一款改進型鴨式布局無人機研發

吳康明 李志軒 袁正明 肖光勇 鐘宏

摘要：本項目旨在設計一款改進型鴨式布局無人機，并對改進型鴨式布局飛行器的布局設計進行研究。該鴨翼無人機布局類似“彩虹3“無人機，采用前后雙翼設計。相較于常規布局，該無人機具有前后雙翼共同產生升力的優點。但這也導致無人機在設計方面與常規布局飛機存在較大的差異。因此對飛行器的布局研究對無人機的設計制作具有重要意義。

關鍵詞：電動；自主設計制作；改進型鴨式布局；無人機

隨著炮火，空中發射，火箭發射和個人巡邏巡邏，個別士兵的巡邏需要在發射前折疊并安裝在筒內。機翼區域受發射管尺寸的嚴重限制，傳統的無人機布局不能有效提高負載率。

串聯機翼布局提供前后翼對的升力，因此在有限的尺寸約束下，載荷比可以有效提高，并廣泛用于筒式發射器的最新開發。然而，傳統的串聯機翼“工”字布局在前翼和后翼之間存在相互干擾，并且前翼和后翼產生的氣動力存在很大差異。前翼的氣動效率高于后翼，翼角為0°。當時，前翼必須位于后翼失速和其他問題之前。本項目改進后的鴨式布局無人機在一定程度上克服了這些問題。

1 研究目標

目前我們在改進型鴨式布局無人機的設計中有以下目標（1）翼型選擇。（2）鴨翼無人機的前后雙翼設計。前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對位置等都決定了飛機的升力配平和重心設置。（3）前后雙翼與機身的匹配設計，要求兩者之間相互協調，保證飛機的穩定性和操作性，減少前后翼之間氣流的相互干擾。（4）將改進型鴨式布局無人機的系列布局進行分析研究，得出設計的數據成果。

2 工作基礎

我們已有該項目的前期制作探索和數據研究，探索性地制作過一款鴨翼無人機的技術驗證機。該技術驗證機具備一定的穩定運行性能，并為以后整個飛行器的設計提供了依據。

3 項目研究內容

機翼結構：基于正交試驗法，采用雷諾平均 NS方程，并引入 SA 湍流模型，用數值方法模擬了改進型鴨式布局無人機整機流場，通過計算分析后，可以得出以下幾點結論：（1）改進型鴨式布局在前后翼水平距離和翼差角固定不變的情況下，前后翼垂直距離對整機氣動性能有一定影響。當前翼在上后翼在下時，無人機有較好的氣動性能。（2）通過分析表明，無人機前后翼安裝角對整機氣動性能有較大影響，兩機翼安裝角較大時，無人機有更高的氣動性能。（3）改進型鴨式布局的前翼對后翼有一定干擾，前后翼氣動力存在一定差別。在迎角較小時，前翼的升力系數大于后翼，而阻力系數略小于后翼。當迎角較大時，前翼的升力系數和阻力系數都大于后翼，總體來說，前翼的氣動性能優于后翼。

因此前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對位置的設置等問題是機翼結構設計的關鍵。

飛機整體結構：第一是改進型鴨式布局無人機需要設計理想的飛機整體氣動外形，包括機身、機翼及其他操縱面的協調與平衡，實現長時間的滑翔性能和空中低速的操縱性，同時保證飛機在三軸的穩定性和操縱性。第二是保證飛機整體的結構強度，由于飛機需要實現日常任務和作業，所以飛機在實際操縱中降落過程的距離很短。因此要求飛機整體具備較高強度。第三是對飛機細節調整，減輕飛機重量，包括局部采用碳纖維復合材料，全機身防震等，保證飛機的穩定操縱和飛行的方便性，實現飛行過程中的飛行穩定，提高實用價值。

4 設計成果

（1）“1：1：2”的串列雙翼布局使飛行器的升力系數和升阻比有了顯著提高并減小了前翼展長，增加前后翼之間的距離，減小前翼對后翼的干擾。這些設計使飛機在低速時仍能保持足夠升力。

（2）串列翼安裝角分別為4度與2度，攻角差為2度 ，這使得飛機的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速，使得飛機在快速爬升或大角度滾轉時仍能保持良好的失速性能及機動性。

（3）飛機采用四副翼布局。通過混控控制，在爬升時四個副翼中前翼向下，后翼向上，極大提高了飛機的爬升性能和機動性，相較于常規布局有明顯的提高。

（4）采用半開放式云臺吊艙設計，可以根據任務需求加掛不同模塊，目前采用無刷增穩云臺配高清8倍光學變焦攝像頭，適用于快速移動的低空偵察和靜態物體的高空偵察，并與投彈倉配合實現精確打擊。

（5）飛機采用合頁轉軸與卡扣的折疊緊固方式，實現了飛機的小型化便攜化，手拋起飛，擺脫了起飛場地限制，運用范圍更加廣泛。

5 主要創新點

（1） 改進型鴨式布局無人機布局的研究，通過設計較理想的前后翼面積比例、安裝角以及相對位置的設置，在一定程度上克服常規串列翼存在的問題。（2）研究改進型鴨式布局無人機制作的模塊化，提高無人機實用性。（3）提高無人機的功能性，爭取應用于軍事和民用。

6 實用性調研

增加對改進型鴨式布局無人機實用性的研究，通過解決以上問題從而真正開發出改進型鴨式布局無人機的可行性與實用性，將改進型鴨式布局無人機真正參與到民用或者軍用中去。