陈冠旭 王飞 杨银 王金涛 雷雯 张中正

摘要：本文隶属于创新创业项目大学通项目中专利申报部分实际执行部分，基于大学通指导理念，完成对于大学本科生及研究生阶段对于专利申报的探索，将大学本科生在申报专利方面的理论进行实践，完成对于创新创业项目在在整个项目中在专利撰写及申报方面的理论实践，总结出相应经验并完成对于整个项目理念的完善。以下内容均为实用新型专利申请部分受专利法保护。传统的飞机在抗坠撞设计已经有了一定的发展，但是大多数抗坠撞设计还是处于加强机体结构的层面，当刚度达到一定的上限以后，就会失去对人体的保护作用，通过设计一种新型波形弹簧以提高飞机的抗坠撞性能及缓冲性能。

关键词：小型通用飞机;波形弹簧;抗坠撞;缓冲

一、项目背景及国内外研究现状

在飞机的使用越来越广泛的现实环境下，如何使飞行器的安全性显著提高是各领域科研人员共同面对的问题。事实上有很大一部分航空事故可以通过合理的技术手段来大大减少伤亡。飞机的坠撞安全设计正是为了减少飞机坠毁后的人员伤亡而发展的。

从60年代开始美国军方进行了一系列范围广泛的长期研究，发现飞机在设计中如果考虑了坠撞安全性，飞机坠毁后乘员的生存概率相较于设计中不考虑抗坠撞能力的飞机将大大提高。其中对1967年至1972两年间的美国陆军旋翼机事故的调查显示，如果在旋翼机的设计中考虑了坠撞安全性，有接近92.8%的事故是可以有部分乘员可以幸存乃至减少将事故的损害降到最低。

如图1所示为飞机速度和生存范围的关系图：

目前国内对固定翼飞机的坠撞安全性研究还不多，比较出色的是南昌洪都航空工业集团有限公司在农林-5A型飞机的适航取证过程中进行了有关于全机的瞬态动力学有限元仿真分析和相关机型实机坠撞实验，通过实验取得了宝贵的数据和坠撞实践经验，主要通过经验手段进行预估，在研究时仿真方面只做了相应部件的系数评估，但是还是缺乏全机的整体处理与数据.

本文通过复合材料设计一种波形弹簧，应用于小型通用飞机的抗坠撞设计和缓冲设计，以提高某型飞机的安全性和舒适性。

传统的小型通用飞机在抗坠撞设计已经有了一定的发展，当刚度达到一定的上限以后，就会失去对人体的保护作用，甚至碎片会造成严重的二次伤害，并且由于加强刚度带来的机体质量的迅速上升对飞机的航程的影响是巨大的，所以设计一种在各种情况下都能保护人体的结构是迫不及待的。

二、项目研究内容

该项目结合通用飞机的研究现状，提出波形弹簧抗坠撞设计，将波形弹簧应用于小型通用飞机，使小型通用飞机的抗坠撞性能和缓冲性能得到提高。

三、项目研究结果

在通用航空领域，飞机的飞行速度和飞行高度并不算太高，结合飞机的特殊工作环境，为了提高飞机的抗坠撞性能和缓冲性能[10] ，设计用波形弹簧解决这两个问题，单个波形弹簧的设计视图如图2所示，正视图如图2所示：

波形弹簧采用正弦函数波形，上波和下波采用对称设计，使结构更加稳定，此波形弹簧使用复材GEM102X1作为实验材料，可二次成型、室温下可长期保存与回收利用，为单向碳纤维板材。单块波采用模压成型，波形弹簧整体采用胶接方式成型，纤维方向为弹簧长度方向，使波形弹簧具有要求的承载能力。

抗坠撞及缓冲一体式设计为了保证其正常工作，在工作时两个波之间不会相对错动太严重导致工作失效，在部分点位置采用固定连接。中间空芯层的主要作用为当受力时两个波可以相对滑动以变形，达到缓冲作用。使整个泡沫填充层强度较大，但是在受到撞击时可以充分变形破裂吸收能量，达到保护人体的作用。同时，中间空芯层也可以在受到撞击或者飞机坠落时起到一定辅助作用。

坠撞是极端情况，在正常起降时如何避免让波形板起作用。考虑到适坠性是对人伤害尽量减轻，保证在发生安全问题的時候，脆弱的脊柱受到的分力小于背部其它部位，最大限度保护人体。缓冲结构直接和飞机加强框相连接，保证力传递到主加强框，进一步提高安全性能。

四、项目创新点和解决的实际问题

1）、波形弹簧的上下波采用正弦函数做出，正弦函数的波形弹簧受力更加均匀;并且连接点的接触为活动连接，更利于受力，受力更稳定;

2）、单个波采用一次模压成型，解决了制作过程中纤维丝断裂的问题;

3）、波形弹簧运用于飞机的抗坠撞设计属于首次应用，在遇到冲击时，横向纵向都可以变形实现缓冲和抗坠撞，提高飞机安全性的同时也实现了飞机起飞降落时的减震，提高了舒适度;

4）、波形弹簧采用新型复合材料制作，减轻了飞机质量负荷;

5）、单波单点固定连接多模块波形弹簧配合设计解决了两个波片之间的相对滑动错位问题。

五、项目市场性分析

该项目源于飞机安全性和舒适性的综合考虑，在通用航空领域有一定的适航实用性，在低成本的前提下，达到一定的安全性能是通用飞机研究的一个重要领域，利用结构的优良特征，大幅度提高材料单位质量的利用率，使飞机制造成本降低、整体质量不至于大幅度上升。近年来，通用航空的发展如火如荼地进行着，更有新能源通用飞机地产生。但是随之而来的是安全性能和舒适性能越开越需要发展，因此对飞机的设计要求提出更大的考验。本项目以解决问题为导向，面向市场需求，设计出提高飞机安全性能和舒适性能的结构设计，市场前景广阔。并且在一定情况下，此设计可以向高铁、汽车、头盔等方向应用，市场前景更加广阔。

六、项目总结

该项目提出了一种波形弹簧小型通用飞机抗坠撞设计的方案，通过多层结构设计兼顾抗坠撞和缓冲两方面性能，达到了抗坠撞及缓冲一体式设计的目的，使小型通用飞机的舒适性和安全性得到一定的提升。本文的发表基于已经申报完毕的实用新型专利，此实用新型专利即为“大学通”创新创业项目四大模块中针对于学生科研成果的实践，为大学通项目在学生发明专利、外观专利设计及实用新型专利方面积累了宝贵的经验。

作者简介：

陈冠旭、王金涛，男，汉族，沈阳航空航天大学2017级航空宇航专业本科生

王飞，男，汉族，创新创业项目指导教师

雷雯、杨银、张中正，沈阳航空航天大学2015级本科生

基金项目：

本文用于沈阳航空航天大学省级创新创业项目：201810143181大学通

（作者单位：沈阳航空航天大学）