涵道無人機的結(jié)構設計

戴銘澤 任正豪 黃思遠 伊楠

摘 要：現(xiàn)如今涵道無人機的研發(fā)和發(fā)展備受注目，但是與之相對應的氣動、結(jié)構等理論和方法還都有待深入化的研究，涵道式飛行器尚有極大的研發(fā)空間。涵道無人機是以涵道為飛行器主體的、涵道內(nèi)裝有旋翼或螺旋槳裝置的一類新型結(jié)構的飛行器。該飛行器可以垂直起降，也可懸停航行。該飛行器結(jié)構和氣動方面的設計獨具特色，本文對此進行了系統(tǒng)的描述和綜合的分析。并圍繞目前涵道無人機仍存在的問題提出了見解。且對涵道無人機的未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：涵道無人機 結(jié)構設計 空氣動力學

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0015-02

涵道式無人機，為涵道式單旋翼無人機的簡稱，是以涵道為飛行器主體的，涵道內(nèi)裝有旋翼或螺旋槳裝置的一類新型結(jié)構的飛行器。該飛行器可以垂直起降，也可懸停航行。相比較于傳統(tǒng)形式的旋翼無人機，涵道無人機具備優(yōu)勢如下：

（1）低空、低速、耐低溫。

（2）可空中懸停。

（3）超大外載。

（4）自主導航。

（5）隨機起降。

（6）噪音低，隱蔽性更好。

1 涵道無人機總體布局和結(jié)構特點

1.1 涵道無人機的總體布局

涵道無人機由涵道主體、尾部導流板和螺旋槳三大部分的構造共同組成。本文以i-STAR為代表進行介紹，如圖1所示。該機體可大致劃分為上部中間體、下部中間體、涵道殼體和起落架四部分構造。上部中間體是圓柱形外形的機體撐持構造，內(nèi)部包含活塞式發(fā)動機、螺旋槳及有效載荷等。發(fā)動機使用OS-32SX引擎。螺旋槳是直接由發(fā)動機驅(qū)動的定距槳。由8個固定翼板將下部中間體穩(wěn)固于涵道中間，下部中間體內(nèi)安裝了傳感器板。經(jīng)過固定翼板中的導線將數(shù)據(jù)傳遞給位于涵道殼體中的管制計算機。涵道外徑寬為228mm，其腔體具備充足的空間，油箱、變壓器、電池、飛控計算機、伺服電機和指令接收器都安裝于涵道殼體內(nèi)。涵道的內(nèi)部為8個固定片，固定片會具有一定的轉(zhuǎn)角以使經(jīng)過氣流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的運動，克服發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。固定片下方裝有的控制翼能夠產(chǎn)生不同航行方式所需的力矩。其他種類的涵道無人機結(jié)構與上述形式相近，不過會有不同的涵道構造、轉(zhuǎn)矩對消的方式和姿態(tài)控制機構。

1.2 涵道結(jié)構的設計技術

涵道作為一種可類比于環(huán)形的機翼在低空速下增加了推動力。且在各種航行傾角都能夠提供氣動升力。并且將飛行器升力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)聯(lián)結(jié)了起來。涵道式旋翼除了有與普通旋翼一樣產(chǎn)生的拉力外，涵道內(nèi)壁也會產(chǎn)生附加的升力。孤立的螺旋槳會因產(chǎn)生滑流損耗很大一部分的功率，但是涵道內(nèi)壁可將有損耗的滑流也轉(zhuǎn)換成推動力。這也是螺旋槳的效率小于等同直徑的涵道風扇的效率的緣由之一。

涵道升力系統(tǒng)的效率是涵道氣動構造決定的，欲提高涵道無人機的氣動效率需關注以下結(jié)構參數(shù)：（1）螺旋槳的槳盤面積與涵道出口面積之比；（2）涵道剖面翼型的抉擇；（3）涵道截面的長與寬之比。

螺旋槳位于涵道內(nèi)壁入口的1/3處的時候，涵道產(chǎn)生的升力為最大值。通過縮小螺旋槳的槳盤與涵道內(nèi)壁的間距能夠用來增加涵道的增升效率，因此涵道飛行器應選擇與涵道內(nèi)壁直徑尺寸比較接近的螺旋槳。

1.3 動力系統(tǒng)的選擇

實驗數(shù)據(jù)表明，3kg以上的涵道無人機的主要動力裝置應選擇燃油發(fā)動機。主要原因為燃油發(fā)動機具有較高的功重比的優(yōu)點。而燃油發(fā)動機排放熱空氣、噪音大、易被偵查設備發(fā)現(xiàn)的缺點也可以通過涵道的構造實現(xiàn)優(yōu)化或應用其它措施加以改進。但需要考慮以下3點。

（1）飛行器質(zhì)心會因燃油的耗費而發(fā)生偏移，所以設計時應盡量減小因燃料量變化對質(zhì)心的影響。

（2）活塞發(fā)動機發(fā)出噪音大，應采取降噪的構造。

（3）應將廢氣進行降溫處理后再排放。

1kg以下的微型飛行器的動力裝置多數(shù)采用電機，且一般用拖纜進行供電。

1.4 涵道無人機轉(zhuǎn)矩平衡方式

涵道無人機平衡螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的兩種主要方式如下：

（1）共軸雙槳對轉(zhuǎn)。為抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，采用了共軸的雙旋翼等速對轉(zhuǎn)來相互抵消，一般需要復雜的傳動構造或者應用兩套動力系統(tǒng)來完成雙旋翼的對轉(zhuǎn)。

（2）單旋翼加導流翼板。在涵道尾部出口安置數(shù)片導流翼板（見圖2），翼板與下洗氣流間有一定的攻角，故飛行過程中翼片會產(chǎn)生一定的力矩來抵消螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

因為軸雙槳構造比較復雜，而單旋翼加導流翼板的方式構造簡單且容易實現(xiàn)，所以如今涵道式無人機多數(shù)采用單旋翼加導流翼板的方式。

1.5 涵道無人機姿態(tài)控制

涵道無人機具備6個航行的自由度，為s、y、z軸三個方向的運動和圍繞此三軸的轉(zhuǎn)動。

通過旋轉(zhuǎn)斜盤來控制航行姿態(tài)在實際應用中使用較少。多數(shù)為利用翼片（導流板）來控制航行姿態(tài)。主要由涵道風扇來提供升力。運用涵道下洗流對固定或可調(diào)翼板的作用力來實現(xiàn)姿態(tài)的控制和周向轉(zhuǎn)矩的抵消。故可懸停，也可近似地高速度水平航行，如圖3所示。

2 涵道無人機結(jié)構設計上存在的問題

（1）仍有部分涵道風扇技術問題。例如：作為飛行器主體的涵道風扇的構造特點、在低速大攻角情況微小型的涵道風扇的氣動特性理論等，至今均還沒有成熟的理論和牢靠的論斷。

（2）涵道式飛行器會在涵道本體的尾部安裝有姿態(tài)控制組件，其構造的組合方法有很多種；處于涵道與姿控組件復合流場中會有舵片，飛行器靈活機動的關鍵就在于其組合的氣動性能的好壞，故如何克服并解決此類技術問題依然是涵道無人機研究范疇的重點內(nèi)容。

3 結(jié)語

涵道無人機擁有多種獨特的優(yōu)勢。所以現(xiàn)如今的研發(fā)和發(fā)展備受注目，但是與之相對應的氣動、結(jié)構等理論和方法還都有待深入化的研究涵道式飛行器尚有極大地研發(fā)空間。涵道無人機亦可作為開發(fā)平臺，通過與其他各種機械結(jié)構進行組合而開發(fā)出新型產(chǎn)品。隨著研究深入化，在不遠的將來以涵道式無人機為主體的相關產(chǎn)品必將得到大力推崇。

參考文獻

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