一種垂直起降固定翼飛行器的設計與制作

王思奇　呂鴻雁　曾傳楊　于航程　蔣中銓　顧思衍

【摘 要】本文將固定翼飛行器和旋翼機相結合，設計了一種垂直起降的固定翼飛行器，可實現垂直起降、空中懸停和固定翼方式巡航。機翼為平直翼的設計，翼稍有可傾轉旋翼結構，能夠實現90°的旋轉。巡航飛行時，兩個旋翼可以旋轉90°為平行于飛機縱軸狀態，為巡航飛行提供動力，能耗相對較小，并具有較高飛行速度和較大的飛行半徑。

【關鍵詞】垂直起降；固定翼；飛行器設計

0 引言

直升機和四旋翼飛行器均可垂直起降，但直升機的飛行控制系統開發復雜、不易維護，而四旋翼飛行器能耗大、飛行速度低、飛行半徑很??；固定翼飛機飛行能耗小、飛行半徑大，但垂直起降與懸停實現復雜，且不適用于狹小地段的偵查。因此，設計一種既可以像直升機那樣垂直起降和豎直懸停，又可像固定翼飛機那樣利用機翼升力進行相對低能耗飛行時間較長的無人機具有重要的意義。

1 設計目標

本文設計的垂直起降固定翼飛行器，將固定翼飛行器和旋翼機相結合，可實現垂直起降、空中懸停和固定翼方式巡航。該飛行器的主要特點為：（1）飛行器兼具旋翼機和固定翼飛行器的優點。既能夠實現垂直起降和垂直懸停，又可變形為可較長時間飛行的固定翼飛行器，可以根據需要在這二者之間進行轉換。（2）巡航飛行時，兩個旋翼可以旋轉90°為平行于飛機縱軸狀態，為巡航飛行提供動力，能耗相對較小，并具有較高飛行速度和較大的飛行半徑。

2 飛行器的設計方案

2.1 飛行器的總體設計方案

要實現飛行器的設計目標，主要有三個設計的關鍵點：（1）如何設計旋翼的90°旋轉機構；（2）如何保證各個電機更好地協調；（3）在四軸飛行器狀態下，如何控制飛機在航向上轉彎。針對上述的關鍵點，確定了飛行器的總體設計方案。

飛行器主要由機翼、機身、動力裝置、尾翼和起落架五個部分組成，氣動布局采用雙垂尾和平直翼的設計，翼尖安裝可傾轉旋翼機構，具體結構如圖1所示：

機翼為平直翼的設計，翼稍有可傾轉旋翼結構，能夠實現90°的旋轉，即在0°時為飛行器提供垂直力，實現飛行器的垂直起降和懸停，旋轉到90°時，旋翼為飛行器提供向前的動力。雙垂直尾翼的設計是為了加強飛機的方向穩定性和操縱性，以便在旋翼提供垂直力的狀態下實現飛行器的航向控制。

由于機身寬度較小，在機翼與機身的連接部分使用了結構牢固的Y型支架連接以提高穩定性。起落架的設計為硬度較大的鐵絲，考慮到支撐可能不夠平穩，在鐵絲的外側包圍一層厚海綿，以增大起落架的面積，增強其穩定性。

2.2 可傾轉旋翼機構設計

如圖2所示，在地面時，飛行器的發動機是垂直向上的，啟動發動機后，通過槳葉高速旋轉產生升力，將飛行器帶到安全高度，此時，旋轉遙控器的旋鈕，可以控制飛行器的舵機旋轉，即連接螺旋槳與機翼的部分旋轉，從而帶動發動機旋轉90°，直至轉換至“固定翼模式”。通過遙控器的控制，舵機可將發動機牢牢固定在平行于地面的角度，保證它的飛行穩定性。

2.3 控制部分的設計

控制部分，選擇6通道紅外線遙控器，遙控器可控制舵機轉動，從而控制發動機轉動，還可控制飛機的滾轉，控制系統示意圖見圖3。

由紅外遙控器向接收機傳輸信號，緊接著，接收機向飛控傳輸電信號以達到飛行器的控制。飛控作為整架飛行器的核心，分別控制4個舵機和兩個電調，4個舵機中，由兩個舵機控制發動機的旋轉，另外，兩個舵機控制飛行器的滾轉。

3 材料的選擇與制作

考慮到飛行器的經濟性和易操控性，選擇了輕質KT板作為飛行器機身及翼面的主要材料。結構方面，起初的設想是使用質量輕硬度高的碳棒作為整體的骨架，可是由于碳棒柔韌度滿足不了需求，難加工，且易碎，最后選擇了輕質的桃木作為飛行器的整體骨架，桃木雖然重量相比碳棒會增加不少，但是加工起來較為容易，堅硬程度也滿足需求。將飛行器的骨架更改為桃木之后，便需要更大的升力將飛行器抬升到合適的高度，選擇了2700KV的無刷電機。傾轉旋翼機構的材料主要為金屬，重量為12g，扭矩為1.5/1.8kg.cm，在旋轉到需要固定的角度時，舵機內的齒輪進行旋轉，舵機內側有一個小的凹槽，以達到舵機固定后的穩定性。

4 結束語

對制作完成的飛行器進行了試飛，并就試飛中發現的問題進行改進與完善，最終，該飛行器成功實現了垂直起降、空中懸停和固定翼狀態下的巡航，達到了預期設計目標。

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[責任編輯：王楠]