一種可折疊巡檢與救援無人機的氣動外形設計

楊 超 侯擇堯 田 桐

（北京科技大學天津學院，天津 301830）

在現代無人機發展中，無人機技術與應急巡檢、應急救援融合已經成為大的發展趨勢。以應急救援為例，隨著科技的不斷革新和發展，無人機在救援任務中扮演了越來越重要的角色。在自然災害、人為災害等應急救援場景中，無人機有快速響應、高效率、高精度、低成本的優勢。首先，自然災害救援是無人機在救援任務中的重要應用場景。當地震、山體滑坡、洪水等自然災害發生時，無人機能夠提供空中監測和圖像傳輸功能，幫助救援人員快速了解災情，指導救援行動。其次，人為災害救援是無人機在救援任務中的重要應用場景之一。比如，在發生火災和爆炸事故等，無人機可以在危險區域進行空中監測，防止出現二次災害。再次，無人機能夠搭載光學和紅外相機提供第一手信息，有利于決策者準確定位受災點和辨別災情。最后，無人機還有其他應急救援場景，如森林火災控制等。可見，無人機在救援任務中的應用場景廣泛，可以滿足各種應急救援的需求[1]。

然而，對于從事巡檢和救援任務的一線無人機使用者而言，運輸和攜帶一直是一個挑戰，影響無人機滿足現代巡檢和救援任務的需求。針對這一挑戰，可將高升阻比、低阻力系數、長航時以及方便攜帶等特點作為首要的設計考慮因素。

1 無人機總體布局設計

無人機總體布局指的是無人機外形設計及構造，包括機翼、機身、尾翼、發動機等組件的布局和安裝位置。在無人機的總體布局設計中，首要決策是選擇合適的氣動布局。這決定了各組件之間的相對位置，直接影響著無人機的氣動性能，如飛行速度、穩定性、機動性以及燃油效率等。因此，無人機總體布局設計對于無人機在各種飛行條件下的綜合性能影響極大。

1.1 無人機折疊設計

巡檢與救援無人機的可折疊化是一種廣泛采用的技術手段，一般稱這種可折疊的機翼為折疊翼。在不影響任務性能的前提下縮小無人機的翼展，實現了折疊后便攜狀態下外形尺寸的顯著減小，提高了運輸階段的儲存效率。在使用階段，將折疊后的機翼裝入彈射裝置內進行彈射起飛，可有效減小無人機起飛時所需的助跑距離，降低了對起飛場地的限制，提升了巡檢與救援無人機在任務場景中的機動性和適應性。折疊翼的結構相對簡單，質量較輕，因此適用于一些小型無人機的設計，如圖1 所示。

圖1 折疊翼折疊后的封裝狀態

1.2 無人機布局設計

目前，無人機的氣動布局主要有常規式布局和鴨翼布局等。其中，串列式無人機布局是一種獨特的布局，特點是采用了兩個相互平行的機翼。與一般的鴨翼布局不同，串列式無人機的前翼通常更加靠前。

雙機翼的設計使得飛機能夠在較低速度下進行巡航，非常適用于巡檢與救援。這種設計可以降低飛機的最小起飛速度，增強機動性和操縱性，同時減小起降距離，降低燃料消耗，顯著提高了無人機的續航性能，如圖2 所示。

圖2 雙機翼串聯翼布局

串列翼布局的機翼由前翼和后翼組成，無水平尾翼。與傳統布局相比，該方案在等翼面積條件下具有較大的機翼展弦比。這種布局具有諸多優點，適用于低速和長航時無人機。首先，較大的展弦比可以提供更高的升力系數，使無人機在低速飛行時更穩定。其次，較大的展弦比能降低阻力，提高燃油效率和續航能力。最后，無水平尾翼的設計減少了尾翼的阻力和質量，進一步提高了整體性能。

最終布局方案草圖如圖3 所示。

圖3 最終布局方案草圖

2 無人機氣動設計

2.1 展弦比與平均氣動弦長

折疊式彈翼無人機的主要戰術技術性能為巡飛時間一般在0.25～12.00 h，巡飛高度一般在100～1 000 m，巡飛彈道段的飛行速度一般為30～100 m·s-1，彈體直徑一般為80～330 mm，長度為0.5～1.5 m[2]。

這里根據該機型的特點，結合自身設計需求和對應的技術要求，設計飛機的巡航速度為15 m·s-1，巡飛時間為90 min，巡飛高度為100 m，飛機總質量為5 kg。

考慮該機型的便攜能力，機身直徑取10～20 cm較為合適。本文中的無人機需要提供更優的便攜能力，因此機身直徑取10 cm。

平均氣動弦長C為

式中：croot為機翼翼根弦長；λ為根梢比。根梢比λ為1，翼根與翼尖的弦長均為13 cm，代入到式（1）得出平均氣動弦長C為13 cm。

2.2 機翼翼型的初步選取

鑒于無人機采用機翼可折疊的雙機翼串列式布局，需要綜合考慮折疊后的尺寸和特殊結構。由于此布局帶來了低速飛行和對較高升力的設計需求，該機型需要具有適應低雷諾數飛行環境的翼型。

在低雷諾數下，空氣動力特性與高雷諾數時存在明顯不同，主要表現為失速速度較低，難以達到高雷諾數下的升力系數水平。因此，適用于低雷諾數巡檢與救援無人機的翼型需具備以下特點：首先，需要具備較大的升阻比，以在低速飛行時產生足夠的升力；其次，必須能夠在低雷諾數下保持各姿態方向上的穩定性；最后，翼型應具有較小的相對厚度，以降低飛行時的空氣阻力[3]。因此，為了提升折疊式彈翼無人機的性能，本文選取3 種不同的翼型進行比較，分別為NACA 0012、NACA 2412、和Eppler 387 翼型，如圖4 所示。

圖4 二維翼型刨面形狀

NACA 0012 翼型是一種對稱翼型，適用于需要對稱升力分布的飛行條件，常見于模型飛機和低速無人機設計。NACA 2412 翼型表現出較高的升力和相對較小的阻力，為一種理想選擇，特別適用于需要較大升力的應用，如輕型無人機。Eppler 387 翼型專注于低雷諾數條件下的性能，具有良好的升阻比和穩定的空氣動力學特性[4]。

3 機翼翼型的分析與驗證

在研發高效便攜的無人機時，翼型設計的選擇與分析顯得尤為重要。翼型的氣動特性直接影響著無人機的飛行性能、操縱性以及在巡檢與救援任務中的整體效能[5]。采用先進的數值模擬技術對多種翼型進行深入分析，獲取其精準的氣動特性和性能指標。

3.1 3 種翼型計算結果的對比分析

雷諾數是流體力學中用于描述流動狀態的一個重要無量綱參數，通常用Re表示，計算公式為

式中：ρ為流體密度；V為流體流速；L為特征長度，通常取物體的最大線度，如圓柱體的直徑或者飛機機翼的弦長；μ為流體的動力黏度。通過式（2）能夠比較慣性力和黏性力的相對大小，從而判斷流動的性質。

根據已知的高度100 m、速度15 m·s-1、弦長13 cm等信息，計算得雷諾數為132 451。

將得到的雷諾數作為不變的參考條件，對NACA 0012、NACA 2412 和Eppler 387 翼型進行分析處理，最終得到的分析結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 相同雷諾數下的極曲線

圖6 雷諾數下的升力系數曲線與阻力系數曲線

3.2 升力系數、阻力系數與升阻比的比較

通過升力系數和阻力系數的特征，描述翼型在氣體流動中產生升力和阻力的大小以及變化趨勢，有助于深入了解翼型在不同氣動工況下升力的變化規律。這種研究方式為翼型設計和無人機性能優化提供了關鍵信息。在不同攻角等因素的調節下，升力系數表征了翼型在特定工況下的升力和阻力與氣動力學參數的關系。

升力系數Cy為

式中：Y為升力；ρ為空氣密度；V為飛行速度；S為翼面積。

阻力系數Cd為

式中：D為阻力；S為參考面積。

如表1 所示，通過比較3 種翼型的升力系數隨攻角變化的情況，發現隨著攻角的增加，三者都呈現上升趨勢。然而，在超過一定攻角后，升力系數開始下降，這是由失速現象引起的。在正常飛行中，隨著攻角的增加，初始階段升力隨之增加。然而，當攻角進一步增大達到臨界值時，會出現流動分離，導致升力急劇減小即失速。臨界攻角是即將失速時的攻角，對應的升力系數為最大升力系數。

表1 3 種翼型在不同攻角下的升力系數數據對比

NACA 2412 與Eppler 387 翼型均在10°攻角后升力系數開始下降，最大升力系數分別為0.977 4 與1.194 8，而NACA 2412 在12°的攻角下升力系數達到最大1.230 6。在適合巡航狀態下的小攻角范圍以內，Eppler 387 的升力系數整體高于其余兩種翼型，證明Eppler 387 在巡航平飛狀態下的性能表現更加突出。而在阻力系數方面，在適合巡航狀態下的小攻角范圍以內，可以看出NACA 0012 的最小阻力系數小于其他兩種翼型，但差異并沒有升力系數的差異明顯，如表2所示。

表2 3 種翼型在不同攻角下的阻力系數數據對比

從表3 可以分別找到NACA 0012、NACA 2412、Eppler 387 這3 種翼型的最大升阻比。經過對比可以明顯看出：Eppler 387 翼型在最大升阻比的比較中性能最突出，達到了61.410 6，遠高于其余兩種翼型，而其對應的攻角恰好靠近巡航時的攻角范圍。考慮該無人機的性能特點，最終選擇升阻比特性更符合設計需求的Eppler 387 翼型。

表3 3 種翼型在不同攻角下的升阻比數據對比

究其原因，以攻角為4°時3 種翼型的壓強分布圖為例，Eppler 387 翼型上表面的形狀更突出，流管受擠壓程度更加明顯，流速較快壓強較小，吸力峰更加突出，而NACA 0012 和NACA 2412 翼型由于上表面較為扁平，在中小攻角下上表面所產生的吸力較小，無法產生足夠大的升力系數，如圖7 所示。

圖7 不同翼型在攻角4°時的壓強分布

4 結語

在飛機的布局形式中，考慮該無人機高升阻比、低阻力系數、長航時以及方便攜帶等使用特點進行了分析比較。結果顯示，相對于其他布局形式的無人機，該設計采用的翼展更小，飛機的總尺寸減小、質量降低，同時提供了可靠的穩定性和更高的升阻比。

通過對不同翼型的比較研究發現，Eppler 387 翼型在各種飛行條件下能夠產生相對較高的升力系數，表明它能夠有效提供無人機所需的升力支持。在阻力系數分析中，Eppler 387 翼型阻力系數并非最低，但與其他翼型相比，在各個飛行速度范圍內都能夠產生較低的阻力系數。這意味著無人機所受到的阻力相對較小，有助于降低能量損失和燃料消耗，從而提高無人機的經濟性和效率。在升阻比分析中，Eppler 387 翼型更優越，且最大升阻比更接近巡航狀態下的攻角，使得無人機在巡航狀態下具有卓越的飛行性能，符合人們對其性能的期望。