蒋莱

　　“狐蝠”涵道风扇垂直起降平台

　　南京航空航天大学

　　“狐蝠”的设计目的主要是作为未来的民用及运输直升机，它采用了目前世界上较为先进的超导技术，并且改善了现代直升机在高速飞行以及飞行高度方面的缺陷。该飞行平台作为多用途垂直起降动力平台，可与座舱、货舱及武器平台等模块连接作为垂直起降飞行器使用，或作为独立的无人机使用，进入环境恶劣或不允许人进入的地区进行调查采样等工作。

　　一、组成

　　作为完整的飞行器，“狐蝠”由两大部分组成：

　　1)动力平台

　　该部分由升力系统和推进系统两部分组成。升力系统主要采用电磁驱动，即大电流在强磁场的作用下产生强大的安培力从而驱动升力风扇转动，以此提供升力。升力系统由一至两台大功率超导发电机，超导环行线圈，两台旋向相反的同轴升力风扇，压缩机，冷却回路以及其他超导电路部分组成。当然升力系统也可以根据需要改装成普通的涡轮轴

　　推进系统由一至两台涡轮风扇发动机组成，绝大部分功率用于飞行器的水平推力，另外通过传动系统将发动机部分轴向输出的功率传送给发电机以产生电能。

　　2)载物模块

　　本平台可不搭载座舱独立进行无人机任务，在需要的情况下，可搭载客舱、货舱等模块。为避免强磁场对乘客造成伤害，客舱外壁还安装了磁屏蔽层。

　　二、原理

　　“狐蝠”的垂直起降功能主要由升力风扇完成，而水平飞行时的升力以及姿态控制由传统的机翼实现。

　　动力平台的机体为流线型设计，横截面为椭圆形，涵道风扇置于机体前部，风扇四周的舱壳内布置超导线圈，发动机，燃料箱以及发电机均安装在机体后部。

　　该机独特之处在于其电磁驱动的升力系统，现简述其原理：

　　根据安培定律，磁场对有限长度l的载流导线的作用力F，等于各电流元所受磁场力的矢量叠加，因为任何载流导线都是由连续的无限多个电流元所组成的，所以F=BIL，其中各物理量的单位分别为牛，特斯拉，安培以及米。

　　在“狐蝠”的升力系统中，主要由升力风扇周围的超导线圈产生风扇轴向的高强度磁场。该超导线圈是由高温超导材料制成的环形而非螺线型线圈，这样线圈周围散磁场较小，主要磁场能集中在线圈轴线方向。目前高温超导线圈已经发展到可以产生10特斯拉的强磁场，并且电流衰减率只有0.5%/日，因此采用高温超导线圈将电能转换为磁场能的效率相当高。

　　初步确定超导线圈的中心直径为3m，线圈长度为1m，假设线圈产生4特斯拉的磁场，若取线圈电流为8000A，，根据 ，可得1m长的线圈匝数为n 400匝。选择在4特斯拉的条件下临界电流密度为JC=2600A/mm2(@4.2K)的铌钛线材，超导线中铌钛与铜的比例约为1:1，则8000A时所需要的铌钛面积为3.08mm2，则超导线截面积为6.16 mm2，采用超导线的截面为宽1.3mm、高4.7mm。

　　另外采用A5083铝为材料，在机体的内侧安装支撑圆筒，与超导线组成超导电缆，以抵消超导线圈通电后产生的很大的径向扩张力。

　　超导电缆的截面示意图如图所示。

　　由超导线圈产生强磁场后，需要在风扇叶片中通以强电流，这样通电的叶片在磁场中受到安培力的作用产生转矩从而旋转起来。本机共有两台同轴升力风扇，每台风扇设计有20-30个叶片，每个叶片中安装数条径向高温超导电缆，长度为1.5m。风扇叶片的顶端连接在一个超导圆环上，圆环和风扇轴中的电缆线分别与发电机的两极连接，形成回路。

　　假设风扇中的电缆也通以8000A的电流，根据F=BIL，单条电缆所受到的切向力为F=48kN，所以两台风扇总共传递的功率可以超过2000kW，基本可以赶上目前世界上先进的重型运输直升机的涡轮轴发动机的总输出功率。

　　(由于专业原因以及所掌握的专业知识有限，以上只是粗略的计算结果，只作为参考)

　　三、可行性分析

　　1.本机采用超导材料产生电磁作用，从而将电能转化为电磁能再转化为机械能。由于超导材料非常好的储能特性，以及超导线圈较强的磁场集束能力，因此采用此种方法供率损耗较小，能量传递的效率较高。另外由于不采用涡轮轴发动机，这样减轻了整机的重量以及燃料消耗，用以提高水平推进系统的推进能力。此外超导发电机体积和重量均远远小于普通的大功率发电机，所以完全可以安装在飞行器内，所产生的电能也足够为整个升力系统以及飞行器内的所有电气系统进行供电。

　　但由于目前高温超导线圈仍然处于研究阶段，且要使本机的超导线圈产生足够大的强磁场，线圈仍然需要一个低温环境，因此本机在高温超导线圈还不成熟的条件下需要加装冷却回路以及冷物质储存箱，线圈附近还要安装低温杜瓦壳体，使线圈能够在4.2K的液氦环境下也可以正常工作。

　　2.由于超导线圈所产生的强磁场会对人体以及电磁通讯产生比较大的影响，当动力平台加载客舱时需要安装磁屏蔽设施。所以设计在客舱壁上安装目前较为先进的EFE(即工业纯铁类)的屏蔽材料。此种材料已经在日本的MLX01型超导磁悬浮列车上安装并使用，实践证明此种材料可以将超导线圈产生的巨大磁场降低到10高斯以内，确保了乘客以及舱内精密仪器的安全。

　　由于超导线圈产生的磁场绝大部分集中分布在风扇轴方向，散磁场较小，因此电磁通讯设备可以安装在距离轴线较远的部位，这样所受到的电磁干扰较小。当然本机作为未来飞行器，拟采用量子通讯的方法，在原子与光子之间传递量子信息。由于光量子在传播过程中不受电磁场的作用，所以不会受到强磁场的干扰。虽然此项技术也仍处于研究阶段， 但使用前景十分广阔。

　　以上是我设计的“狐蝠”涵道风扇垂直起降动力平台的简介，我相信随着科技的发展，超导技术以及电磁驱动技术一定会在航空航天领域发挥越来越大的作用，为人类永无止境的飞天梦贡献一份力量。

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