載運無人機機翼的研究與設計

朱小利 唐桂林

【摘 要】本文通過分析空氣動力學方面的知識和常用方法，對無人機機翼結構進行設計。本設計包括無人機機翼部分平面結構的選擇、無人機機翼內部結構的設計以及無人機機翼梁的設計與校核。設計過程中，要保證設計出的機翼有足夠的強度和剛性，在無人機飛行過程中要能保持機翼形狀，以免影響氣動性能；另外還要滿足質量輕、機件連接方便、生存力強、成本低、維護方便等特點。

【關鍵詞】無人機機翼；空氣動力學；機翼梁的設計與校核

中圖分類號： V214.11 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.008

【Abstract】The paper designs the structure of the carrying drone wings by analyzing the knowledge and common methods of aerodynamics. The design includes the selection of the planar structure of the wing portion of the drone， the design of the internal structure of the wing of the drone， and the design and verification of the wing beam of the drone. During the design process， ensure that the designed wing has sufficient strength and rigidity，keep the shape of the wing during the flight of the drone so as not to affect the aerodynamic performance； In addition， it also needs to meet the characteristics of light weight， convenient connection of parts， strong survivability， low cost and convenient maintenance.

【Key words】Drone Wings； Aerodynamics； Design and Verification of the Wing Beam

0 引言

近幾年隨著中國物流業發展迅速，部分大城市和特大城市已經成為區域性物流產業物流中心，通過航空貨運的方式，不同城市之間的貨物運輸可以達到朝發夕至。但到了擁擠的城市內部，物流運輸受到城市交通的制約，在運輸力量和運輸時間上明顯受到限制，這樣就對城市物流提出了更高的要求。

無人機更為適合進行相鄰城市之間或者市內轉運中心與物流網點之間的短距快速運輸，充當貨物從機場（或車站）附近的貨物轉運中心到各個物流網點的運輸工具。以合肥某物流公司為例，貨物從合肥集散中心物流基地發往該公司在合肥的其他網點，主要采用車輛運輸完成，途經公路有時甚至可以達到百公里以上，還需要面臨擁擠的交通、高額的高速收費等諸多問題，對運輸力量與運輸時間而言是很大的挑戰。在這樣的背景下，設計一款小型貨運無人機，往物流公司在城市內的各個網點運送貨物，可以達到降低成本、提高物流效率的目的[2]。

目前的載運無人機，因其機架、機翼大都采用金屬材料制成，雖能完成載運任務，但由于其機身自身重量較大，載重量就很難做到很大。因此，本研究采用輕木材料設計一款可載運無人機。其機架、機翼部分由輕木制成，從而可使飛機自身重量減輕，增大飛機載重。

1 機翼平面結構選擇

1.1 長方形

長方形機翼外形簡單便于制作，厚弦比不變，使飛機橫向穩定性和操作性在各種迎角下都好，特別是在臨界迎角時更好。在臨界狀態時，翼尖洗角較大，使其有效迎角減小了，不易失速，因而增加了副翼的有效性，但是有以下缺點：a、翼尖渦流大、誘導阻力大，翼捎上如用圓角可略改善氣動性能。b、由于升力展向分布性，機翼要承受較大的彎曲力矩。c、材料不能合理利用，質量較大。

1.2 橢圓形機翼

從氣動性能的上看，橢圓形最好，沿整個機翼迎角相同，誘導阻力最小。橢圓形機翼承受彎矩情況較好，但在制作和構造上較復雜。

1.3 梯形機翼

廣泛用于一張張臂式單翼機。從質量的觀點來看，梯形比（η=翼根弦長/翼尖弦長）越大越有利，因同樣展弦比的梯形翼，梯形比越大，則彎曲力矩越小，同時越近翼根翼弦越大，同樣的翼剖面可使翼根處厚度加大，增加了翼梁高度，使承受力矩的結構部分更能充分合理地運用，重量即可減輕一些。這種機翼的η=2時最有利，此時誘導阻力較小，幾乎等同于橢圓形機翼的誘導阻力。但是從強度觀點考慮η越大越好，但是η較大的機翼，機翼剖面的實際迎角，距翼尖越近越大，因此翼尖部分達到臨界迎角較早，易失速。所以綜合強度與氣動性能兩方面要求，梯形比η最好為2至2.5。

綜上所述，本研究擬選擇性能更好的梯形機翼。

2 機翼結構簡介

機翼主要由外部蒙皮和內部骨架構成。機翼結構的作用不僅是構成機翼的流線外形，同時還將外載荷傳給機身。機翼結構在外載荷作用下應具有足夠的強度、剛度和壽命。

蒙皮是構成并保持機翼形狀不可或缺的結構元件。早期飛機上的布質蒙皮（蒙布）僅起維持外形的作用，隨著技術的發展，采用金屬鋁蒙皮后，它開始與骨架一起作為主要受力構件。

骨架分為縱向骨架和橫向骨架。

縱向骨架指沿翼展方向的構件，包括翼梁、縱墻和桁條。翼梁是承受彎矩的唯一構件。橫向骨架是指機翼弦向構件，由普通翼肋和加強翼肋組成。

機翼按其主要承彎結構元件的不同分為梁式機翼和單塊式機翼，如圖1所示。

3 機翼梁的設計與校核

3.1 梁的受力分析

4 總結

載重輕木無人機的核心設計在于機翼的設計。在機翼結構設計要求的基礎上，機翼表面形狀選擇梯形翼，其好處為制作簡單，同時具有較好的氣動性能。根據空氣動力學原理對機翼進行設計，機翼受剪力的部件為腹板，受正應力的部件為梁。設計時，根據受力情況的不同，在機翼上不同位置分布有適量的翼肋承擔載荷。因此設計出的機翼具有較好的強度和剛性。

【參考文獻】

[1]周彬.一種小型貨運無人機的設計與優化[A].中國航空學會.探索 創新 交流（第7集）——第七屆中國航空學會青年科技論壇文集（下冊）[C].中國航空學會：，2016：6.

[2]張睿.小型無人機結構與控制[J].電子技術與軟件工程，2017，（01）：133-134.

[3]楊笑天.森林防火小型無人機總體設計與仿真研究[D].東北林業大學，2016.

[4]沈冰.太陽能無人機復合材料機身結構設計與優化[D].西安工業大學，2016.

[5]張耀.太陽能無人機機翼氣動結構能量多目標優化設計[D].北京理工大學，2015.

[6]馬佳.小型復合材料無人機結構設計與強度計算[D].中國民用航空飛行學院，2015.

[7]沈惺，王和平. 無人機設計參數對結構重量的影響分析[J].機械科學與技術，2013，（09）：1272-1275.

[8]袁利平，陳宗基.一種新型多無人機系統體系結構的設計[J].系統仿真學報，2008，（22）：6137-6141.