XXXX浙江万里大学科协项目简介

宁波大学2010-2011年度挑战杯初赛项目——“可控性喷气式登山，潜水助推器”项目介绍组名：自由之翼组长：干超组员：罗鹏程查镇浩董黄正陈春霞吴涵涵王佩玲秦庚所属院系：机电学院成品假象效果图：正视图侧视图背视图一．该产品的诞生符合时代需求（1）人类对亲临自然环境的探索的设备需求在这个科技高速发展的时代，人类企图更进一步的了解大自然，然而，就山地探险这一项而言，人类任然处于设备上较为落后的阶段，大多还是采取徒步和攀爬等手段。这样的危险性是极大的，此类事件造成的悲剧多不胜数。很多中国西部的多山地区有着丰富的矿藏，大量的古生物化石，天然原始的科考，探险环境。然而崎岖的山路，险峻的地形却限制了大型交通工具的进出，科考团队，挖掘团队，探险团队的人员只能徒步进行相关搜集，考察，等工作，工作过程中就有着诸多不便甚至不安全因素。另一方面，人类的发展趋势和求知欲使得人类对海洋的探索力度必将加大，而在此过程中难免需要潜水员亲临险境，人类在水中的移动由于受到极大的阻力而变得缓如龟速，因此，解决人类在水中的机动性问题也是一个有必要的课题！（2）全名健身推广导向新型户外运动诞生生命在于运动，是永恒真理。如今的青少年户外运动形式多种多样，部分勇于探索，勇于超越的青年更是开拓了“极限运动”这一全新版块。而人类的运动项目也是需要不断创新和发展的，例如，赛车，自行车，滑雪，等运动都是后来演变出来的，无论是水中的还是陆地上的户外运动，都还有很大的创新空间。21世纪，人们解决温饱问题之后，随着全民健身的推广因为需求新鲜刺激，健康与阳光的运动是人类的本能。“太空登山”必然会成为喜爱新奇创意的青年户外运动爱好者的最爱！（3）低科技，高创意领导革命性突破有了该装置8848.2米的世界第一峰珠穆朗玛高度再也不是什么遥不可及的高度了。“人皆可登”！二.该产品合法性考虑本产品是一款类似于助推器的一件发明，通过向竖直方向喷气获得一个反向的作用力，用于抵消部分重力。本产品的优点在于：1、西部很多含有富矿的山区地形险峻，崎岖陡峭，即使有大型开采机械的帮助，仍然需要大量人力，而矿工在工作过程中在崎岖地形下进行搬运等工作的机动性是非常低下的，也是危险的。有了“风暴使者”，对中国采矿事业是一大进步。2、风暴使者有很多不同的款式，有一款非常酷的是适合青少年户外运动爱好者进行刺激安全的极限运动。是一种值得推广的体育项目。3、中科院很多科考团队，在云南，贵州一些实在太过偏僻的山区是几乎无法进行科研的，因为地形太险峻，车开不上去，你又不可能把山炸了，当地人等很少去的有一些原始山林地区，说不定里面有有趣的事物，但是，我们需要高机动性的小型器械帮助。通过以上的介绍可以看出本产品在对一些特殊工作作业人员有很大的帮助，对部分青年热衷的极限运动提供一个新的运动，但是也需要提出的是，本产品存在一定得危险性，并不是所有人都适合的，比如老人、孕妇、小孩等一些限制性行为能力人和精神病患者。当然被一些不法份子利用实施犯罪时绝对不允许的，应当对本产品采取有效的保护。该产品与《民航法》、《宪法》、《民法》、《自然资源与环境保护法》均无冲突。三．产品说明（1）产品大体形态草图展示目前形态上任然处于构思阶段，这是第一种构思。喷口位于使用者肩部，由于喷出气体具有高温高热特性，这样可以避免山体本身受到损害。构思2喷口集中位于臀部构思3喷口共四个，臀部两个，肩部两个（2）产品使用方法及功能简介人类登山之所以危险，困难，根本原因是受到重力影响，从最简单的物理模型来看，登山的实质是克服重力做功。而此装置的基本功能就是朝竖直方向喷射出一定动量的气体，以抵消掉使用者部分或全部重力，创造出一种类似于太空中行走攀爬的环境。在失重或完全失重环境下，2-3米的高度不过是轻松一跃罢了。即使在悬崖峭壁上攀爬也是轻松自如壁虎一般。而且十分安全，因为喷出气体的动量是可手动调节的。包括动力调节和方向调节，这样就可以实现，安全，轻松的登山了。如果在水中就更简单了，穿上潜水服，在套上该装置。离开就可以感受海豚一般的水中自由灵活度了。该装置的重量控制在30KG以内。因此，其方便，易携带，可推广。虽然目前该装置喷出气体任然具有高热特性，但是此装备配有隔热服，和头部防护罩，人体是绝对安全的。（3）产品内部结构原理及技术指标（研发阶段）1.发动机的选择此项产品基于喷气式飞机涡轮发动机技术，仅需一个微型类涡轮发动机能承载人体即可。其发动机原理如下。目前本小组提供参考中的几种发动机：参考一，涡轮喷气发动机这类发动机具有加速快、设计简便等优点，是较早实用化的喷气发动机类型。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低油耗的矛盾。参考选择二，涡轮风扇喷气发动机涡扇发动机效率高，油耗低，但涡扇发动机技术复杂，尤其是如何将风扇吸入的气流正确的分配给外涵道和内涵道，是极大的技术难题。因此只有少数国家能研制出涡轮风扇发动机，中国至今未有批量实用化的国产涡扇发动机。参考选择三，火箭冲压喷气发动机冲压发动机的优势在于构造简单、重量轻、体积小、推重比大、成本低。简单的说就是一个带燃油喷嘴和和点火装置的筒子。因此常用于无人机、靶机、导弹等低成本或一次性的飞行器。同时由于推重比远大于其他类型的喷气发动机非常适用于此装置。2.外部材料选择：漂珠——低密度，高强度，低导热漂珠的优异性能和用途：(1)高耐火度:漂珠的主要化学成分为硅、铝的氧化物，其中二氧化硅约为50－65％，三氧化二铝约为25－35％。因为二氧化硅的溶点高达摄氏1725度，三氧化二铝的溶点为摄氏2050度，均为高耐火物质。因此，漂珠具有极高的耐火度，一般达摄氏1600－1700度，使其成为优异的高性能耐火材料。(2)质轻、保温隔热:漂珠壁薄中空，空腔内为半真空，只有极微量的气体（N2、H2及CO2等），热传导极慢极微。所以漂珠不但质轻（容重250－450公斤/m3），而且保温隔热优异（导热系数常温0.05－0.1），这为其在轻质保温隔热材料领域大显身手奠定了基础。一般真空产生真空效应是在100PA以下，烘烤后抽真空效果更佳，因为温度影响脱气速度，切烘烤之后能把部分水蒸气蒸发掉，抽完真空后组好有一阻隔性能较好的包装袋，能防止气体的渗入。抽真空的目的是使带有气体的物质固体化，固体的导热系数比气体液体低。3.能源及能源系统选择。（研发，考虑中）该产品的供能装置必须满足的条件是，轻便小巧，功率可控性强，能够高输出。环保安全性强。按人体规格来看，额定功率要求与最大能量储备量并不高。（1）电能：一个正常人的体重不过70KG左右，普遍登山高度不过3000米，这样一般48V12AH的电池，350W电机的车，大概能跑40-60公里；48V20AH电池，500W电机的车大概能跑60-80公里。蓄电池无论是功率，能量，和易携带性上都满足。（2）天然气：假设一个70KG的正常人登上3000米的高峰，那么需要能量210万焦耳。热量散失按40%算，那么需要能量500万焦耳，10摩尔甲烷足够提供这一切。而且环保无污染。3.成本预算（研发考虑中）4.相关空气动力学理论考虑——该装置是否装风翼？（1）．动量理论推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T（忽略摩擦阻力）。由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。根据伯努力方程H=1/2（ρv2）+P（1）ρ—空气密度H—总压根据公式（1），ρV02/2+P0=ρu2/2+p1ρu12/2+P0=ρu2/2+p2P1-p2=ΔP由上式可得ΔP=ρ（V02-u12）/2（2）运用动量方程，可得作用在风轮上的推力为：T=m(V1-V2)式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量所以：T＝ρSu（V0-u1）所以：压力差ΔP＝T/S=ρu（V0-u1）由（2）和（3）式可得：u＝1/2[（V0-u1）]（4）由（4）式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值，因此，如果我们用下式来表示u。u=(1-a)*V0(5)a称为轴向诱导因子，则u1可表示为：u1=(1-2a)*V0(6)功率P和推力T可分别表示为：T=ΔP*A(7)P=ΔP*u*A(8)根据方程（2），（3）和（6）可得：P=2ρa(1-a)2*V03A(9)T=2ρa(1-a)V02A(10)通过定义功率和推力系数：CP=4a(1-a)2(11)CT=4a(1-a)(12)方程（9）和（10）可写成如下形式：P=0.5ρV03ACP（13）T=0.5ρV03ACT（14）对方程（11）求极值∂Cp/∂a=4(3a2-4a+1)=0(15)求得a=(2±1)/3=1或1/3根据公式（6）a0.5所以a=1/3时，Cp有极大值（Cp）max＝16/27≌0.59(16)当a=1/3时，Cp值最大。（2）.尾涡的旋转（1）中的公式推导是基于以下假设：力矩保持线性，没有旋转个发生。然而，叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的，根据牛顿第二定律，尾涡也在旋转，并且其旋转方向和叶轮相反。U1=2ωrab(17)ω:叶轮角速度ｂ:切向诱导因子作用在环素dr上的力矩为：dQ=mutr=(ρu*2πrdr)utr=2πr2ρu*utdr(18)m-----通过环素的质量流相应的功率为：dp=*dQ(19)用a,b和方程（18）可以写出dp=4πr3Ρv0ω2(1-a)bdr(20)叶轮吸收中的总功率为：P=4π(V0/λ2R2)ρ∫0R(1-a)btr3dr(21)尖速比=V0/ωr(22)诱导因子分别给V0和ωr一个诱导速度，并且产生一个相对速度W，因为假设的是无摩擦流动，诱导速度必定垂直于W，a和b并不是独立的，有以下关系：〔bωr〕/[aV0]=[V0(1-a)]/[ωr(1+b)](23)λ(r)=V0/ωr(24)由以上两式可得：a(1-a)λ2(r)=b(1+b)(25)对于小的尖速比λ（r）来说，叶片转速相对风速来说较大，这时切向诱导系数b几乎可以忽略，轴向诱导系数几乎达到了0.333，对于大的尖速比λ（r），尾涡的影响较大，最大功率输出时,a减小到0.25。（3）.空气动力学基础由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。根据伯努力方程H=1/2（ρv2）+P（1）ρ—空气密度H—总压根据公式（1），ρV02/2+P0=ρu2/2+p1ρu12/2+P0=ρu2/2+p2P1-p2=ΔP由上式可得ΔP=ρ（V02-u12）/2（2）运用动量方程，可得作用在风轮上的推力为：T=m(V1-V2)式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量所以：T＝ρSu（V0-u1）所以：压力差ΔP＝T/S=ρu（V0-u1）由（2）和（3）式可得：u＝1/2[（V0-u1）]（4）由（4）式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值，因此，如果我们用下式来表示u。u=(1-a)*V0(5)a称为轴向诱导因子，则u1可表示为：u1=(1-2a)*V0(6)功率P和推力T可分别表示为：T=ΔP*A(7)P=ΔP*u*A(8)根据方程（2），（3）和（6）可得：P=2ρa(1-a)2*V03A(9)T=2ρa(1-a)V02A(10)通过定义功率和推力系数：CP=4a(1-a)2(11)CT=4a(1-a)(12)方程（9）和（10）可写成如下形式：P=0.5ρV03ACP（13）T=0.5ρV03ACT（14）对方程（11）求极值∂Cp/∂a=4(3a2-4a+1)=0(15)求得a=(2±1)/3=1或1/3根据公式（6）a0.5所以a=1/3时，Cp有极大值（Cp）max＝16/27≌0.59(16)当a=1/3时，Cp值最大。理想的高速风机（无摩擦）其风能利用系数可达到