可傾轉變形高層救援多旋翼飛行器總體設計*

石啟鵬，何曉萍，韓東，桑玉委

(南京航空航天大學 直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前，全世界一半以上的高層建筑在中國。全國擁有8層以上、超過24 m的高層建筑34.7萬幢，百米以上超高層6 000多幢，數量均居世界第一。據不完全統計，近10年，我國共發生高層建筑火災3.1萬起，死亡474人，直接財產損失15.6億元。目前，中國配備的舉高車大都在50 m以下，多數消防水槍、水炮的噴射高度也只有50 m多。可以說，50 m以上特別是超過100 m的樓層發生火災，除利用建筑內部消防設施外，消防救援裝備手段幾乎是空白[1-3]。

在過去的10年中，DJI,Freefly和Shotover等公司進行了大膽的探索創新,多旋翼無人機(UAV)在娛樂和商業領域都變得越來越普遍[4]。來自瑞士蘇黎世理工大學的Raffaello D′Andrea教授和美國賓夕法尼亞大學的Kumar vijay教授研制出八旋翼全向飛行器等一系列新構型的多旋翼飛行器[5]。陳勝等人研究了體積更小的二軸垂直起降飛行器[6]。劉曉琳等人利用巧妙的結構提升了多旋翼的起降和巡航性能[7]。

目前主流的工程應用多旋翼飛行器只能在槳盤平面內飛行，在應對復雜飛行空間環境以及特殊應用需求時，受到極大的局限。為改進多旋翼的飛行模式、拓寬多旋翼的應用領域，提出了可傾轉變形高層救援多旋翼飛行器總體設計，該設計顛覆了傳統多軸只能在槳盤平面內飛行的狀況，立體化了槳盤平面以適應各種復雜的飛行空間環境；創造性地將飛行器與消防機器人的理念結合起來，擺脫地面移動的不利條件，在應對高層火災中，能夠及時高效地深入火場實施主動救援；創造性地將六軸飛行器與球形外殼融為一體，其可以在飛行和地面運動2個形態間進行切換；利用可變形特性以及球形外殼實現靈活的高層地面機動，提高救援搜救效率；同時采用模塊化設計，致力于開拓未來飛行器更廣闊的應用前景。

傾斜旋翼無人機(tilt-rotor unmanned aerial vehicle,TRUAV)由于其獨特的旋翼結構而具有特殊的應用價值[8]。有很多針對傾轉旋翼機的飛行控制研究，以解決在傾轉過渡階段的氣動干擾以及控制耦合問題[9-11]。

該可傾轉多旋翼變形飛行器，與常規四旋翼或六旋翼的區別在于其各旋翼均可繞機臂軸相對機身旋轉，從而由欠驅動系統轉變為過驅動系統。相比于常規四旋翼系統，其非線性更強、耦合程度更高，給控制器的設計帶來更大困難[12]。

1 總體設計

1.1 設計構型

整機大致分為外殼和內部機體2部分，內部機體與外殼通過4只輪子聯接。在球形滾動運動狀態下，內部機體能夠保持豎直狀態。整機結構如圖1所示。

1.2 設計參數

針對執行高層救援任務的客觀要求，對飛行器尺寸、承載能力、飛行升限以及續航時長提出了設計要求，設計參數如表1所示。

1.3 救援流程

救援流程可以分為3個階段:第1階段就是火情信號的傳遞接收；第2階段是利用母機搭載一系列的子機抵達災情現場；第3階段是部署階段，子機部署為2支編隊，一隊負責在高樓周圍進行火情態勢監控;另一隊負責深入火場實施一系列的救援活動。具體流程如圖2所示。

2 設計創新點

2.1 六軸獨立式傾轉動力

六軸可以各自產生不同的傾轉角，使機體在大傾斜角姿態維持穩定狀態，突破了多軸飛行器只能在槳盤平面內飛行的局限性。這樣設計帶來的增益是，當飛行器所處的空間環境復雜時，可以對機體進行姿態調整，這樣很大程度提高對環境的適應性，擴展了應用場景。傾斜后的機體姿態以及傾轉機構分別如圖3,4所示。

2.2 可折疊槳葉

當從飛行狀態切換回地面運動狀態時，需要將外伸槳葉收縮回球形殼體內。在保證槳葉能夠完全收縮回外殼中，且不干涉以及不重疊的前提下，折疊槳葉的半徑尺寸較非折疊槳葉增加了70%，可提供更大的飛行動力。其折疊后的狀態如圖5所示。

1—外殼-固定;2—面罩球容器;3—輔助輪;4—上支架;5—外殼—移動;6—可移動槳葉單元;7—傳動齒輪;8—驅動輪;9—下支架;10—電池組及其容器;11—滅火小球容器;12—齒條;13—中間層支架;14—通訊天線;15—傳感器容器。圖1 整機結構三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the whole machine structure

表1 整機性能設計參數Table 1 Machine performance design parameters

2.3 可伸縮軸臂

調節每組槳葉單元的伸出量，產生不同大小的控制力矩，對機體進行姿態控制。傳動機構利用了齒輪齒條機構，利用電機直接驅動齒輪，靈活控制軸臂的外伸量。推出槳葉單元的過程示意圖如圖6所示。

2.4 形態變換

飛行器形態變換既保護機體內部結構，又增強了多種場景適應性；球狀的是地面運動時的狀態，在惡劣的工作條件下，為了保證槳葉、電機以及內部器件結構不受高溫煙塵等的不利影響，用球形外殼包裹。球形外殼的選材具有耐高溫、強度大、隔熱等特性(選材下文有講)。3種形態如圖7所示。

圖2 救援流程圖Fig.2 Rescue flow chart

機體產生δ°(δ<α)的姿態角:1—軸1傾轉α°;2—軸2傾轉β°;3—軸3傾轉-β°;4—軸4傾轉-α°;5—軸5傾轉-γ°;6—軸6傾轉γ°。圖3 機體姿態角調整示意圖Fig.3 Body attitude angle adjustment diagram

圖4 槳盤傾轉機構Fig.4 Paddle disc tilting mechanism

圖5 可折疊槳葉Fig.5 Foldable blade

圖6 軸臂伸縮機構Fig.6 Axle arm telescopic mechanism

圖7 球形狀態Fig.7 Spherical state

2.5 地面任意方向機動

內部結構與球形外殼間是通過驅動輪與輔助輪接觸聯接，殼內機構的重心在中線以下，因此能夠保持豎直狀態。2個驅動輪反轉，內部機構則會在殼內繞z軸轉動；驅動輪同向同速轉動，重力作用下，外殼會被推動著前進或者后退；驅動輪差速轉動時，外殼將不會再以直線運動，運動軌跡將會產生偏轉。在上述3種基礎運動的綜合作用之下，整機外殼將能作出任意方向的移動。

3 總體性能建模分析

3.1 螺旋槳氣動力模型與分析

(1) 翼型選用及槳葉設計

鑒于共軸雙旋翼[13]相比于常規的單旋翼效率較高、占據空間較小、且上下2個槳盤轉速相反時傳遞到飛行器的反扭矩為0等優勢，本文選用雙槳葉、六軸獨立式螺旋槳為機體提供動力。螺旋槳常用翼型為RAF-6，Clark-Y，ARA-D和C4翼型[14]，給定密度、溫度和雷諾數等工作條件，對比4類翼型的性能。

應用profili軟件計算所選翼型的各類氣動參數時，需選擇Ma=0,雷諾數Re根據翼型工作條件估算得到：

(1)

式中：v為特征速度，對應到計算環境中應為單個翼型的旋轉線速度，即Ωr為144 m/s；l為特征長度，此處取翼型平均弦長；μ為空氣粘性系數，隨溫度的增加而增加，此處取1.91×10-5Pa·s;ρ為干燥工作環境下的密度，標準大氣下值為1.225 kg/m3。考慮到救援飛行器的工作環境為溫度高且煙霧大的火災現場，需對這一條件作如下假設：火災現場，空氣中增重最明顯的成份是CO2，正常環境中的CO2含量在0.06%左右，濃煙中的含量則可達到0.2%～2%左右，按此配比計算，取空氣密度為3.675 kg/m3。由此計算得到雷諾數約為2.5×105。

下面列出所選幾款翼型的升力系數、升阻比及力矩系數隨攻角變化的比較，分別如圖8～10所示。

圖8 升力系數比較Fig.8 Lift coefficient comparison

圖9 升阻比比較Fig.9 Comparison of lift-to-drag ratio

圖10 力矩系數比較Fig.10 Torque coefficient comparison

綜合以上分析，從追求最大升力的角度出發，并考慮飛行器整體穩定性，可選擇升阻比和極曲線增加都比較平緩的Clark-Y翼型。考慮到救援飛行器的特殊飛行任務需要盡可能大的升力系數而且無人搭載，故氣動力系數應首先考慮升阻比，故選擇升阻比輪廓線更廣的、升阻比更大的Clark-Y翼型。槳葉的設計參數如表2所示。

表2 槳葉設計參數Table 2 Blade design parameters

(2) 螺旋槳氣動力模型的建立

螺旋槳氣動力模型基于葉素理論和動量理論建立，并通過數值積分計算螺旋槳力與力矩。螺旋槳的尺寸小轉速大，考慮軸向誘導速度之外還需考慮周向誘導速度，且由于其前飛速度較小，故可采用軸流狀態下的螺旋槳計算模型代替小速度前飛計算模型。

采用動量理論求解螺旋槳誘導速度[15]，假設氣流為不可壓縮理想氣體，通過槳盤產生的拉力均勻分布。來流通過螺旋槳槳盤示意圖如圖11所示，v0為飛行器前飛速度，由于滑流作用，軸向速度分量增至vx，周向速度分量由于螺旋槳旋轉誘發的氣流旋轉降至vθ。

圖11 氣流通過螺旋槳槳盤情況Fig.11 Airflow through the propeller paddle

設a和b分別為軸向入流因子和旋轉入流因子，則可將兩速度分量表示為

vx=v0(1+a),

(2)

vθ=(1-b)Ωr,

(3)

式中：Ω，r分別為螺旋槳的轉速和半徑。

由動量定理可得，螺旋槳產生的拉力等于單位時間內通過槳盤動量的增量，即拉力表達式為

T=ρAvx(vsx-v0),

(4)

式中：A為槳盤參考面積;vsx為來流進入滑流區速度在軸向的分量。

由伯努利方程和能量守恒定理，來流在槳盤處的速度增量是滑流速度增量的一半，即

(5)

聯立式(2)，(4)，(5),可得螺旋槳的拉力表達式為

T=2ρAv02(1+a)a.

(6)

周向來流速度變化與軸向相似，根據角動量理論，螺旋槳產生的扭矩等于單位時間內槳盤上角動量的變化量，即

Q=ρArvx(vsθ-0),

(7)

式中：vsθ來流進入滑流區后速度在角速度方向的分量。由角動量守恒定理，槳盤周向誘導速度為滑流區角速度增量的一半可得

(8)

聯立(3),(7),(8),可得螺旋槳扭矩表達式

Q=2ρAr2v02(1+a)bΩ.

(9)

葉素升阻力系數表達為

(10)

(11)

式中：c為螺旋槳槳葉弦長;Cl,Cd為翼型升阻力系數，螺旋槳葉素受力如圖12所示。

圖12 螺旋槳槳葉葉素Fig.12 Propeller blade

轉化成拉力和扭矩為

dT=dLcosφ-dDsinφ,

(12)

dQ=r(dLsinφ+dDcosφ).

(13)

前文誘導速度也給出了拉力表達式，可由式(6)，(7)計算環帶的槳盤拉力和力矩：

dT=4ρπrv02(1+a)adr,

(14)

dQ=4ρπr3v02(1+a)bΩdr,

(15)

聯立式(12)～(15)，通過迭代方法可求解dT,dQ,a,b的值，進而求解螺旋槳的拉力和扭矩。

(3) 螺旋槳性能分析

下面將探討螺旋槳槳葉扭轉角對飛行性能的影響，選擇一個槳葉最優扭轉角。

由于存在損失，螺旋槳的效率表達為

(16)

式中：ns為螺旋槳轉速;D為螺旋槳直徑;T,CT分別為螺旋槳拉力及拉力系數;P,Cp分別為功率及功率系數。

圖13給出了前飛速度為5 m/s時，螺旋槳不同負扭角下的螺旋槳效率隨拉力系數的變化。根據所選電機額定轉速8 100 r/min，螺旋槳相對應額定轉速下的拉力系數集中在0.17～0.25之間。負扭角在拉力系數為0.20～0.24時，負扭角為 5°的螺旋槳效率明顯高于其他角度，故選擇螺旋槳的扭轉角為-5°。

圖13 槳葉扭轉角對飛行性能的影響Fig.13 Influence of blade torsion angle on flight performance

如圖14所示，給出了單個螺旋槳在懸停、10 km/h爬升、20 km/h爬升狀態下的氣動力計算結果。螺旋槳轉速一定時，爬升速度對螺旋槳拉力的影響較小。在額定轉速下，本飛行器在懸停和爬升過程中均滿足拉力設計參數。

3.2 電機、電池、螺旋槳選型

給定飛行條件選用電機。電機功率表達為

(17)

當v0為10 m/s時，軸向誘導因子約為0.9，計算得到單個電機功率為352 W。

電機質量包括裸機質量和電池質量。其中，若輸出端得到功率為P的能量，需要的電池的質量me為

圖14 不同爬升速度下螺旋槳拉力隨轉速變化情況Fig.14 Propeller tension with rotation speed under different climbing speeds

(18)

式中：ηb=0.95為鋰電池轉化效率；ρb=230為鋰電池能量密度，單位Wh/kg；t=0.3 h，為設計飛行時間。計算得到me為622 g。

由氣動力計算校驗了整機承重20 kg,則單個螺旋槳承重表達關系應為

(19)

為其選擇型號為U7-V2.0 KV490的電機，配套螺旋槳參數如表3所示。此時電機8 100 r/min所對應的的拉力大小3 680 g，大于單個電機最大承重；此時槳盤載荷為

(20)

表3 選用螺旋槳參數Table 3 Propeller parameters

計算得到槳盤載荷為22.2 kg/m2，在20～45 kg/m2區間內，滿足槳盤設計要求，電機可用。

3.3 材料的選用

救火飛行器的外殼應分為兩層結構，從外到內依次為阻燃耐火材料層和隔熱層。查閱相關文獻[16]，根據救援飛行器所要求的材料性能，綜合各項性能的優劣及飛行器需求，選用聚苯硫醚。

另外，為了保證飛行器高溫條件不影響飛行器內各設備的正常工作，需要在飛行器的表面涂裝有機硅復合材料涂料保護，該涂料在 1 300 ℃時具有不超過10%的質量損失，具有良好的隔熱效果，同時涂料的透波率均在90%以上，以保證飛行器在高溫環境下內部儀表能正常工作,使飛行器在長期經受200 ℃以上溫度時仍能保持適當的物理機械性能，起到保護作用。

4 結束語

本文介紹了一款新構型可傾轉動力的高層救援變形多旋翼飛行器，針對性地進行了總體設計。經過氣動參數對比，最終選用Clark-Y翼型。此外，通過計算得到最優槳葉扭轉角，并對其總體性能進行了建模分析。通過計算與選型，得到了滿足設計條件的電機、螺旋槳等主要部件的型號。在飛行狀態下，整機能夠達到8.5 kg的凈載重以及0.5 h的續航表現。其有能力攜帶救援物資和裝備深入火場進行主動救援，延長受困人員的黃金救援時間。本文并沒有涉及控制以及智能環境感知和交互的內容，后續工作將致力于這些方面的研究。