一種可無動(dòng)力滑翔的固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)

周濤

摘 要：固定翼飛行器主翼的展弦比是影響飛行性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，大展弦比的固定翼飛行器具有良好的無動(dòng)力滑翔性能，使用大展弦比固定翼無人機(jī)可在失去動(dòng)力的條件下實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力滑翔，亦可使用較小動(dòng)力進(jìn)行低速巡航，是一種滯空時(shí)間較長(zhǎng)，重復(fù)使用次數(shù)較多，且飛行穩(wěn)定、安全系數(shù)較高的機(jī)型。此種機(jī)型大量用于航空攝像、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、空中監(jiān)控等領(lǐng)域。該文介紹了一種可無動(dòng)力滑翔且能攜帶一定載荷進(jìn)行空中投放的雙體式無人機(jī)的設(shè)計(jì)，并經(jīng)過多次地面和空中測(cè)試證明了此種設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：無動(dòng)力滑翔 固定翼無人機(jī) 雙體式

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0093-02

無人機(jī)是由航空模型飛機(jī)發(fā)展而來的一種不載人飛行器。依靠其體積小、重量輕、操縱方便等優(yōu)勢(shì)，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了一種可攜帶一定量載荷進(jìn)行空中投放，并且在失去動(dòng)力后仍可保持滑翔并安全降落的雙體式無人機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)型的選擇

在進(jìn)行飛行器外形設(shè)計(jì)時(shí)，如果要單獨(dú)設(shè)計(jì)出一種新的機(jī)型，需要經(jīng)過極其復(fù)雜的理論計(jì)算和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)資源較多。因此大部分小型飛行器的外形設(shè)計(jì)多使用原準(zhǔn)法，即以較成熟的小型飛行器機(jī)型為原型機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以節(jié)省較多的設(shè)計(jì)資源。本次設(shè)計(jì)既是以某型較成熟的無人機(jī)作為原型機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，參考原準(zhǔn)機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行參數(shù)估算。而原準(zhǔn)機(jī)的選擇則主要考慮以下幾點(diǎn)：一是原型機(jī)為典型的滑翔機(jī)機(jī)型，飛行穩(wěn)定，巡航空速要求較低，能夠保證試驗(yàn)和飛行的安全性；二是此種機(jī)型設(shè)計(jì)組人員有較好的操縱經(jīng)驗(yàn)，有利于試飛工作的開展；三是此類機(jī)型無須使用副翼，在滿足操縱需要的同時(shí)還可以留出控制通道加裝其他控制設(shè)備。

根據(jù)以上情況，設(shè)計(jì)時(shí)可以依靠原型機(jī)設(shè)計(jì)出機(jī)翼面積、主翼的展弦比、飛機(jī)的尾力臂和機(jī)頭的延伸長(zhǎng)度；但機(jī)翼和機(jī)體就則需根據(jù)不同的任務(wù)需求進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算總重量范圍

此次設(shè)計(jì)要求搭載并投放質(zhì)量不小于250g的載荷。考慮到投放裝置的重量和所需預(yù)留的余量，可將負(fù)載值設(shè)定為500g，無動(dòng)力滑翔機(jī)型所需載重比一般為1：5～1：6，由此得出飛機(jī)總重為2500g～3000g。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

選擇發(fā)動(dòng)機(jī)首先應(yīng)考慮其氣缸容積載荷比。若選用市場(chǎng)上較為成熟的容積載荷比為0.5～0.6kg/cc的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，則本次設(shè)計(jì)應(yīng)選用的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積應(yīng)為：

氣缸容積為6cc的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為40級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，但對(duì)于40級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，有另外一種型號(hào)為46級(jí)，其氣缸容積為6.5cc，而6.5cc的發(fā)動(dòng)機(jī)是以6cc的反動(dòng)機(jī)為原型，其容積較大只是由于將后者氣缸壁變薄所致，但其動(dòng)力比6cc級(jí)更強(qiáng)，而且可靠性安全性也很穩(wěn)定，甚至重量也比后者更輕，可以說6.5cc發(fā)動(dòng)機(jī)是6cc發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型。考慮到以上因素，也為留出充足的動(dòng)力余量，此次設(shè)計(jì)選用了46級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。此種發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲醇和蓖麻油的混合燃料，根據(jù)不同的任務(wù)需求可將二者體積比設(shè)為3：1～4：1，也可加入10%～20%的硝基甲烷作為助燃劑以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。

4 機(jī)翼的設(shè)計(jì)

根據(jù)本次設(shè)計(jì)需求，機(jī)翼的設(shè)計(jì)是較為關(guān)鍵的一項(xiàng)。機(jī)翼的設(shè)計(jì)主要包括選擇主翼翼型、主翼上反角設(shè)定、主翼與尾翼的設(shè)計(jì)等。

4.1 主翼翼型的選擇

翼型的形狀對(duì)飛機(jī)的性能有很大的影響。翼型截面一般是取同飛機(jī)對(duì)稱平面相平行的截面，也有的取垂直于機(jī)翼的橫截面，對(duì)于后掠翼的機(jī)翼兩種取法是不同的，而對(duì)于此次設(shè)計(jì)使用的平直翼型，這兩種取法是一樣的。在此次設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)功率有一定的余量，且此次設(shè)計(jì)的機(jī)翼為展弦比較大的滑翔式機(jī)翼，所以平凸型翼型較為適合，為提高其升力，在機(jī)翼安裝時(shí)可設(shè)計(jì)出3°的安裝角。此次設(shè)計(jì)所選擇的為克拉克Y12%的翼型。

4.2 主翼上反角設(shè)定

主翼的上反角可以提高飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性，當(dāng)飛機(jī)受外界因素影響下發(fā)生傾斜時(shí)，升力的方向也會(huì)發(fā)生傾斜，而重力仍然指向地面，飛機(jī)便會(huì)發(fā)生側(cè)滑。在側(cè)滑時(shí)，由于上反角的存在，下沉一側(cè)的機(jī)翼同側(cè)滑引起的相對(duì)氣流的夾角大，升力較大大；上抬一側(cè)的機(jī)翼同相對(duì)氣流的夾角小，升力小；這兩個(gè)升力差形成的力矩就會(huì)使飛機(jī)繞機(jī)身軸旋轉(zhuǎn)恢復(fù)至水平位置，從而達(dá)到自身的水平穩(wěn)定效果。上反角的選擇可以使用原準(zhǔn)法，即此次設(shè)計(jì)使用的上反角與原型機(jī)相同為8°。

4.3 主翼與尾翼的設(shè)計(jì)

主翼與尾翼面積的初步預(yù)估可以先給定機(jī)翼的翼載荷，根據(jù)翼載荷與飛機(jī)總重量計(jì)算出主翼面積，再根據(jù)原型機(jī)的主翼尾翼面積比計(jì)算出水平尾翼與垂直尾翼的面積，為使機(jī)翼不至于承載過度，翼載荷不宜過高，可預(yù)設(shè)為50g/dm2。則：

在各機(jī)翼面積確定后，即要考慮機(jī)翼的升力。可根據(jù)升力計(jì)算公式，其中Y為機(jī)翼的升力，單位為千克力（kgf）；p為空氣密度，在海平面或低空飛行的情況下，p近似為1/8kgfs2/m4；v為機(jī)翼同氣流的相對(duì)速度，單位為m/s；S為機(jī)翼面積，單位為m2，是指機(jī)翼的投影面積。CY為升力系數(shù)，沒有單位，它與機(jī)翼的翼型、迎角等因素有關(guān)。其數(shù)值可用實(shí)驗(yàn)方法求出，計(jì)算時(shí)也可從機(jī)翼升力阻力系數(shù)曲線中查到。

當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)速度大約為v=12m/s，此次設(shè)計(jì)的機(jī)翼面積為S=0.6m2，克拉克-Y型機(jī)翼，且在設(shè)計(jì)時(shí)為提高升力，使用了3的仰角，則升力系數(shù)CY=0.6，p近似為1/8kgfs2/m4，將以上數(shù)據(jù)代入升力計(jì)算公式則：

通過上述計(jì)算既能證明此次設(shè)計(jì)的機(jī)翼在載荷較小（僅為50g/dm2）且全負(fù)荷（3000g）的情況下，起飛速度為41.6km/h。經(jīng)試驗(yàn)，本次選用的發(fā)動(dòng)機(jī)可以輕易達(dá)到此起飛速度，即證明了設(shè)計(jì)出的機(jī)翼的可行性。

在得出升力余量較充足的結(jié)論后，為保證飛行時(shí)的滑翔性能，可選用較大的展弦比，此次設(shè)計(jì)將展弦比預(yù)設(shè)為6，則：

即主翼規(guī)格為1900*316mm。再根據(jù)原準(zhǔn)法得出水平尾翼規(guī)格為70×22cm，垂尾面積為506cm2。

5 機(jī)身的設(shè)計(jì)

為減小機(jī)身重量和尺寸，本次設(shè)計(jì)使用了一種長(zhǎng)條形夾層板材，并選用了雙體式機(jī)身，以為增加載荷及后期的功能擴(kuò)展留出足夠的空間。同時(shí)機(jī)身長(zhǎng)度的計(jì)算應(yīng)保證使飛行時(shí)機(jī)翼壓力中心位于翼前部1/3翼弦處。

6 結(jié)論

飛機(jī)制作時(shí)還應(yīng)考慮材料、主翼框架、翼根、安裝接口等因素。通過完成靜態(tài)測(cè)試、無動(dòng)力低空滑降測(cè)試、地面滑跑測(cè)試、無載荷試飛、有載荷試飛等多項(xiàng)測(cè)試，證明了此種無人機(jī)的設(shè)計(jì)滿足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃毅.某近程小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究[D].南昌航空大學(xué)，2013.

[2] 安佳寧，陳小昆.小型無人機(jī)平尾優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2013（4）：62-64+78.

[3] 陳小前.飛行器總體優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2001.