關于小型多旋翼無人飛行器的設計

摘 要：針對現(xiàn)有直升飛機存在的問題，綜合考慮四旋翼可以垂直起降，并且能夠進行長距離飛行的特點，在這個基礎上添加了渦扇推力電機與一對固定翼的無人飛行器，對其進行三維建模，在保證水平飛行的同時，機身兩側的機翼與渦扇能夠共同向前傾斜產(chǎn)生向上的升力與向后的推力。通過開發(fā)小型多旋翼無人飛行器，整個機翼升力能夠滿足設計要求，對小型多旋翼飛行器發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：小型多旋翼 無人飛行器 變結構 固定翼

小型多旋翼無人機作為微小型無人機中的一種，近年來受到世界的廣泛關注與認可。已經(jīng)逐漸應用到航空攝影、交通監(jiān)視、勘察等多個領域，并且在應對突發(fā)事件與生態(tài)環(huán)境保護方面有著廣泛的應用前景。盡管無人機有上述諸多優(yōu)點，同樣也存在不足問題。與固定翼相比，其自重條件與動力明顯不足，這就使得其留空時間與載荷能力受到束縛。

一、方案的提出

小型多旋翼無人飛行機的設計方案，是在四旋翼無人飛行器的基礎上進行開發(fā)，在機身兩側的延長線上安裝一對可向前傾斜的渦扇動力系統(tǒng)與一對固定翼，渦扇轉速相同且方向相反，僅僅需要提供軸向推力，不能產(chǎn)生誘導轉矩。垂直起降過程中，兩個渦扇與四個旋翼電機朝上，可以提供垂直上升力。在水平飛行過程中，機身的兩側機翼與雙涵道渦扇會產(chǎn)生向上和向后的推力。機翼組成的X布局能夠對飛機的姿態(tài)進行控制。在進行結構設計時，盡可能減輕機翼質量，并且使兩側電機的機身與質心橫向延長線盡可能靠近。在這個條件下，轉速相同、方向相反的兩個渦扇在不同模式下僅僅能夠提供向前推力與升力，這不會對自身姿態(tài)產(chǎn)生影響，以此能夠實現(xiàn)平動控制與姿態(tài)控制分離，最終簡化控制機制。

新X布局包括量的優(yōu)勢：一方面在新的X布局基礎上，機翼與轉速相同但方向相反的渦扇產(chǎn)生推力與向上的升力就會直接作用于機身質心部分，不論角度大小，都不會對機身產(chǎn)生過大的轉矩而影響系統(tǒng)仰視姿態(tài)。另一方面對飛行器進行姿態(tài)控制取決于X布局四旋翼子系統(tǒng)，左右旋翼為其提供推力，不對姿態(tài)產(chǎn)生影響，這就實現(xiàn)了速度與姿態(tài)控制的解耦，還能夠降低動態(tài)模型控制難度與復雜性。

二、固定翼設計

1.選擇翼型及相關參數(shù)

飛行器飛行速度為每秒十米左右，升力則為1200g，飛行器的翼型采用平凹型或是對稱性，由于無人飛行器體積較小，機翼尺寸不宜過大，這就需要結合固定翼模型飛行翼載荷要求，選取翼載荷為70g/dm2，翼載荷表達式為：k=m/s。在這個式子中，m表示質量，s表示面積，根據(jù)計算公式可得出機翼面積為s=17dm2。

翼型升力計算公式為：W=0.5xpxl/2xSxCi中，空氣密度為p=1.22kg/m3能夠得到機翼升力系數(shù)公式，將其帶入?yún)?shù)進行計算可得出：ci=1.12。

根據(jù)一系列公式我們可以看出，CLARK Y翼型有較好的低雷諾數(shù)性能、較大的升力系數(shù)、升阻比，所以選用CLARK Y翼型。CLARK Y翼型在傾角升阻比最大，由此可知其航程最遠、飛行最省能量。

2.CLARK Y翼型設計

根據(jù)上述計算得到的參數(shù)，采用固定軟件profili軟件進行畫圖，能夠畫出CLARK Y二維圖形，其中單位為mm。

三、 可變結構小型多旋翼無人飛行器結構設計

根據(jù)固定方案，在機身的兩側質心延長線上安裝一對固定翼與同步向前傾斜的雙涵道渦扇動力系統(tǒng)。該渦扇轉速相同但是轉動方向不同，所以只需提供軸向推力，而不產(chǎn)生誘導轉矩。對已經(jīng)采用的可傾斜渦扇電機所需的機翼與推動力進行分析，設計包括實驗樣機。該項目實施過程中，不斷對變結構無人機設計方案進行探討，在機艙位置安裝自動駕駛艙，內部安裝渦扇電機傾角調整驅動系統(tǒng)，通過軸承與舵機經(jīng)齒輪與機身相連接的方法，從而推動渦扇能夠向前方不斷前進。

四、機翼單項流固耦合分析

1.問題簡述

可以利用ANSYS去解決單向流固定耦合問題與分析翼的力學特征和升力。模擬飛行器能夠在常規(guī)飛行過程中機翼狀態(tài)為整體流體采用25度氣體，密度為p=1.22kg/m3、粘度為v=1.83x10-5kg/m.s，速度則為每秒十米，利用攻角為8度進行升力計算。固定翼的材料可以選取為聚乙烯，密度為p=943kg/m3、彈性為E=1.1X109Pa、泊松比為v=0.42。

2.固定翼的單向流固耦合計算

隨著三維模型的建立，整個模型中翼的尺寸為弦長178mm，長度為480mm，其中可導入solidworks軟件模型，利用Enclosure能夠使命令生成更加流暢。在建模完成后可以劃分為多個網(wǎng)格模塊，通過建立相關網(wǎng)格畫法，利用Genergyate Mesh命令，能夠獲得流體域整體網(wǎng)格與固定翼。在模型中的單元數(shù)為20024個，流暢為16956個單元，隨后進入CFX-Pre潔面后，可以設置多個類型，利用無熱傳遞，可以使得整個模型穩(wěn)定。經(jīng)過CFX計算后可以在處理中可以看到流場計算后的曲線。邊界處所產(chǎn)生的力，能夠看出流場中其固定翼所受到的最大壓力在固定翼的邊緣處，下緣壓力大于上緣壓力，這也是固定翼能夠產(chǎn)生升力的主要原因。通過所獲得的結果利用連線將Static Structure求解，在求解過程中，suppress能夠劃分結構網(wǎng)格，不斷加載邊界條件，對固定翼左側斷面進行約束。與此同時還能夠將CFX所獲得壓力加載至耦合邊界FSI上。通過設置求解內容，從而產(chǎn)生支反力與應力應變等。

參考文獻

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作者簡介

張帥（1982.07.10—），男，籍貫：遼寧，職稱：助教，研究方向：數(shù)字媒體藝術。