一種兩軸和四軸扇翼飛行器的設(shè)計(jì)

林超希　張文宇　馬超

摘要：飛行器的發(fā)展，一是追求經(jīng)濟(jì)性和高效性，這是固定翼飛機(jī)的特長(zhǎng)；二是追求垂直起降，不需要起降跑道，低空低速性能好，這是直升機(jī)的特長(zhǎng)。固定翼要求較長(zhǎng)的起飛距離，低空低速升力系數(shù)差，不適合起降困難地區(qū)的使用；直升機(jī)整體構(gòu)造和使用復(fù)雜，航程距離短，有效載荷低。該設(shè)計(jì)對(duì)扇翼多軸飛行器進(jìn)行了從氣動(dòng)分析到設(shè)計(jì)，再到優(yōu)化最后進(jìn)行制作與驗(yàn)證性試飛，這一系列工作難度較大。這一飛行器屬于新概念飛行器，從未投入實(shí)際運(yùn)用，可參考資料相對(duì)較少，但是具有現(xiàn)有飛行器所不具有的優(yōu)勢(shì)。飛行器具有很大的研究?jī)r(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外正在探索一種新概念扇翼飛行器，它是介于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的一種大載荷低速飛行器，由于扇翼飛行器結(jié)構(gòu)和操控簡(jiǎn)單，具有高飛行效率、高載荷、低噪聲和短距起降等優(yōu)點(diǎn)，使其具有很大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)飛行器領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)[1]。

關(guān)鍵詞：扇翼飛行器；橫流風(fēng)扇；短距起降

1 研究?jī)?nèi)容

本設(shè)計(jì)基于扇翼橫流風(fēng)扇原理技術(shù)，該無(wú)人機(jī)同時(shí)具備短距起降、低速高升阻比、飛行穩(wěn)定、大載重的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠應(yīng)用于軍事和民用的運(yùn)輸任務(wù)，城市或起飛困難地區(qū)的物資運(yùn)輸。本設(shè)計(jì)使用扇翼橫流風(fēng)扇作為動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)短距起降的高載荷多軸無(wú)人機(jī)，其橫流風(fēng)扇設(shè)計(jì)制作和扇翼多軸布局都具有很好的創(chuàng)新性，另外，該設(shè)計(jì)裝備具有兩軸和四軸兩種型號(hào)，可根據(jù)不同的任務(wù)需求來(lái)進(jìn)行選擇和使用。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 機(jī)翼結(jié)構(gòu)

多軸扇翼機(jī)的一大核心研究?jī)?nèi)容就是扇翼的設(shè)計(jì)。扇翼是飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源。首先從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上，扇翼的葉片需要能夠承受著飛行過(guò)程中空氣的反作用力，且形變要求在一定范圍中，所以扇翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體抗扭和扇翼材料工藝是機(jī)翼設(shè)計(jì)上的一大重點(diǎn)，也是多軸扇翼機(jī)能夠進(jìn)一步提高實(shí)用性的難點(diǎn)，其次扇翼動(dòng)力的設(shè)計(jì)還要保證高升力。

以下設(shè)定扇翼機(jī)機(jī)翼的幾個(gè)低耦合參數(shù)：風(fēng)扇半徑r為60mm，橫流風(fēng)扇葉片外緣與前緣弧形槽內(nèi)圓半徑 R1 之間距離，即前緣弧形槽間隙θ為8mm，扇翼機(jī)翼后緣點(diǎn)到橫流風(fēng)扇葉片外緣之間最遠(yuǎn)水平距離 L 為220mm，扇翼機(jī)翼下翼面與上翼面斜面段夾角后緣角β為35°，橫流風(fēng)扇葉片弦線與 Y 軸夾角葉片安裝角γ為10°，數(shù)值模擬中選取機(jī)翼展長(zhǎng)d為1m，機(jī)翼下翼面與來(lái)流方向平行時(shí)迎角α為4°，橫流風(fēng)扇葉片數(shù) n 為12片[2]。此外，葉片弦長(zhǎng)取20mm，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2000r/min左右。這樣除前緣開(kāi)口角σ以外的機(jī)翼設(shè)計(jì)參數(shù)基本確立。

除了這些低耦合參數(shù)以外，扇翼機(jī)還存在一些高耦合參數(shù)。其中最重要的就是：推力和升力、迎角和前緣開(kāi)口角。1）推力和升力：選取以推力為約束，最大化升力，來(lái)優(yōu)化扇翼上、下翼面形狀。通過(guò)Sculptor 高階網(wǎng)格變形方法來(lái)參數(shù)化扇翼上、下翼面，同時(shí)采用多島遺傳算法（MIGA）和序列二次規(guī)劃算法（NLPQL）根據(jù)優(yōu)化策略和流程針對(duì)具體算例對(duì)扇翼的上、下翼面形狀進(jìn)行優(yōu)化[3]。2）迎角和前緣開(kāi)口角：在扇翼前緣安裝可動(dòng)前緣小翼來(lái)提高大迎角時(shí)扇翼飛行器的升力。前緣小翼尺寸占扇翼前緣處約 10°范圍，其長(zhǎng)度為12mm。設(shè)計(jì)前緣小翼為一個(gè)矩形葉片，在扇翼前緣開(kāi)口角處放置。前緣小翼旋轉(zhuǎn)中心為矩形葉片中點(diǎn)，前緣小翼葉片位于扇翼機(jī)翼前緣段所在的圓弧延長(zhǎng)線上，取前緣小翼葉片中點(diǎn)位置延長(zhǎng)線的切線與前緣小翼葉片弦線夾角定義小翼旋轉(zhuǎn)角度，前緣小翼葉片弦線與切線平行即小翼安裝角為 0°，此時(shí)前緣小翼弦線與半徑方向垂直，同時(shí)定義前緣小翼向橫流風(fēng)扇內(nèi)部旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）為正[4]。前緣小翼旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°到90°。并通過(guò)KK2.15飛控進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)范圍為飛機(jī)俯仰角度0°到30°。

2.2 飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)

第一是多軸扇翼機(jī)需要設(shè)計(jì)理想的飛機(jī)整體氣動(dòng)外形，包括機(jī)身、扇翼及其他操縱面的協(xié)調(diào)與平衡，實(shí)現(xiàn)超短距起降以及大載重比。第二是保證扇翼氣流不會(huì)干擾到飛機(jī)的操縱面，保證飛機(jī)的穩(wěn)定操縱和飛行的方便性。第三是對(duì)飛機(jī)細(xì)節(jié)調(diào)整，包括前后排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，全機(jī)身防震等，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的穩(wěn)定飛行，提高實(shí)用價(jià)值。

2.3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

橫流風(fēng)扇采用共軸傳動(dòng)，以傳統(tǒng)航模飛機(jī)電控方式控制扇翼轉(zhuǎn)速。其他操縱面與普通固定翼無(wú)人機(jī)的舵機(jī)傳動(dòng)相同。適時(shí)還會(huì)加入無(wú)人機(jī)的開(kāi)源飛控技術(shù)，已達(dá)到飛機(jī)操縱的方便性。

3 技術(shù)方案

一種具備短距起降、低速高升阻比、飛行穩(wěn)定、大載重的多軸扇翼無(wú)人機(jī)，所述無(wú)人機(jī)包括機(jī)身、扇翼部件、升降及方向控制部件、動(dòng)力部件、通信與接收模塊指揮控制模塊、前起落架（12）和后起落架（13）；其中所述扇翼部件包括橫流風(fēng)扇（8）和機(jī)翼，其中所述橫流風(fēng)扇（8）包括葉片（1）和葉片座（2）；該無(wú)人機(jī)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)裝置帶動(dòng)橫流風(fēng)扇（8）轉(zhuǎn)動(dòng)，飛行器利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的升力和推力作為動(dòng)力，供給自身進(jìn)行飛行，通過(guò)升降及方向控制部件控制無(wú)人機(jī)的升降、轉(zhuǎn)向、橫滾、俯仰和偏航。

4 總結(jié)

飛行器的設(shè)計(jì)制作與試飛本就是一個(gè)復(fù)雜的工作，而且此作品涉及的多軸扇翼飛行器是剛剛出現(xiàn)不久的一款新概念飛行器，其具有現(xiàn)有飛行器無(wú)法達(dá)到的一系列優(yōu)勢(shì)，具有很廣闊的研究與應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)能對(duì)這一飛行器的飛行原理進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行一系列優(yōu)化，并成功試飛，具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610059002）