GEM102X1作為實驗材料，可二次成型、室溫下可長期保存與回收利用，為單向碳纖維板材。單塊波采用模壓成型，波形彈簧整體采用膠接方式成型，纖維方向為彈簧長度方向，使波形彈簧具有要求的承載能力。

抗墜撞及緩沖一體式設計為了保證其正常工作，在工作時兩個波之間不會相對錯動太嚴重導致工作失效，在部分點位置采用固定連接。中間空芯層的主要作用為當受力時兩個波可以相對滑動以變形，達到緩沖作用。使整個泡沫填充層強度較大，但是在受到撞擊時可以充分變形破裂吸收能量，達到保護人體的作用。同時，中間空芯層也可以在受到撞擊或者飛機墜落時起到一定輔助作用。

墜撞是極端情況，在正常起降時如何避免讓波形板起作用。考慮到適墜性是對人傷害盡量減輕，保證在發生安全問題的時候，脆弱的脊柱受到的分力小于背部其它部位，最大限度保護人體。緩沖結構直接和飛機加強框相連接，保證力傳遞到主加強框，進一步提高安全性能。

四、項目創新點和解決的實際問題

1）、波形彈簧的上下波采用正弦函數做出，正弦函數的波形彈簧受力更加均勻;并且連接點的接觸為活動連接，更利于受力，受力更穩定;

2）、單個波采用一次模壓成型，解決了制作過程中纖維絲斷裂的問題;

3）、波形彈簧運用于飛機的抗墜撞設計屬于首次應用，在遇到沖擊時，橫向縱向都可以變形實現緩沖和抗墜撞，提高飛機安全性的同時也實現了飛機起飛降落時的減震，提高了舒適度;

4）、波形彈簧采用新型復合材料制作，減輕了飛機質量負荷;

5）、單波單點固定連接多模塊波形彈簧配合設計解決了兩個波片之間的相對滑動錯位問題。

五、項目市場性分析

該項目源于飛機安全性和舒適性的綜合考慮，在通用航空領域有一定的適航實用性，在低成本的前提下，達到一定的安全性能是通用飛機研究的一個重要領域，利用結構的優良特征，大幅度提高材料單位質量的利用率，使飛機制造成本降低、整體質量不至于大幅度上升。近年來，通用航空的發展如火如荼地進行著，更有新能源通用飛機地產生。但是隨之而來的是安全性能和舒適性能越開越需要發展，因此對飛機的設計要求提出更大的考驗。本項目以解決問題為導向，面向市場需求，設計出提高飛機安全性能和舒適性能的結構設計，市場前景廣闊。并且在一定情況下，此設計可以向高鐵、汽車、頭盔等方向應用，市場前景更加廣闊。

六、項目總結

該項目提出了一種波形彈簧小型通用飛機抗墜撞設計的方案，通過多層結構設計兼顧抗墜撞和緩沖兩方面性能，達到了抗墜撞及緩沖一體式設計的目的，使小型通用飛機的舒適性和安全性得到一定的提升。本文的發表基于已經申報完畢的實用新型專利，此實用新型專利即為“大學通”創新創業項目四大模塊中針對于學生科研成果的實踐，為大學通項目在學生發明專利、外觀專利設計及實用新型專利方面積累了寶貴的經驗。

作者簡介：

陳冠旭、王金濤，男，漢族，沈陽航空航天大學2017級航空宇航專業本科生

王飛，男，漢族，創新創業項目指導教師

雷雯、楊銀、張中正，沈陽航空航天大學2015級本科生

基金項目：

本文用于沈陽航空航天大學省級創新創業項目：201810143181大學通

（作者單位：沈陽航空航天大學）