輕型農用固定翼無人機設計分析

宗 劍,江 穩,李雨林

(1.江蘇航空職業技術學院 航空工程學院,江蘇 鎮江 212134;2.華中科技大學 航空航天學院,湖北 武漢 430074;3.山東交通學院 航空學院,山東 濟南 250357)

0 引言

根據航空行業規定[1],把最大起飛重量小于5.75 t的固定翼飛機稱為輕型固定翼飛機,輕型農用固定翼無人機屬于其中一種,它是發展現代化航空農業的重要組成部分[2]。相比傳統有人駕駛的輕型農用飛機,輕型農用固定翼無人機具有設計制造要求低、飛行作業效率高、使用維護成本低廉、對起降場地要求較低等優勢,因此廣泛應用于農業播種、施肥、田地信息監測和植保等方面[3]。雖然目前其部分用途已被成本更加低廉且易操縱的多旋翼類無人植保機替代[4],但在現代化大面積承包農業高效作業方面暫時無法被取代,所以輕型農用固定翼無人機具有廣闊的發展空間。本文主要介紹輕型農用固定翼無人機的主要發展方向、設計要求、布局形式,對其設計的主要參數進行假設,采用漸近法對設計重量進行計算,并對計算結果進行設計性能分析,所得結論可為后續從事輕型農用固定翼無人機設計人員提供參考。

1 發展方向

早期為提高大規模承包農業的作業效率和年產量,美國和西歐等一些國家和地區在設計專業性輕型農用固定翼飛機方面走在世界前列[2]。但至今為止它們所設計制造的各型號農用固定翼飛機基本以有人駕駛為主,例如美國AT-802F和波蘭PZL-M18。我國在設計專業性輕型農用固定翼飛機方面起步較晚,二十世紀九十年代之前一直使用蘇聯有人駕駛的安-2雙翼飛機改裝的運-5乙為農用飛機,后期部分使用的是由航空工業320廠研制的我國第一種專業性輕型農用固定單翼飛機農-5飛機，有A和B兩種機型,農-5A、B型飛機的出現填補了我國無專業性輕型農用固定單翼飛機設計的空白。為了能和近些年出現的多旋翼類無人植保機搶奪農業市場利潤，降低傳統農用固定翼飛機的使用成本,這幾年,國內部分單位率先開始將運-5乙飛機改裝為運-5無人機。

雖然如此,但其改裝的效能還遠遠不能充分發揮出來。研究資料顯示,單獨設計的專業性輕型農用固定翼無人機比改裝后的經濟效益高50%～80%,因此設計專業性輕型農用固定翼無人機是現代航空農機發展的重點方向之一[5-8]。輕型農用固定翼無人機技術發展方向主要有[9-12]：(1)低速、高升阻比翼型的設計；(2)低阻力系數氣動外形的設計；(3)最簡單、可靠、便于維護、高性價比和壽命的結構設計；(4)設計可考慮采用新型動力,比如純電動或油電混合動力；(5)地面先進導航控制技術。

2 設計要求

輕型農用固定翼無人機主要設計要求包括：氣動要求、結構要求、動力要求和機載設備,具體如下[13]。

(1)保證非收放起落架可利用土質跑道進行起降,土質地面比強度不小于30 N/cm2。

(2)采用非收放后三點式起落架氣動布局、結構設計時,應該保證飛機在應急著陸時不出現“拿大頂”現象。

(3)燃油箱或動力電池和化學制劑箱應最大限度地安置在空機的重心附近,并且對進入艙內的空氣要徹底過濾。

(4)對飛機的零部件和農用設備采取防銹設計措施。

(5)對發動機要有可靠的防護,以防止在滑行或起降時吸入砂石和塵埃以及裝載時的化學制劑。

(6)采用非電動動力應該可靠地保證整個飛行日發動機有起動自備電源。

(7)采用純電動力設計時,動力電池要求可靠,動力電池艙與易燃農業化學劑艙隔離設計,無人控制無線電控制導航設備應可靠。

(8)機載設備要求小體積、高可靠和安全。例如,遠距化學制劑測量儀、流量指示器、水平飛行和轉彎的極限速度信號裝置、起飛著陸次數記錄器、發動機地面與空中飛行小時記錄器、低空飛行自記計，完成播種、撒顆粒狀和粉末狀化學制劑、撒有毒誘殺物、噴灑液體溶液(或乳狀液、懸浮液)及液體攪拌等農用設備。

3 布局形式

輕型農用固定翼無人機的布局形式與使用要求相關,參照傳統有人駕駛的輕型農用飛機設計參數,輕型農用固定翼無人機的作業飛行速度vp的取值范圍為120～230 km/h,通常取120～180 km/h;作業飛行高度HP的取值范圍為5～50 m(國外允許HP≥1 m),起飛滑跑距離LP取120～170 m[14]。為了提高設計的可靠性、飛行穩定性、降低研制成本,輕型農用固定翼無人機的設計以無后掠角機翼倒T形垂尾為主[15]。

輕型農用固定翼無人機常規布局機翼的設計可有多種形式,機翼可選用無后掠角矩形單翼或雙翼設計,其中單翼比雙翼擁有更低的氣動外形阻力系數,但雙翼低空、低速性能較好,如美國羅克韋爾國際公司研制的S2R-H80為單翼設計,而蘇聯農用主力飛機安-2則為雙翼設計。單翼機又分為上單翼和下單翼,其中下單翼的設計具有改善航空化學作業質量,容易安裝起落架，可有效減輕機翼與機身結構重量,容易安裝全翼展噴灑管，便于使用維護保養的優點[16]。

機翼翼型可考慮選用升阻比較大的GA(W)-1、NACA44、NACA230、NACA63、NACA65系列[17]。其中GA(W)-1與其他系列相比較,機翼最大厚度位于距前緣40%弦長處,帶增升裝置時可使Cya最大值約增大30%,獲得最大值襟翼最佳偏轉角為40°[18]。

動力系統一般采用單發動機+拉進式定槳距螺旋槳,安裝在機身最前面發動機艙室。目前可選用發動機種類有：多缸活塞發動機、渦槳發動機、純電動機或油電混合動力。其中受動力電池儲能密度較低的影響,相比純電動和油電混合動力,裝備多缸活塞發動機和渦槳發動機的無人機續航能力較強。渦槳發動機比活塞發動機功重比高、體積小,但價格稍高,因此在要求較高的輕型農用固定翼無人機的設計上可選用。純電動適合輕型小型農用固定翼無人機的設計的動力選擇,而油電混合動力適用于輕型中小型農用固定翼無人機設計的動力選擇[9-10]。拉進式定槳距螺旋槳應選擇最大效率系數直徑和系列。選擇螺旋槳直徑時,必須考慮無人機結構上的設計限制,即槳葉端部到地面距離不小于250 mm,從螺旋槳端部到螺旋槳旋轉平面內的飛機任何部分的距離不得小于200 mm。

起落架布局設計采用非收放構架后三點式,主起落架安裝在機翼下面,主起落架輪胎一般選用低壓輪胎。

4 主要設計參數假設和性能計算分析

輕型農用固定翼無人機的設計同它的用途最佳化的任務一樣具有綜合性和系統性,設計時考慮的主要內容如下。

4.1 使用情況的主要參數和飛行作業方法

使用情況的主要參數包括作業土地面積、單程作業長度、跑道種類和長度、作業工種和規模以及10～15年工作變化動向。

飛行作業方法有梭式和地段式兩種,如圖1(a)和圖1(b)所示,圖中虛線為輕型農用固定翼無人機作業飛行軌跡。

(a)梭式飛行作業法

(b)地段式飛行作業法圖1 農業飛機飛行作業示意圖

輕型農用固定翼無人機的最佳作業飛行速度與發動機型號幾乎無關,但卻與單程長度和作業方法有關。在一定單程長度作業范圍內,地段式飛行作業速度要比梭式飛行作業速度高。

4.2 主要設計參數假設和性能計算分析

輕型農用固定翼無人機型式與機翼增升裝置的種類、發動機型別、化學制劑的計算重量、飛行各階段的時間分配情況、安全飛行、結構強度與壽命要求都有關。

設計的輕型農用固定翼無人機采用無后掠角下單翼布局,起落裝置采用高強度金屬主支柱安裝機翼下面非收放式無內胎機輪無整流罩起落架,動力系統為一臺渦輪螺旋槳發動機,機翼承力構件采用復合材料,其增升裝置采用滑動式襟翼和前緣襟翼、襟副翼；假設化學制劑重量(有效載荷)mx=800 kg,最小允許垂直速度vy=4 m/s；年飛行時間為825 h；航空化學作業的主要形式為噴灑。無人機及其部件的各種不變參數如表1所示。

表1 輕型農用固定翼無人機及其部件參數

假設輕型農用固定翼無人機一次加油作業時間分配如下:起飛,0.045 h,占比3%;作業，轉場飛行0.75 h,占比50%;轉變0.675 h,占比45%;著陸0.03 h,占比2%;總計1.5 h,其中不包含裝填化學制劑時間。

采用漸近法求出起飛質量：

(1)

(2)

查閱輕型飛機設計手冊,式中:

(3)

式中,pH為最大飛行高度上密封艙內余壓,無人機為0。

(4)

(5)

式中,hzj為主起落架由跑道表面到支柱轉動接頭或固定接頭的長度,pzty為主機輪輪胎胎壓。

(6)

式中,kc=0.22～0.25。

由起飛滑跑條件求得

(7)

式中,P0為發動機起飛推力,g=9.81,ρ0=0.125,土質跑道fk=0.1。

不計噴灑桿的氣動阻力,由作業速度的保證條件求得

(8)

式中,螺旋槳的效率系數ηB=0.72。

由給定的vy=4 m/s的計算求得

(9)

相對燃油質量按照飛行的各階段求出。對每階段的求法為

(10)

式中,kjl為發動機節流系數：起飛時,kjl=1.0；著陸時,kjl=0.25；裝填時,kjl=0.20；轉場、噴灑和轉彎時,kjl=Ni/N0(Ni需用功率)。ceo=0.34 kg/(kW·h)。ti取值4.2中農用固定翼無人機一次加油作業時間分配。

用計算機求解公式(1)～(10)的結果示于圖2～5。

圖2 作業飛行速度對無人機起飛質量的影響關系圖

圖3 無人機翼載與化學制劑的相對質量關系圖

圖4 渦槳無人機翼載和展弦比關系圖

圖5 無人機滑跑距離與起飛質量關系圖

從圖2可以得出,當翼載取80 kg/m2、展弦比取6時,設計輕型農用固定翼無人機的飛行速度接近140 km/h時可獲得最優的作業飛行速度。但是按照最優作業飛行速度所獲得的m0的最優值并不理想,進一步提高m0的設計值,會提高作業飛行速度。

在一定范圍內提高設計作業飛行速度,可有效減少飛行作業時間、降低油耗和使用費用。但設計作業飛行速度提高超過某個值,會增加作業過渡轉彎半徑,導致其他良性指標會下降。

從圖3可以得出,起飛滑跑距離取150 m、作業飛行速度取140 km/h時,在一定設計翼載范圍內,無人機的有效負荷化學制劑的相對質量隨著設計翼載的增大而增大；當設計翼載超過一定值,其有效負荷化學制劑的相對質量隨著設計翼載增大而減??；農用無人機設計翼載較佳取值范圍為70～90 kg/m2,設計翼載最佳取值接近80 kg/m2。

輕型農用無人機設計的機翼展弦比取值越小對增加無人機的有效負荷化學制劑的相對質量越有利。 從圖4可以得出,當起飛滑跑距離取150 m、作業飛行速度取140 km/h、化學制劑負荷質量取800 kg時,隨著設計翼載的增大,其展弦比也在增大。小展弦比不僅可有效減小研制機翼和飛機的起飛質量,而且在作業飛行時會增加機翼后方產生的下洗流強度,有利于提高作業質量。但小展弦比會減小單程噴幅的寬度,增加作業頻率,所以設計機翼展弦比取6～8是比較理想的。

從圖5可以得出,當設計翼載取80 kg/m2、展弦比取6、化學制劑負荷質量取800 kg時,無人機起飛滑跑距離小于150 m時,會大大增加飛機的起飛質量。但起飛滑跑距離大于170 m時,雖可有效減少起飛質量,但會增加跑道長度,提高對跑道的要求,降低設計的輕型農用固定翼無人機使用范圍。因此,設計的輕型農用固定翼無人機起飛滑跑距離的合理值在150～170 m。

5 結論

本文主要通過介紹輕型農用固定翼無人機的主要發展方向、設計要求、布局形式,對設計主要參數進行假設,并對設計計算結果進行分析,得出在一定范圍內提高設計作業飛行速度,可有效減少飛行作業時間、降低油耗和使用費用，但設計作業飛行速度提高超過某個值,會增加作業過渡轉彎半徑,導致其他良性指標會下降,輕型農用無人機設計的機翼展弦比取值越小對增加無人機的有效負荷化學制劑的相對質量越有利,但小展弦比會減小單程噴幅的寬度,增加作業頻率,設計機翼展弦比取6～8和起飛滑跑距離的合理值在150～170 m是比較理想的。