試析微型飛行器的設計原則及策略

楊大赫

摘 要：本篇文章首先對微型飛行器技術發展方向進行闡述，從存在不穩定性、質量小、抗陣風能力差等多個方面，對微型飛行器設計存在的問題，并以微型飛行器的設計原則為依據，提出微型飛行器的設計策略。

關鍵詞：微型飛行器；總體設計；技術難點；設計原則；設計策略

在上個世紀九十年代，微型飛行器一詞正式出爐，隨著時間的推移，國內外眾多部門開始對其進行了全面的研究，美國企業研發的“黑寡婦”型號的飛行器，不僅飛機翼展較小，并且留空時間較長。隨后美國海軍部門在此基礎之上，研發了一種翼展寬為20～45厘米不等，留空時間為0.3小時的微型飛機，由于其提升了飛機機翼的系數，因此在微型飛機比賽中取得了第一名的好成績。本篇文章主要借助遺傳算法的方式對微型飛機的各項參數進行設計，因而研制出了留空時間為0.3小時，航程為12000米的微型飛機，在中國具備領先水平，可以有效的提升微型飛行器的各項性能。

1 微型飛行器技術發展方向

1.1 研究性MAV的發展

把大學當作研發的主體力量，依舊運用上個世紀九十年代中旬制定的0.15米的設計標準，研制出了多種型號的微型飛行器。其中，微型飛行器的種類主要分為三種，第一種是固定翼微型飛行器；第二種是撲翼微型飛行器；第三種是旋翼微型飛行器。美國研發的新型微型飛行器，翼展寬僅為15厘米，并且可以成功飛行，這也是當前飛行器研制最先進水平。目前，深受人們喜愛的飛行器有兩種，一種是雙旋翼飛行器，另一種是四軸螺旋槳微型飛行器，它們都具備一個共同的特點，就是可以在控制自由旋轉，因而引發人們喜愛。

1.2 實用性MAV的發展

于2001年初，美國軍方開始將MAV融入到先期概念技術演示規劃中，即使有些機構已經提出1.5米研究計劃，但是現階段無法運用到實際中。因為軍事需求比為緊迫，在諸多探索性飛行器里，美國相關機構選用可行性較高，但是尺寸較大的飛行器當作空中檢查設備，并將其運用到航空作戰中。

2 微型飛行器設計存在的問題

2.1 存在不穩定性

根據公式Re=ρVL/u我們得知，雷諾數Re主要表示著流體慣性力以及黏性力二者間的聯系，其中公式中ρ表示大氣密度；V表示飛行速度；L表示飛行器的長度；u表示黏性數值。

因為MAV尺寸和速度直接影響著雷諾數氣動特性，當MAV尺寸越小，速度越低時，就屬于低雷諾數氣動特性。當微型飛行器處于飛行狀態時，處于低雷諾數氣動特性狀況下，其表面含有的層流附面層就無法維持，進而出現分離的現象，同時也會導致小迎角發生MAV表面氣流不穩定的現象。

2.2 含有非線性以及非定常力學特性

微型飛行器和微型飛行器進行比較，在外形分布上具備很大的差異性。針對于固定翼MAV來說，在小展旋方面存在的復雜性要遠遠高于單翼以及撲翼MAV，這就導致其氣動以及飛行力學具備較強的非線性以及非定常力學特性。所以，MAV在結構布局、運作形態以及飛行控制都要進行特殊設計。

2.3 質量小、抗陣風能力差

針對于微型飛行器來說，質量都比較輕，質量通常在200克一下，一旦遇到強風或者大氣紊流的狀況，不但不能保證飛行的穩定性，同時還會引發墜落事故，這就給復雜環境下以及遠距離的自主飛行增添了難度。

3 微型飛行器的設計原則

為了設計出可行的微型飛行器，在進行設計的過程中，要秉持六項原則，第一，牢靠的框架設計；第二，合理的氣動設計；第三，緊密的機構布局設計；第四，低能量消耗設計；第五，質量設計；第六，速率設計。要想落實這些原則，就要將微型飛行器劃分成四個設計單原件。微型飛行器系統結構見圖1。

3.1 動力單元

動力單元的主要作用就是給飛行器提供所需動力。本篇文章選擇密度高、質量輕的聚合物鋰離子電池當作飛行器的主要能源，在進行運行時，采用 4個0.6厘米的微型直流電機，同時在機翼中設置轉矩。

3.2 運動單元

運動單元是給機翼以及減速器進行設計。在進行機翼設計時，一般使用ABS 工程塑料，主要是因為這種材料在進行加工的過程中操作比較簡便，同時可以獲得想要的尺寸寬度。經過多次實驗我們得知，在進行機翼設計時，尺寸應該為7*8*7厘米，重量不得高于0.35克，這樣可以保證機翼在旋轉時產生 3g 作用力，因為機翼尺寸有限，我們可以應用微型電機驅動，這樣就無需再進行減速機構的設計。

3.3 機體結構單元

其主要是給動力單元以及運動單元提供所需的支撐，同時還能對整個飛行器的結構形狀進行明確。因為碳纖維材料具備體積小、質量輕、強度大、變形幾率低等特點，因此是該單元的首選材料。

3.4 控制單元

其主要保證飛行器在運行過程中的穩定性，以起到控制飛行器的起飛、停止以及旋轉等目的。

4 微型飛行器的設計策略

4.1 設計的矛盾與協調

（1）尺寸、有效載荷和續航時間的協調。由于微型飛行器具備體積小、集成度高等特點，可以有效的改變任意一個技術指標。因此，微型飛行器無法跟大型無人機一樣，對自身的結構、氣動、系統等設施進行單獨設計，需要采用綜合設計、重復協調的設計策略。（2）升力、動力和能源的協調。不管是哪種類型的微型飛行器，升力值直接影響著動力值，但是，要想提升動力，就要增加能源，在確保其他功能數值不發生改變的情況下，增加能源，就會提升飛行器的重量，因此，飛行器原始的升力就會不充足。現階段，我國大部分的微型飛行器內部都安置了電動機，電池的重量和飛行器總重量的比例為1：3，選擇合理的電池是非常必要的。

4.2 微型飛行器系統設計的優化

要先保證微型飛行器設計的合理性，就要對設計進行優化。但是，通常飛行器的質量比較強，尺寸比較小，要想單項優化是不可能的，因此要以協調綜合優化為主。

要應用多學科設計優化方式才能獲得理想的設計效果，以小重量為例，作者對飛行器的機翼氣動形狀、航程、承載能力以及抗風能力等方面進行設計研究，獲得了一定的效果，站在科學角度，微型飛行器是在體積上研發出來的產物，需要在設計時，對其柔性結構、雷諾數氣動特性以及大氣紊流干擾進行多方面考慮，進而設計出尺寸小、性能高的新型微型飛行器。

5 結束語

總而言之，要想實現微型飛行器系統優化設計，就要結合其他國家的優秀案例，并且結合自身實際情況，從而設計出符合我國需求的新型微型飛行器。在進行微型飛行器設計的過程中，依然存在諸多的問題，因此我們需要結合微型飛行器的設計原則，提出微型飛行器的設計策略，從而促進我國微型飛行器系統技術的穩定發展。

參考文獻

[1]昂海松.微型飛行器的設計原則和策略[J].航空學報，2016，01：69-80.

[2]龍騰，劉建，WANG G Gary，等.基于計算試驗設計與代理模型的飛行器近似優化策略探討[J].機械工程學報，2016，14：79-105.