涵道無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

戴銘澤 任正豪 黃思遠(yuǎn) 伊楠

摘 要：現(xiàn)如今涵道無(wú)人機(jī)的研發(fā)和發(fā)展備受注目，但是與之相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等理論和方法還都有待深入化的研究，涵道式飛行器尚有極大的研發(fā)空間。涵道無(wú)人機(jī)是以涵道為飛行器主體的、涵道內(nèi)裝有旋翼或螺旋槳裝置的一類新型結(jié)構(gòu)的飛行器。該飛行器可以垂直起降，也可懸停航行。該飛行器結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)方面的設(shè)計(jì)獨(dú)具特色，本文對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的描述和綜合的分析。并圍繞目前涵道無(wú)人機(jī)仍存在的問(wèn)題提出了見(jiàn)解。且對(duì)涵道無(wú)人機(jī)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：涵道無(wú)人機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 空氣動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0015-02

涵道式無(wú)人機(jī)，為涵道式單旋翼無(wú)人機(jī)的簡(jiǎn)稱，是以涵道為飛行器主體的，涵道內(nèi)裝有旋翼或螺旋槳裝置的一類新型結(jié)構(gòu)的飛行器。該飛行器可以垂直起降，也可懸停航行。相比較于傳統(tǒng)形式的旋翼無(wú)人機(jī)，涵道無(wú)人機(jī)具備優(yōu)勢(shì)如下：

（1）低空、低速、耐低溫。

（2）可空中懸停。

（3）超大外載。

（4）自主導(dǎo)航。

（5）隨機(jī)起降。

（6）噪音低，隱蔽性更好。

1 涵道無(wú)人機(jī)總體布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 涵道無(wú)人機(jī)的總體布局

涵道無(wú)人機(jī)由涵道主體、尾部導(dǎo)流板和螺旋槳三大部分的構(gòu)造共同組成。本文以i-STAR為代表進(jìn)行介紹，如圖1所示。該機(jī)體可大致劃分為上部中間體、下部中間體、涵道殼體和起落架四部分構(gòu)造。上部中間體是圓柱形外形的機(jī)體撐持構(gòu)造，內(nèi)部包含活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳及有效載荷等。發(fā)動(dòng)機(jī)使用OS-32SX引擎。螺旋槳是直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的定距槳。由8個(gè)固定翼板將下部中間體穩(wěn)固于涵道中間，下部中間體內(nèi)安裝了傳感器板。經(jīng)過(guò)固定翼板中的導(dǎo)線將數(shù)據(jù)傳遞給位于涵道殼體中的管制計(jì)算機(jī)。涵道外徑寬為228mm，其腔體具備充足的空間，油箱、變壓器、電池、飛控計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)和指令接收器都安裝于涵道殼體內(nèi)。涵道的內(nèi)部為8個(gè)固定片，固定片會(huì)具有一定的轉(zhuǎn)角以使經(jīng)過(guò)氣流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。固定片下方裝有的控制翼能夠產(chǎn)生不同航行方式所需的力矩。其他種類的涵道無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與上述形式相近，不過(guò)會(huì)有不同的涵道構(gòu)造、轉(zhuǎn)矩對(duì)消的方式和姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)。

1.2 涵道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)

涵道作為一種可類比于環(huán)形的機(jī)翼在低空速下增加了推動(dòng)力。且在各種航行傾角都能夠提供氣動(dòng)升力。并且將飛行器升力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)了起來(lái)。涵道式旋翼除了有與普通旋翼一樣產(chǎn)生的拉力外，涵道內(nèi)壁也會(huì)產(chǎn)生附加的升力。孤立的螺旋槳會(huì)因產(chǎn)生滑流損耗很大一部分的功率，但是涵道內(nèi)壁可將有損耗的滑流也轉(zhuǎn)換成推動(dòng)力。這也是螺旋槳的效率小于等同直徑的涵道風(fēng)扇的效率的緣由之一。

涵道升力系統(tǒng)的效率是涵道氣動(dòng)構(gòu)造決定的，欲提高涵道無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)效率需關(guān)注以下結(jié)構(gòu)參數(shù)：（1）螺旋槳的槳盤面積與涵道出口面積之比；（2）涵道剖面翼型的抉擇；（3）涵道截面的長(zhǎng)與寬之比。

螺旋槳位于涵道內(nèi)壁入口的1/3處的時(shí)候，涵道產(chǎn)生的升力為最大值。通過(guò)縮小螺旋槳的槳盤與涵道內(nèi)壁的間距能夠用來(lái)增加涵道的增升效率，因此涵道飛行器應(yīng)選擇與涵道內(nèi)壁直徑尺寸比較接近的螺旋槳。

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)的選擇

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3kg以上的涵道無(wú)人機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置應(yīng)選擇燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。主要原因?yàn)槿加桶l(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的功重比的優(yōu)點(diǎn)。而燃油發(fā)動(dòng)機(jī)排放熱空氣、噪音大、易被偵查設(shè)備發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)也可以通過(guò)涵道的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)優(yōu)化或應(yīng)用其它措施加以改進(jìn)。但需要考慮以下3點(diǎn)。

（1）飛行器質(zhì)心會(huì)因燃油的耗費(fèi)而發(fā)生偏移，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小因燃料量變化對(duì)質(zhì)心的影響。

（2）活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出噪音大，應(yīng)采取降噪的構(gòu)造。

（3）應(yīng)將廢氣進(jìn)行降溫處理后再排放。

1kg以下的微型飛行器的動(dòng)力裝置多數(shù)采用電機(jī)，且一般用拖纜進(jìn)行供電。

1.4 涵道無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方式

涵道無(wú)人機(jī)平衡螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的兩種主要方式如下：

（1）共軸雙槳對(duì)轉(zhuǎn)。為抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，采用了共軸的雙旋翼等速對(duì)轉(zhuǎn)來(lái)相互抵消，一般需要復(fù)雜的傳動(dòng)構(gòu)造或者應(yīng)用兩套動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)完成雙旋翼的對(duì)轉(zhuǎn)。

（2）單旋翼加導(dǎo)流翼板。在涵道尾部出口安置數(shù)片導(dǎo)流翼板（見(jiàn)圖2），翼板與下洗氣流間有一定的攻角，故飛行過(guò)程中翼片會(huì)產(chǎn)生一定的力矩來(lái)抵消螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

因?yàn)檩S雙槳構(gòu)造比較復(fù)雜，而單旋翼加導(dǎo)流翼板的方式構(gòu)造簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，所以如今涵道式無(wú)人機(jī)多數(shù)采用單旋翼加導(dǎo)流翼板的方式。

1.5 涵道無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制

涵道無(wú)人機(jī)具備6個(gè)航行的自由度，為s、y、z軸三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和圍繞此三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)斜盤來(lái)控制航行姿態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。多數(shù)為利用翼片（導(dǎo)流板）來(lái)控制航行姿態(tài)。主要由涵道風(fēng)扇來(lái)提供升力。運(yùn)用涵道下洗流對(duì)固定或可調(diào)翼板的作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的控制和周向轉(zhuǎn)矩的抵消。故可懸停，也可近似地高速度水平航行，如圖3所示。

2 涵道無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題

（1）仍有部分涵道風(fēng)扇技術(shù)問(wèn)題。例如：作為飛行器主體的涵道風(fēng)扇的構(gòu)造特點(diǎn)、在低速大攻角情況微小型的涵道風(fēng)扇的氣動(dòng)特性理論等，至今均還沒(méi)有成熟的理論和牢靠的論斷。

（2）涵道式飛行器會(huì)在涵道本體的尾部安裝有姿態(tài)控制組件，其構(gòu)造的組合方法有很多種；處于涵道與姿控組件復(fù)合流場(chǎng)中會(huì)有舵片，飛行器靈活機(jī)動(dòng)的關(guān)鍵就在于其組合的氣動(dòng)性能的好壞，故如何克服并解決此類技術(shù)問(wèn)題依然是涵道無(wú)人機(jī)研究范疇的重點(diǎn)內(nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

涵道無(wú)人機(jī)擁有多種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以現(xiàn)如今的研發(fā)和發(fā)展備受注目，但是與之相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等理論和方法還都有待深入化的研究涵道式飛行器尚有極大地研發(fā)空間。涵道無(wú)人機(jī)亦可作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)與其他各種機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合而開(kāi)發(fā)出新型產(chǎn)品。隨著研究深入化，在不遠(yuǎn)的將來(lái)以涵道式無(wú)人機(jī)為主體的相關(guān)產(chǎn)品必將得到大力推崇。

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