一種基于串列翼布局無人機的す丶參數設計與試飛驗證

付東金 劉吉順 姜鵬 瀚加娜?玉山江

摘要：針對串列翼布局飛行器的獨特氣動優點，設計了一款無人飛行器。主要確定串列翼飛機氣動部局的三個關鍵性參數①前后翼的機翼安裝角；②前后翼的水平距離；③前后翼的垂直距離。實現串列翼布局的氣動優化設計。繪制該型飛行器的設計圖紙，并進行制作。為其選裝相應的動力裝置，飛行控制裝置，進行試飛。通過試飛該機型表現出了良好的飛行狀態，具有滯空時間長，機動性好的優點。

關鍵詞：串列翼布局；飛行器；試飛

串列翼布局具有飛行高度高，滯空時間長的優點。在偵察、監視及航空測繪等領域會存在較大運用前景。在參考面積、翼展等機翼主要參數相同的情況下，串列雙翼布局無人飛行器的升力系數和升阻比較單機翼布局的大。其氣動性能要優于單機翼布局，且幾何尺寸要小，實用性更強，氣動性能的提升空間較大。

串列翼布局飛行器有一個前翼一個后翼。前翼與鴨翼很相似，但鴨翼主要用于配平和產生俯仰控制力矩，而串列翼的前翼主要用于產生升力。串列翼的前后機翼通常不處于同一平面，可以前翼在下，這樣前翼的下洗氣流不至于對后翼造成不利影響；也可以前翼在上，這樣可以利用前翼的下洗氣流為后翼上表面的氣流加速，增強后翼的升力。同時由于串列雙翼布局重心分布于兩翼之間，相對容易在產生升力時維持飛機的平衡其巡航氣動性能要略優于單機翼布局。[1]不論是哪種配置形式，其目的都是盡量減少串列翼布局的飛行器前后翼之間相互干擾。這一問題會導致后翼的升力減小，從而影響飛行品質。為此我們針對前后翼的三個主要參數進行優化設計。

1 前后翼關鍵氣動參數設計

1.1 前翼與后翼的安裝角

常規布局的單翼機其安裝角是影響機翼氣動特性的參數之一，對升力系數、零升力角、失速迎角和巡航阻力均有所影響，并且影響到飛機的起飛滑跑距離和機艙內的地板在巡航時的姿態。對于串列翼布局，前翼的安裝角可以影響氣流相對于后翼的下洗角度，從而影響后翼的壓力分布。為了盡量減小前翼對后翼的氣動干擾，使飛行器在大仰角爬升或者大角度轉彎時不易進入失速掉高或者失速尾旋的不受控狀態。前后翼安裝角分別為4度與2度，前后翼安裝角之差為兩度 ，這一設計使得飛機的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速。

1.2 前后翼之間的水平相對距離

前后翼之間的距離與飛行器的俯仰配平有關。單翼機的平尾一般會產生一個負升力用于配平，這樣會造成一定的升力損失。串列翼前后翼均產生正升力，飛機的重心在前后翼之間，可以將其形象的理解為“抬式”。為了提高了雙翼系統的氣動效率，我們采用前翼展長：前后翼焦點的距離：后翼展長=1：1：2這樣一個比例，如圖1。這樣設計，一方面減小前翼翼展長度，從而在翼展方向減小對后翼的干擾面積；另一方面增加前后翼之間的距離，從而增加了前翼下洗氣流到到后翼的最小距離，減小了下洗氣流對后翼下表面壓強的影響，增加后翼升力。

1.3 前后翼之間的垂直相對距離

串列翼布局之中，前后翼之間的垂直距離會對全機的升阻比帶來顯著的影響。前后翼之間垂直相對距離越大，后翼受前翼下洗氣流的影響越小[2]。同時考慮到利用前翼的下洗氣流為后翼增加升力。我們選取前翼上置，后翼下置的設計方案，如圖二。前翼的下洗氣流為后翼上表面氣流加速，減小后翼上表面壓強。通過XFLR5軟件對我們設計的串列翼布局進行流場分析得到如圖三所示前后翼壓強分布圖。可以看到后翼上表面受到前翼氣流影響的那一部分，機翼上表面的壓強明顯減小。這與我們之前的設想相符合。

2 總體設計

本項目所設計與研制的飛機為一款電動型固定翼飛機如圖四。飛機主翼翼展1.5米，空重2Kg。使用2814交流無刷發動機，在動力電池16.8v電壓下，該型號電動機額定轉速21000r/min，電機輸出軸配備9寸的櫸木螺旋槳螺距為6寸。

飛機主體結構采用優質的巴爾沙輕木制作，外部蒙皮采用超輕熱縮膜，機翼的根部翼肋和機身主要承力梁結構使用了單向碳纖維復合材料，這樣具有空重小，結構重量輕，業載大，制造成本低，加工工藝簡單等特點。

采用察打一體化設計。半開放式云臺吊艙設計，可以根據任務需求加掛不同模塊。采用兩軸增穩云臺，配合機載攝像頭與高清圖傳可實時傳回飛行畫面，偵查地面目標，發現目標后投放掛載物進行打擊。

3 試飛驗證

我們選取的一個微風的天氣，進行試飛。在空載的情況下，滑跑起飛距離僅為6.4m，第二次起飛嘗試了手拋的方式，依然成功起飛。手拋起飛的方式使得該型飛機具有野外簡易場地起飛的能力。

首先測試了該機的最大飛行時間。在空中通過飛控我們設置了半徑為40m的繞固定點飛行的航線。電池電壓在16.8v的時候起飛，到電壓為14.8v時降落，共在空中飛行了46分32秒，表現出了良好的飛行特性。相較于常規布局幾何尺寸和動力裝置相近的無人機飛行時間有一定程度的提升。

其次測試了該機的機動特性。在空中大仰角爬升時，不會像常規布局的飛機一樣會有明顯的失速掉高情況。能發現前后翼不同步失速這一現狀，當前翼先失速時，后翼并沒有失速，飛機爬升角會自動變低，從而進入一個新的平衡狀態。同時該飛機還能完成筋斗，橫滾這樣的特技動作，更加反映了該飛機優異的機動性能。

4 結語

通過對串列翼這一布局的研究，我們設計制作并成功試飛了這樣一款串列翼布局的無人飛行器。通過對串列翼三個關鍵參數的優化①前后翼的各自機翼安裝角為4度和2度；②前翼展長：前后翼焦點的距離：后翼展長=1：1：2這樣一個比例；③前翼與后翼之間一個合適的垂直距離，使前翼下洗氣流流過后翼上表面。這樣的三種方式能夠盡量減少前翼與后翼之間相互干擾影響的問題，同時增加后翼升力。通過試飛，該機表現出的飛行特點，與我們的設計基本符合。具有滯空時間長，操作性強，機動性好的優點。

參考文獻：

[1]李涵.淺談國內外串列雙翼無人機發展現狀[C].（第五屆）中國無人機大會論文集，20140915.

[2]李永澤，孫傳杰，盧永剛.串列翼布局前后翼相對位置對氣動特性影響研究飛機設計[J].2016，36（6）： 3236.

[JP3]基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目（IECAUC2017001）資助[JP]