一種多功能低空固定翼無人飛行器

李云飛

摘?要：近年來，我國低空空域開放政策秉承“最大程度利用，最小程度限制”的理念，允許私人飛機(jī)不需軍方批準(zhǔn)即可在一千米以下的空域飛行，至此，低空無人飛行器，勢必將成為研究熱點(diǎn)。本研究適當(dāng)依托較為先進(jìn)的飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化技術(shù)，充分采用新材料和現(xiàn)有成熟技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款“小型多功能低空固定翼無人飛行器”，既能承擔(dān)通用航空航拍、廣告、氣象探測等常規(guī)任務(wù)，又能完成電子干擾、靶機(jī)、誘敵、空中布雷等軍用航空簡單任務(wù)。

關(guān)鍵詞：多功能;氣動布局;靶機(jī)懸停;隱身懸停

1?設(shè)計(jì)理念

“一種小型多功能低空固定翼無人飛行器”，以“多功能”和“微型”為目標(biāo)，既能承擔(dān)通用航空的賦予的常規(guī)任務(wù)，又能滿足軍用航空提出的簡單要求。為了實(shí)現(xiàn)“微型化”和“輕量化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)時突破傳統(tǒng)思維定勢，恪守“結(jié)構(gòu)盡量簡單，系統(tǒng)高度集成，新型材料首選，軍用民用兼顧”設(shè)計(jì)原則，充分采用新材料和現(xiàn)有成熟技術(shù)，適當(dāng)依托較為先進(jìn)的飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化技術(shù)，拓寬視野，精心設(shè)計(jì)一款多功能、高效能、低成本、應(yīng)用廣的小型無人飛行器。

2?作品簡介

“一種小型多功能低空固定翼無人飛行器”，采用中等展弦比下單翼與水滴形籠式機(jī)身融合而成，在機(jī)翼翼尖采用翼稍帆片設(shè)計(jì)，尾翼采用高水平尾翼雙垂尾布局;整個飛機(jī)采用隱身外形設(shè)計(jì)，下翼面噴涂吸波油漆;上翼面敷設(shè)高效太陽能電池板，動力裝置采用前拉后推的雙動力、雙能源模式;起落架采用帶有機(jī)械減振裝置的固定式后三點(diǎn)方式。根據(jù)所擔(dān)負(fù)任務(wù)的不同，飛機(jī)可選用機(jī)翼升力飛行和氦氣球浮力懸停兩種工作模式。飛機(jī)的放飛分滑跑起飛與機(jī)載投放兩種方式;回收方式分水平滑跑回收與浮力垂直回收兩種方式?！耙环N小型多功能低空固定翼無人飛行器”技術(shù)數(shù)據(jù)：翼展：900mm;展弦比：2.14;機(jī)長：810mm;正常起飛重量：6kg;翼載荷：20kg/m2;最大飛行速度：120km/h;巡航速度：90km/h;最大升限：4km;懸停時間：4小時以上（3級風(fēng)力以下）;續(xù)航時間：25分鐘（機(jī)載電池）;45分鐘（太陽能電池）。

（1）氣動布局。為了突出飛機(jī)的低速性能和、高升阻比，采用流線型機(jī)身與中等展弦比梯形機(jī)翼以下單翼的方式融合，尾翼采用雙垂尾形式。為了隱身，飛機(jī)在外形上做了以下設(shè)計(jì)：在全機(jī)各面之間不出現(xiàn)直角，不產(chǎn)生直角反射[1]，利于減小飛機(jī)的RCS。機(jī)翼及水平尾翼前緣后掠35°，機(jī)翼及水平尾翼后緣前掠35°;機(jī)翼采用下單翼設(shè)計(jì)，下表面與機(jī)身底部融合成一個平面。機(jī)體下方除起落架外，沒有其他外掛，設(shè)備艙門前后方向的邊緣為鋸齒形。機(jī)翼中翼采用升阻性能好的NACA230翼型，外翼采用失速性能好的NACA44翼型，外翼上反8°。右翼翼尖前部安裝有全、靜壓管（空速管）。機(jī)翼端部采用翼稍翻片設(shè)計(jì)，可以利用側(cè)風(fēng)提供推力，也可將翼尖的來流“梳理”成均勻的氣流，將集中的翼尖渦流分割的更加細(xì)小[2]。翼稍帆片的幾何參數(shù)：長度50mm;根弦弦長16mm;稍弦弦長8mm;翼稍帆片翼型：NACA63012翼型;扭角：15°;帆片與翼尖弦線的上反角（自前往后）依次為30°、15°、0°。安裝翼稍帆片，降低了翼尖處的旋渦阻力，全機(jī)誘導(dǎo)阻力約降低29%，升阻比可提高25%。

（2）飛機(jī)遙控通道設(shè)計(jì)。全機(jī)遙控通道分為運(yùn)動遙控通道與任務(wù)遙控通道兩大類，共計(jì)以下11個遙控通道。飛機(jī)的運(yùn)動與任務(wù)指令由地面遙控器發(fā)給機(jī)上接收天線，經(jīng)過CPU最后傳給相應(yīng)的舵機(jī)，從而控制飛機(jī)的運(yùn)動和執(zhí)行預(yù)期的任務(wù)。

（3）動力與能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。前發(fā)動機(jī)：電機(jī)選用4250kv780電機(jī)，搭配14.8v電池;螺旋槳選用14×7固定距雙葉彈性復(fù)合材料螺旋槳，提供拉力3kg。后發(fā)動機(jī)：由鈦太陽能電池陣列供電[5]。電機(jī)選用B20-15-8型無刷太陽能電機(jī);螺旋槳選用11×7固定距雙葉彈性復(fù)合材料螺旋槳，提供拉力2kg。

（4）懸停系統(tǒng)。隱身懸停：當(dāng)執(zhí)行偵察類任務(wù)時，釋放隱身輕質(zhì)氦氣球。隱身輕質(zhì)氦氣球表面噴涂一層灰黑色吸波涂層[3]，以減小RCS。懸停系統(tǒng)的核心控制部件是膜盒組件，膜盒是密封的，隨著外界氣壓的下降而伸長。膜盒組件的工作原理是，當(dāng)飛機(jī)高度低于規(guī)定高度時，膜盒收縮，將電磁充氣閥控制電路接通，高壓氦氣瓶中的氣體充入隱身氦氣球，隨著氦氣球體積的增大，升力逐漸增大，飛機(jī)高度逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定高度時，膜盒膨脹使電磁閥控制電路斷開，隱身氦氣球停止充氣，飛機(jī)便懸停在規(guī)定高度;當(dāng)飛機(jī)高度下降時，膜盒收縮，將電磁充氣閥控制電路接通，再次給隱身氦氣球充氣，使飛機(jī)上升到規(guī)定高度。靶機(jī)懸停：當(dāng)執(zhí)行靶機(jī)、誘敵類任務(wù)時，釋放靶機(jī)輕質(zhì)氦氣球。靶機(jī)輕質(zhì)氦氣球的表面鍍有一層亮光金屬薄膜，且布滿頂角為直角三棱錐的小坑將雷達(dá)反射波原路反射回去，以增大RCS[4]。膜盒組件工作原理同隱身懸停。

（5）飛機(jī)的回收。飛機(jī)的回收方式分水平滑跑回收與浮力垂直回收兩種。當(dāng)有開闊平坦的道面場地可供使用時，宜采用水平滑跑回收方式;當(dāng)回收場地狹小或不平整時，宜采用浮力垂直回收方式。

3?創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1）隱身設(shè)計(jì)。①氣動隱身。在全機(jī)各面之間無直角;機(jī)翼下表面與機(jī)身底部融合為一個平面;機(jī)體下方除了起落架外，沒有其他外掛，設(shè)備艙口前后方向的邊緣為鋸齒形，以上設(shè)計(jì)均有效減小了飛機(jī)的RCS。②材料隱身。除了機(jī)身承力梁外，全機(jī)其余承力部件及蒙皮材料均為輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合隱身材料。③涂料隱身。在機(jī)翼、水平尾翼下表面、機(jī)身表面均噴涂吸波油漆，隱身氦氣球表面也噴涂吸波涂層。

（2）氦氣球浮力懸停系統(tǒng)設(shè)計(jì)。遙控操縱飛機(jī)由飛行狀態(tài)進(jìn)入懸停狀態(tài);飛機(jī)高度在膜盒裝置的控制下能夠自動調(diào)整，確保飛機(jī)在預(yù)訂的高度上工作;飛機(jī)懸停任務(wù)結(jié)束后，投放氦氣球使飛機(jī)轉(zhuǎn)入飛行狀態(tài)。

（3）翼稍帆片設(shè)計(jì)。在機(jī)翼翼尖處設(shè)計(jì)三片翼稍帆片，改善翼尖流場，使全機(jī)誘導(dǎo)阻力約降低29%，升阻比可提高25%。

（4）雙能源、雙動力設(shè)計(jì)。雙動力可以提高飛機(jī)的飛行性能和可靠性，可以根據(jù)具體情況靈活使用電能或太陽能能源。①前發(fā)動機(jī)牽引。位于機(jī)頭的前發(fā)動機(jī)由機(jī)載電池供電，產(chǎn)生向前的牽引力，發(fā)動機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)。②后發(fā)動機(jī)推進(jìn)。位于機(jī)身尾部的后發(fā)動機(jī)由太陽能電池供電，既可產(chǎn)生向前的推力，也可產(chǎn)生著陸滑跑時所需的向后的制動力，發(fā)動機(jī)可以雙向旋轉(zhuǎn)。

（5）雙放飛方式設(shè)計(jì)。①滑跑起飛。從地面場地自行滑跑起飛升空，此時前、后發(fā)動機(jī)同時工作。②機(jī)載空投。由其他飛機(jī)掛載飛行到預(yù)定高度后，在空中投放。打開發(fā)動機(jī)使飛機(jī)進(jìn)入飛行或懸停狀態(tài)。

（6）雙回收方式設(shè)計(jì)。①水平滑行回收。飛機(jī)在地面遙控下在跑道上著陸滑行，然后回收。②垂直浮力回收。飛機(jī)在地面遙控下在回收場地釋放機(jī)載氦氣球，沿垂直方向緩慢下降到地面，然后回收。

（7）空中布雷。將自帶旋翼和電池的微型空雷投放到敵機(jī)飛行區(qū)域并浮空，損傷飛行中的敵機(jī)。當(dāng)我機(jī)飛入該空域前，由地面通過“布雷遙控通道”發(fā)出指令，關(guān)閉所有浮空狀態(tài)空雷的旋翼，空雷在自重作用下自由落體，“自凈”空域。

4?結(jié)語

低空無人機(jī)是近年來科學(xué)研究和市場消費(fèi)的一個熱點(diǎn)，在四軸飛行器的研究與應(yīng)用越來廣泛的背景下，與之對應(yīng)的固定翼無人機(jī)似乎相對較少。本設(shè)計(jì)，一種多功能低空固定翼無人飛行器，通過良好的氣動布局，突出的隱身設(shè)計(jì)，創(chuàng)新的懸停方式以及獨(dú)具特色的“空中布雷”功能，實(shí)現(xiàn)了固定翼無人機(jī)“輕量化”和“多功能”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，填補(bǔ)了市場空白，也為同類飛行器設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

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