一種兩軸和四軸扇翼飛行器的設(shè)計

林超希　張文宇　馬超

摘要：飛行器的發(fā)展，一是追求經(jīng)濟性和高效性，這是固定翼飛機的特長；二是追求垂直起降，不需要起降跑道，低空低速性能好，這是直升機的特長。固定翼要求較長的起飛距離，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)計對扇翼多軸飛行器進行了從氣動分析到設(shè)計，再到優(yōu)化最后進行制作與驗證性試飛，這一系列工作難度較大。這一飛行器屬于新概念飛行器，從未投入實際運用，可參考資料相對較少，但是具有現(xiàn)有飛行器所不具有的優(yōu)勢。飛行器具有很大的研究價值，應(yīng)用前景廣闊。近年來，國內(nèi)外正在探索一種新概念扇翼飛行器，它是介于直升機和固定翼飛機之間的一種大載荷低速飛行器，由于扇翼飛行器結(jié)構(gòu)和操控簡單，具有高飛行效率、高載荷、低噪聲和短距起降等優(yōu)點，使其具有很大的發(fā)展優(yōu)勢，成為近年來飛行器領(lǐng)域新的研究熱點[1]。

關(guān)鍵詞：扇翼飛行器；橫流風(fēng)扇；短距起降

1 研究內(nèi)容

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

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 機翼結(jié)構(gòu)

多軸扇翼機的一大核心研究內(nèi)容就是扇翼的設(shè)計。扇翼是飛機的動力來源。首先從結(jié)構(gòu)強度上，扇翼的葉片需要能夠承受著飛行過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、整體抗扭和扇翼材料工藝是機翼設(shè)計上的一大重點，也是多軸扇翼機能夠進一步提高實用性的難點，其次扇翼動力的設(shè)計還要保證高升力。

以下設(shè)定扇翼機機翼的幾個低耦合參數(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，扇翼機翼后緣點到橫流風(fēng)扇葉片外緣之間最遠水平距離 L 為220mm，扇翼機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)值模擬中選取機翼展長d為1m，機翼下翼面與來流方向平行時迎角α為4°，橫流風(fēng)扇葉片數(shù) n 為12片[2]。此外，葉片弦長取20mm，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2000r/min左右。這樣除前緣開口角σ以外的機翼設(shè)計參數(shù)基本確立。

除了這些低耦合參數(shù)以外，扇翼機還存在一些高耦合參數(shù)。其中最重要的就是：推力和升力、迎角和前緣開口角。1）推力和升力：選取以推力為約束，最大化升力，來優(yōu)化扇翼上、下翼面形狀。通過Sculptor 高階網(wǎng)格變形方法來參數(shù)化扇翼上、下翼面，同時采用多島遺傳算法（MIGA）和序列二次規(guī)劃算法（NLPQL）根據(jù)優(yōu)化策略和流程針對具體算例對扇翼的上、下翼面形狀進行優(yōu)化[3]。2）迎角和前緣開口角：在扇翼前緣安裝可動前緣小翼來提高大迎角時扇翼飛行器的升力。前緣小翼尺寸占扇翼前緣處約 10°范圍，其長度為12mm。設(shè)計前緣小翼為一個矩形葉片，在扇翼前緣開口角處放置。前緣小翼旋轉(zhuǎn)中心為矩形葉片中點，前緣小翼葉片位于扇翼機翼前緣段所在的圓弧延長線上，取前緣小翼葉片中點位置延長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°，此時前緣小翼弦線與半徑方向垂直，同時定義前緣小翼向橫流風(fēng)扇內(nèi)部旋轉(zhuǎn)（逆時針）為正[4]。前緣小翼旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°到90°。并通過KK2.15飛控進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)對應(yīng)范圍為飛機俯仰角度0°到30°。

2.2 飛機整體結(jié)構(gòu)

第一是多軸扇翼機需要設(shè)計理想的飛機整體氣動外形，包括機身、扇翼及其他操縱面的協(xié)調(diào)與平衡，實現(xiàn)超短距起降以及大載重比。第二是保證扇翼氣流不會干擾到飛機的操縱面，保證飛機的穩(wěn)定操縱和飛行的方便性。第三是對飛機細節(jié)調(diào)整，包括前后排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，全機身防震等，實現(xiàn)飛行過程中的穩(wěn)定飛行，提高實用價值。

2.3 運動機構(gòu)

橫流風(fēng)扇采用共軸傳動，以傳統(tǒng)航模飛機電控方式控制扇翼轉(zhuǎn)速。其他操縱面與普通固定翼無人機的舵機傳動相同。適時還會加入無人機的開源飛控技術(shù)，已達到飛機操縱的方便性。

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人機，所述無人機包括機身、扇翼部件、升降及方向控制部件、動力部件、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）和機翼，其中所述橫流風(fēng)扇（8）包括葉片（1）和葉片座（2）；該無人機運行時驅(qū)動電機與傳動裝置帶動橫流風(fēng)扇（8）轉(zhuǎn)動，飛行器利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的升力和推力作為動力，供給自身進行飛行，通過升降及方向控制部件控制無人機的升降、轉(zhuǎn)向、橫滾、俯仰和偏航。

4 總結(jié)

飛行器的設(shè)計制作與試飛本就是一個復(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)有飛行器無法達到的一系列優(yōu)勢，具有很廣闊的研究與應(yīng)用前景。本設(shè)計能對這一飛行器的飛行原理進行研究，進而對其進行一系列優(yōu)化，并成功試飛，具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。

參考文獻：

[1]邸南思.面向飛行機器人的扇翼翼型數(shù)值分析與實驗研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2014.

[2]蔣甲利，牛中國，劉捷，許相輝.扇翼飛行器機翼布局研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2009（3）.

[3]Askari S.， Shojaeefard M.H. Shape optimization of the airfoil comprising a cross flow fan[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2009，81（5）：407415.

[4]馮襯.前緣小翼及開槽對扇翼氣動性能影響分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)碩士論文，2015.

基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201610059002）