雙發固定翼無人機的側向大過載系統設計＊

吳 雙，劉清成，朱 琦，王 涵，趙文龍，高美妍，謝琪琪，陳正揚

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

對于給定布局的飛機，垂尾的設計通常是由方向舵的最大可用偏度決定的，應確保飛機機動能力合適[1]。水舵在滑行過程中主要承受水載荷的作用，水舵在水載荷作用下關系到飛機在水面滑行時的機動性和操縱性，偏航機動是由方向舵快速大幅偏轉引起的側向機動，機動過程中方向舵、垂尾上產生較大氣動載荷并傳遞到后機身[2]。偏航機動是民用飛機載荷設計中非常重要的一種機動情況，是垂尾、后機身等部件載荷嚴重的情況之一，因此民用客機在方案設計中不能追求較大的過載[3-4]，而無人軍機為了戰場的生存力，必須具有較大的機動能力。目前無人機更多地使用電能代替傳統液壓、氣壓和機械能，是先進飛機發展的方向[5]，也是未來輕便察打一體機的發展方向。

本文的海空一體固定翼無人機綜合考慮無人機電機位置的合理布局，采用了雙電機差速設計，同時該機采用方向舵和水舵進行一體化設計，即當油門遙桿左上或者右上撥動，可以實現察打機的左加速轉彎或者右加速轉彎，從而在不損失較大速度的前提下，實現飛機的機動轉彎，減小被武器系統摧毀的概率[6]，增加海空一體固定翼無人機的生存力。

1 水平側向扭矩過載模型

通過對海艇和空中固定翼飛機的分析，得出飛機海上初始機動僅僅依靠飛機的方向舵，轉彎效率低，尤其在單電機推力情況下，而采用海上方向舵和空中方向舵一體化設計，增大了舵面積和舵效率，同時相對于傳統單發固定翼無人機而言，通過新增左右2個電機，通過電路設計控制左右電機的差速運轉，更有利于提高飛機的機動過載。飛機整體布局如圖1所示。

圖1 高機動海空固定翼無人機示意圖

根據圖1，當無人機水平急速規避時，可以建立差速電機的扭矩數學模型：

式（1）中：M1為差速電機的扭矩；F1和F2分別為左右電機拉力；L1和L2分別為左右電機力臂長度。

通常為了便于控制，可取L1=L2=L，因此式（1）可以簡化為：

設飛機在空中飛行時，垂翼的面積為S1，方向舵面積設為S2，其中包括飛機的方向舵的面積S3和水舵的面積S4，即S2=S3+S4，因此包括方向舵和水舵的垂尾總面積S=S1+S3+S4，所以當方向舵和水舵的舵偏角度最大時，則僅采用一體化舵實現偏航的扭矩M2為：

式（2）中，F3為由于方向舵偏轉而形成的側力，其大小與側力系數Cz、動壓（q=0.5·ρ·v2）和一體化垂尾總面積S有關，F3=0.5·ρ·v2·Cz·S，所以M2可以表示為M2=0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

當一體化舵和差速電機同時作用時，圍繞重心參考點的合成扭距M可表示為M=M1+M2=（F2-F1）·L+0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

2 無人機偏航扭矩仿真分析

根據樣機的方案設計，樣機質量為20 kg，展長最大為1.6 m，因此L可選擇的最大值為0.8 m。當無人機僅依靠差速電機實現過載偏航時，單電機工作的過載效率最高，假設左轉彎，則可設左電機拉力為0，則單發電機拉力扭矩M1與力臂L的關系仿真如圖2所示。

圖2 單發工作力臂L與扭矩M1的關系圖

從圖2可知，電機的力臂越長，電機所需拉力越小，但是當電機靠近展向最邊界時，對飛行的穩定性以及結構設計不利，所以對于該低速無人機，可以選擇力臂長為0.5 m，這樣既可以滿足平時雙發正常飛行，又可以使單發過載達到15 Nm的扭矩。

當僅采用操縱一體化舵實現側滑過載時，如控制方向舵左偏，則無人機將向右側滑，飛機將左轉彎，此時無人機受到的扭矩M2與由于方向舵偏轉而形成的側力F3和力臂L3都有關。根據方案，無人機速度v的范圍為1～38 m/s，垂尾面S=0.2 m2，則無人機受到的扭矩M2和速度v的仿真示意圖如圖3所示。

圖3 舵偏時扭矩M2與無人機速度v的關系圖

從圖3可以看出，無人機速度越大，側向力越大，從而扭矩越大。當無人機達到最大速度38 m/s時，無人機受到的扭矩為18.4 Nm。

為了實現有效的水平轉彎，需要恰當使用一體化方向舵和差速電機。主電機不同轉速對應不同的動力，可以提供無人機平飛時的動力。為了說明無人機在不同的平飛速度下的機動，圖4—圖7分別給出無人機水平速度在10 m/s、20 m/s、30 m/s和38 m/s時，最大一體化方向舵偏角和單（左）電機不同拉力作用下的合成扭矩M與力臂L的關系圖。

綜合圖4—圖7可知，無人機的速度越大，雙電機的差速拉力越大，可以實現的水平方向的扭矩越大，從而可以使無人機獲得較大的水平偏轉，減小被敵方炮火等摧毀的概率。

圖4 最大舵偏（無人機速度10 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖5 最大舵偏（無人機速度20 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖6 最大舵偏（無人機速度30 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖7 最大舵偏（無人機速度38 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

3 結論

針對目前海空固定翼飛行器機動性機動性小導致飛機容易被摧毀的弊端，在保留中心電機驅動的基礎上，采用左右電機差速驅動以及方向舵和水舵一體化設計方案。仿真結果表明，無人機的速度越大，一體化方向舵偏角越大，同時雙電機的差速拉力越大，可以實現的水平方向偏轉扭矩也較大，從而可以滿足海空兩用固定翼無人機的快速高側向機動的需求。