V尾與全復合材料在單兵無人偵察機的應用

張文祥 武耀罡 宋威 母嬋媛 彭雪妍

摘要：本項目旨在制作一款V型尾翼全復合材料的單兵無人偵察機，且質量2千克左右，翼展1.6米。現在先進無人機多采用 V 型尾翼布局，如國內的 “翼龍”無人機及美國的“RQ4A 全球鷹”無人機等。V 形尾翼具有良好的隱身能力，獨特的外形能有效降低雷達反射信號強度，同時有效減小了飛機的結構重量和飛行阻力。而復合材料最顯著的特點是輕質高強，最大的優勢是可設計性強。

關鍵詞： V尾；全復合材料；單兵無人偵察機

無人機具有使用方便，機動性好，生存性強，傷亡風險小，性價比高，成本低，應用廣泛等優點。現代戰爭領域的發展前景非常廣闊。飛機的性能很大程度上取決于尾翼結構的設計。機翼設計的結果對整個飛機的疲勞斷裂性能和氣動彈性質量有很大影響。 目前，V形尾翼由于具有飛行阻力小，減重優勢明顯，隱身能力強等優點而備受關注。

1 研究目標

目前我們在V型尾翼全復合材料的單兵無人偵察機的設計中有以下目標：

（1）V型尾翼布局的飛機整體設計，為了避免螺旋槳產生的氣流對V型尾翼的影響，所以初步設定飛機為尾推式。還有主翼與V型尾翼面積的比例和相對位置的設定。

（2）研究V型尾翼的控制方式。

（3）全復合材料的制作工藝，目前設想采用三層夾心處理。

（4）偵查設備的搭載。

2 工作基礎

我們已有該項目的前期制作探索和數據研究，制作過V型尾翼全復合材料的單兵無人偵察機的初步木質驗證機。且該驗證機具備一定的穩定運行性能，并為以后整個飛行器的可行性設計提供了依據和數據參數。

3 項目研究內容

飛機的整體結構：高級無人機通常使用復合材料作為整體。對于復合材料的設計，涉及連續變量和離散變量。設計變量很多，難以解決復合材料的優化設計問題。最后，調整了飛機的細節，包括全身防振等，以實現飛行過程中穩定的飛行并提高實用價值。

機翼和V尾結構：本無人機的核心研究課題之一是機翼和V尾結構。首先，從結構上來說，機翼采用插拔式設計，既保證了無人機機翼的強度，又增強了無人機的便攜性。尾翼采用V型尾翼結構，具有V型尾翼的優點，減小尾翼的尺寸。飛機理想的整體空氣動力學形狀，包括機身，機翼，尾翼和其他控制面的協調和平衡，有助于實現短程起飛和著陸以及重載性能。同時，無人機模塊的可拆卸性為個別設備提供保護。

4 主要創新點

（1）飛機整體布局的特點，緊湊型設計，性能穩定。（2）模塊化的可拆卸設計，提高便攜性。（3）全復合材料的制作工藝，目前設想采用三層夾心處理。

5 設計成果

5.1 加裝云臺和相機以及實時圖像傳輸系統

可以在地面端看到實時圖像數據傳輸，云臺手通過操控云臺改變攝像頭的位置，通過第一視角感受飛機的姿態、速度等參數，報告駕駛員，然后修改飛行姿態和航向。

5.2 機型可以應用于航測

加大翼展與機身強度就可以掛載航測裝備，進行航測，機型飛行平穩。

5.3 優秀的機翼

采用的玻璃鋼復合機身，確保了機身強度，通過換樣樹枝。機翼中預埋碳管，防止飛機在飛行過程中機翼不穩定，影響飛行性能。機翼與機身利用高質量碳管連接，在機身和機翼的連接處用纖維膠封合，在可迅速拆卸的情況下保證了飛機的機身強度。

5.4 加裝了投水裝置，模擬了戰場上的軍事用途

投水裝置設計了獨立的投水倉，在此機的機翼的重心線處，保證在投水之后，仍可以很平穩地飛行，投水倉。

5.5 優化了氣動布局，使用了更適合低速的小型無人機的翼型

高速翼型在小型無人機中無法應用，小型無人機的出現就是為了降低速度執行任務，只有使用合適的翼型才能達到想要的目的。

5.6 使用了舵面操控系統和動力系統分開的設計。

動力系統和舵面供電系統分為兩部分，在飛行過程中如果出現動力不足或者空中動力停車的狀況下，仍可以通過操控升降舵和V尾的混控滑翔降落。

5.7 一體化的云臺和投水裝置

云臺利用標準舵機的扭力實現了可收放的功能，一體化的云臺和投水裝置可以實現迅速拆卸更換。

6 實用性調研

無人機是通過對現有機型美國“沙漠鷹”偵察機的模仿和改進，實現了將“沙漠鷹”的長處應用于小型無人機，無人偵查機采用V形尾翼，它既可以起垂直尾翼的作用，也可以起水平尾翼的作用。 而且這個尾翼大仰角可控性很好。V尾翼方便其投入到軍用市場還，有利于隱身性能的提高。V形尾翼是為了減小浸濕面積，與常規平尾和垂尾上對應的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方向的投影。NACA研究表明，要獲得滿意的操穩性，V尾的尺寸需增大到其面積大約與所需的平尾和垂尾分開時的面積的總和相等，且操縱動作復雜，不過干擾阻力可以較低。

飛行實測，在2015年全國航空航天模型錦標賽對地偵察項目中獲得了全國亞軍，充分驗證了此機型雖然存在一些不足之處，但整體仍然是很優秀。