雙發固定翼無人機的側向大過載系統設計＊

吳 雙，劉清成，朱 琦，王 涵，趙文龍，高美妍，謝琪琪，陳正揚

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

對于給定布局的飛機，垂尾的設計通常是由方向舵的最大可用偏度決定的，應確保飛機機動能力合適[1]。水舵在滑行過程中主要承受水載荷的作用，水舵在水載荷作用下關系到飛機在水面滑行時的機動性和操縱性，偏航機動是由方向舵快速大幅偏轉引起的側向機動，機動過程中方向舵、垂尾上產生較大氣動載荷并傳遞到后機身[2]。偏航機動是民用飛機載荷設計中非常重要的一種機動情況，是垂尾、后機身等部件載荷嚴重的情況之一，因此民用客機在方案設計中不能追求較大的過載[3-4]，而無人軍機為了戰場的生存力，必須具有較大的機動能力。目前無人機更多地使用電能代替傳統液壓、氣壓和機械能，是先進飛機發展的方向[5]，也是未來輕便察打一體機的發展方向。

本文的?？找惑w固定翼無人機綜合考慮無人機電機位置的合理布局，采用了雙電機差速設計，同時該機采用方向舵和水舵進行一體化設計，即當油門遙桿左上或者右上撥動，可以實現察打機的左加速轉彎或者右加速轉彎，從而在不損失較大速度的前提下，實現飛機的機動轉彎，減小被武器系統摧毀的概率[6]，增加海空一體固定翼無人機的生存力。

1 水平側向扭矩過載模型

通過對海艇和空中固定翼飛機的分析，得出飛機海上初始機動僅僅依靠飛機的方向舵，轉彎效率低，尤其在單電機推力情況下，而采用海上方向舵和空中方向舵一體化設計，增大了舵面積和舵效率，同時相對于傳統單發固定翼無人機而言，通過新增左右2個電機，通過電路設計控制左右電機的差速運轉，更有利于提高飛機的機動過載。飛機整體布局如圖1所示。

圖1 高機動?？展潭ㄒ頍o人機示意圖

根據圖1，當無人機水平急速規避時，可以建立差速電機的扭矩數學模型：

式（1）中：M1為差速電機的扭矩；F1和F2分別為左右電機拉力；L1和L2分別為左右電機力臂長度。

通常為了便于控制，可取L1=L2=L，因此式（1）可以簡化為：

設飛機在空中飛行時，垂翼的面積為S1，方向舵面積設為S2，其中包括飛機的方向舵的面積S3和水舵的面積S4，即S2=S3+S4，因此包括方向舵和水舵的垂尾總面積S=S1+S3+S4，所以當方向舵和水舵的舵偏角度最大時，則僅采用一體化舵實現偏航的扭矩M2為：

式（2）中，F3為由于方向舵偏轉而形成的側力，其大小與側力系數Cz、動壓（q=0.5·ρ·v2）和一體化垂尾總面積S有關，F3=0.5·ρ·v2·Cz·S，所以M2可以表示為M2=0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

當一體化舵和差速電機同時作用時，圍繞重心參考點的合成扭距M可表示為M=M1+M2=（F2-F1）·L+0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

2 無人機偏航扭矩仿真分析

根據樣機的方案設計，樣機質量為20 kg，展長最大為1.6 m，因此L可選擇的最大值為0.8 m。當無人機僅依靠差速電機實現過載偏航時，單電機工作的過載效率最高，假設左轉彎，則可設左電機拉力為0，則單發電機拉力扭矩M1與力臂L的關系仿真如圖2所示。

圖2 單發工作力臂L與扭矩M1的關系圖

從圖2可知，電機的力臂越長，電機所需拉力越小，但是當電機靠近展向最邊界時，對飛行的穩定性以及結構設計不利，所以對于該低速無人機，可以選擇力臂長為0.5 m，這樣既可以滿足平時雙發正常飛行，又可以使單發過載達到15 Nm的扭矩。

當僅采用操縱一體化舵實現側滑過載時，如控制方向舵左偏，則無人機將向右側滑，飛機將左轉彎，此時無人機受到的扭矩M2與由于方向舵偏轉而形成的側力F3和力臂L3都有關。根據方案，無人機速度v的范圍為1～38 m/s，垂尾面S=0.2 m2，則無人機受到的扭矩M2和速度v的仿真示意圖如圖3所示。

圖3 舵偏時扭矩M2與無人機速度v的關系圖

從圖3可以看出，無人機速度越大，側向力越大，從而扭矩越大。當無人機達到最大速度38 m/s時，無人機受到的扭矩為18.4 Nm。

為了實現有效的水平轉彎，需要恰當使用一體化方向舵和差速電機。主電機不同轉速對應不同的動力，可以提供無人機平飛時的動力。為了說明無人機在不同的平飛速度下的機動，圖4—圖7分別給出無人機水平速度在10 m/s、20 m/s、30 m/s和38 m/s時，最大一體化方向舵偏角和單（左）電機不同拉力作用下的合成扭矩M與力臂L的關系圖。

綜合圖4—圖7可知，無人機的速度越大，雙電機的差速拉力越大，可以實現的水平方向的扭矩越大，從而可以使無人機獲得較大的水平偏轉，減小被敵方炮火等摧毀的概率。

圖4 最大舵偏（無人機速度10 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖5 最大舵偏（無人機速度20 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖6 最大舵偏（無人機速度30 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

圖7 最大舵偏（無人機速度38 m/s）和左電機不同拉力下的合成扭矩圖

3 結論

針對目前?？展潭ㄒ盹w行器機動性機動性小導致飛機容易被摧毀的弊端，在保留中心電機驅動的基礎上，采用左右電機差速驅動以及方向舵和水舵一體化設計方案。仿真結果表明，無人機的速度越大，一體化方向舵偏角越大，同時雙電機的差速拉力越大，可以實現的水平方向偏轉扭矩也較大，從而可以滿足?？諆捎霉潭ㄒ頍o人機的快速高側向機動的需求。