“云燕”可變翼貨運無人機

王曉璐，楊浩男，隆斯達

鄭州航空工業管理學院

為解決山區物流需求，本文提出“云燕”可變翼貨運無人機總體設計方案。該無人機在低速起降時，使用大縫道三翼布局，升力系數為單翼的2.4倍，縮短了起降距離；巡航時三翼收縮合并，切換為傳統單翼布局，保證了飛行效率。同時采用大容量貨艙和雙尾撐結構，提高了貨物裝載效率和飛行穩定性，可為山區末端物流應用提供參考。

2018年，中共中央、國務院印發了《鄉村振興戰略規劃（2018－2022年）》。規劃指出，要積極培育新產業、新業態，深入實施電子商務進農村綜合示范，建設具有廣泛性的農村電子商務發展基礎設施，加快構建農村物流基礎設施骨干網絡，鼓勵商貿、郵政、快遞、供銷、運輸等企業在農村地區擴大設施網絡布局。加快完善農村物流基礎設施末端網絡，逐步完善以農村物流樞紐站場為基礎，以縣、鄉、村三級物流節點為支撐的農村物流基礎設施網絡體系。山區農村經濟具有規模分散、物流成本高、運輸安全性要求高等特點，建設針對性的物流配送服務體系是現實需求。

作為新型運輸工具，無人機為山區物流提供了一種可行性解決方案。2019年7月，百余架無人機參與松茸“第一公里”運輸，用高科技為四川甘孜藏族自治州的特產松茸出山提速。無人機可直接搭載貨物從無陸運條件的山頭運往有道路的無人機機場，單程僅需30min，與傳統運輸方式相比，運輸效率提升4倍，改變了甘孜菌農“摸黑上山采松茸，下午背松茸下山，來回半天”的低效又危險的局面。

河南省包括太行山、崤山、桐柏山和大別山等山區，河南省人民政府網站信息顯示，山區面積約占全省總面積的44%。山區有天麻、石斛、茶葉、何首烏等高價值農作物和中草藥。研制適合山區環境的貨運無人機具有重要應用價值。

貨運無人機構型與特點

常規固定翼作為最常見的布局形式，得到廣泛關注，最常見的傳統固定翼無人機由機身、機翼、平尾、單垂尾等組成，其特點是技術成熟、可靠性高、研發周期較短。多旋翼無人機結構相對簡單，但巡航升阻比較低。在山區運營的貨運無人機，其性能和有人機有較大區別，需滿足以下要求。

第一，山區不宜修建專用機場跑道，可對簡易空地進行適當改造供無人機起降，同時要求無人機具備垂直起降或超短距起降特性，是較為合適的解決方案；

第二，為防止起降場地上人員和雜物對無人機發動機系統、螺旋槳的侵入和干擾，可考慮將動力裝置部件進行包裹；

第三，為提高運輸效率，研制有別于常規有人機或多旋翼無人機的貨艙非常必要。直接將貨物掛載于腹部，飛行阻力大，且有脫落風險；多旋翼無人機一般在機身中央位置設置貨艙，但貨艙體積與旋翼尺寸有關。

總體來看，目前多旋翼無人機的優勢在于可垂直起降，缺點是巡航升阻比較低。為提高無人機巡航升阻比，并兼顧短距起降需求，本文提出“云燕”可變翼貨運無人機。

外形與設計指標

“云燕”無人機概念圖及其起飛過程示意圖，詳見圖1和圖2。該無人機的突出特點是，采用了可變翼布局設計，即飛行時機翼可在三翼與常規單翼之間切換，如圖3所示。此外，使用了高裝載效率機身和雙尾撐結構。保證巡航速度和飛行穩定性的同時，縮短了起降距離。設計最大起飛重量65kg，最大任務載荷重量30kg，航程140km，起降距離不超過常規固定翼無人機的40%。

圖1 “云燕”貨運無人機概念圖。

圖2 “云燕”貨運無人機起飛過程示意圖。

圖3 大縫道多段翼在合并（上）和展開（下）狀態的外形。

無人機創新設計

基于大縫道多段翼的可變翼布局設計

可變翼的三段翼型和整體翼型均選用通航飛機常用的GA(W)-1翼型。使用數值模擬方法分析不同翼間參數 G1，G2和翼間夾角θ(見圖4)下機翼的氣動特性。計算軟件為 ANSYS FLUENT，計算時使用二階迎風差分格式離散控制方程;針對低速不可壓來流，使用壓力和速度耦合的 SIMPLE 算法。已有研究表明，S-A 模型較適合用于增升裝置的計算，低速條件 時多段翼流場結構與增升裝置有一定相似性，因此使用 S-A 湍流模型。

圖4 大縫道多段翼翼間參數。

針對典型算例Ma=0.2，Re=9×106，θ=30°，由疏到密設計了4套網格，第3套和第4套計算升力系數和阻力系數相對誤差分別為 0.2%和 1.0%，可認為第3套網格(總規模33萬)滿足收斂要求，以其作為后續網格劃分和計算基礎。

圖5給出了不同迎角時升力系數隨夾角的變化曲線。可見，在三種迎角下，升力系數CL隨翼間夾角θ的變化趨勢一致，最大值均在θ=20°附近。升力系數隨機翼間距參數G1和G2的變化趨勢與翼間夾角類似，不再贅述。

和機翼間距時，機翼繞流流場壓力分布的對比。對比圖5～7可知，當翼間參數合適時，第1段翼和第2段翼將產生有利干擾，翼面上下翼面壓差變大，此時機翼整體氣動特性最優。設計時選取最優值對應的翼間參數作為巡航飛行時的鎖定狀態。

圖5 不同迎角時升力系數隨夾角變化的曲線。

圖6 翼型流場壓力等值線分布。

圖7 不同機翼間距下翼型流場壓力等值線分布。

圖8 “云燕”貨運無人機機身和貨艙艙門。

高裝載率機身和雙尾撐結構設計

為提高機身裝載率，使用接近長方形的機身，并做倒圓角處理。借鑒大型運輸機設計技術，在機頭部設立艙門，便于貨物裝卸。考慮到常規機身后端有較大收縮過渡段，空間利用率不高，采用了小長細比機身，搭配雙尾撐設計方案，形成結構的閉環系統，提升機身有效裝載空間，使氣動和操穩特性體現出一定優勢。該布局還將螺旋槳包裹在雙尾撐之間，提高無人機地面滑跑時的安全性。

設計方案優化

“云燕”可變翼貨運無人機總體設計方案后續將圍繞兩方面進行改進。

（1）機身氣動外形和機身裝載率的多目標優化

圓柱形機身氣動阻力小，而長方形機身裝載率高，兩者之間存在最優外形，多目標優化設計是一種有效解決方案；

（2）地面裝卸和操作流程優化

對地面人員操作流程、貨艙分區及貨物放置位置等進行優化，盡可能減小貨物重量和尺寸對無人機重心的影響，并提高地面人員操作效率。