可矢量控制姿態的旋翼機設計

謝良偉 楊哲毅 盛濤 肖劉鑫

摘 要：旋翼機是一種通過螺旋槳驅動，并利用前飛時的相對氣流吹動旋翼自轉以產生升力的旋翼航空器。本文采用一種矢量控制結構，通過對旋翼機旋翼角度與舵面相互作用的研究，設計一套具備矢量控制能力的旋翼控制裝置與旋翼機，最終實現旋翼機在轉彎時具有更好的飛行穩定性。

關鍵詞：旋翼機；矢量控制；飛行穩定性

自轉旋翼飛行器（以下簡稱旋翼機）是一種以自轉旋翼作為升力面、螺旋槳推/拉力或其它供能方式為前進動力的旋翼類飛行器。旋翼機的旋翼在前方氣流的作用下保持自轉，當發動機出現問題造成空中停車，旋翼自轉任可使它安全著陸，具有良好的低空、低速性能和安全性，隨著起降和飛行性能的穩定性不斷提高，近十幾年來該類飛行器再次成為航空領域關注的熱點。

本文主要設計能更好的保證飛機在空中轉彎時具有良好穩定性的一架模型旋翼機，使旋翼機在轉彎時不至于發生較大振動及調節難度較大的現象，具有更好的穩定性。

一、總體參數確定

旋翼機采用面對稱的基本布局形式：主要由旋翼、螺旋槳、帶短翼機體、平尾、雙垂尾、起落架、發動機、帶離合器的傳動機構等主要部件組成，旋翼機三維實體圖如圖1：

旋翼機主要技術參數如下：

正常起飛重量：500g；

旋翼半徑：400mm；

螺旋槳半徑：90mm；

機身長寬高： 520 /340 / 420（mm）；

機身離地高度：空機狀態 20mm、起飛狀態 15mm；

起落架：前后輪距 330mm、左右主輪距 280mm；

平尾：NACA4412翼型，長寬為100*60*2（mm）；

大垂尾：NACA0012 翼型，長高為 85*110（mm）（其中舵面為 40*110）；

小垂尾：NACA0012翼型，長高為 50*60（mm），展弦比為 1.2。

旋翼機的旋翼氣動原理與直升機的相似，參照直升機空氣動力學和飛行動力學原理設計旋翼機，結合matlab軟件進行計算分析。

自轉旋翼機槳葉片數，旋翼機槳葉片數k暫取為3，三葉的效率更好。自轉旋翼機旋翼實度，Vmax隨實度δ的減小而減小，低速飛行時需用功率減小，可用功率增加；實度δ大對飛機跳飛有利，降低對預轉速度的要求。

自轉旋翼機槳盤載荷，旋翼機槳盤載荷p對前飛最大速度Vmax影響很小，但對最小速度Vmin影響很大，p減小，Vmin減小，也使經濟速度、有利速度增大。

自轉旋翼機旋翼總距角，一般是固定的，采用總距角為4°。

二、旋翼機機翼的布置

對于小型無人旋翼機，若通過增加機翼使起飛速度降低、巡航速度變大。取5m/s的巡航速度時，機翼大概承擔60%的升力，對于飛行速度為5m/s，計算雷諾數Re，利用Profili軟件選擇合適的機翼翼型，旋翼尺寸：40*395mm（直徑約800mm）。如圖2所示，旋翼與槳盤連接處采用保險連桿連接，防止飛機起飛過程中由于側翻破壞機翼，起到保護機翼的作用。

三、尾面布置及參數選擇

本文旋翼機采用固定平尾，旋翼機和直升機的平尾具有增加全機的縱向穩定性和速度穩定性的作用，可以選用直升機的統計數據來初步確定平尾面積。如圖3所示，初步選擇平尾面積為0.012m2。平尾氣動力中心距重心0.35m。

垂尾能增加航向穩定性。如果安裝允許、旋翼后倒不會發生碰撞，垂尾面積盡量取大一些。如圖4所示，垂尾安定面面積選擇0.00935m2，方向舵面積為0.0044m2。

四、總體布置設計

整機尺寸520*340*420mm（長、寬、高），旋翼機槳葉片數k取為3螺旋槳后置，桿身主橫桿為碳纖管，機身架構為椴木層板，采用前三點式起落架，主輪位于重心之后，小尾輪位于機身最后端，平尾略比垂尾靠前。旋翼頭為尼龍材料。起落架為直徑2mm鋼絲，三點支撐，三個9g舵機，在機身處加裝小翼，通過對小翼的機動控制，達到減小由于飛機在轉彎過程中由于力矩耦合作用出現的不穩定。

如圖5所示，將普通的旋翼機電機換成矢量電機，通過控制電機的角度達到提高轉彎穩定性的目的。

五、總結

本文設計的旋翼機創新點包括有：

采用方形碳桿作為機身龍骨，增大與各部件的接觸面積，提高穩定性與安全度，并因此解決了圓形碳桿不易安裝的問題。將前輪與碳桿的連接結構結合傘夾進行改進，使之能夠靈活地拆裝更換，減少了鉆孔連接的步驟，保護了碳桿的整體穩固性。

機身兩側的小翼。在轉彎時，它們能夠提供一個力矩，平衡旋翼作用在機身上的力矩，使之實現無側傾轉彎；在起飛過程中，還能提供一部分升力，縮短滑跑距離；在巡航過程中，類似于平衡桿，能起到提高飛機穩定性的作用。

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作者簡介：

謝良偉（1995-），男，本科，飛行器制造工程。