四旋翼微型直升機(jī)

涼　亭

進(jìn)入90年代,各種先進(jìn)微型制造技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng)、微電子和一體化技術(shù)的迅速發(fā)展,使微型飛行器的研制成為可能。1992年,在美國國防部預(yù)先研制計劃局(DARPA)美國蘭德公司主持召開的一次專題討論會上,首次提出了微型飛行器概念。當(dāng)時蘭德公司高級科學(xué)家奧根斯坦領(lǐng)導(dǎo)著一個微型飛行器研究專家小組,他們在研制如同蜂鳥和1厘米大小的各種微型飛行器。

多大的飛行器才算微型飛行器呢?1996年,美國國防部預(yù)先研究計劃局在開始執(zhí)行微型飛行器計劃時所下的定義是:飛行器外形的長、寬、高都小于15.24厘米,起飛重量低于100克的稱為微型飛行器?，F(xiàn)在,人們普遍采用這個定義。

微型飛行器的用途

微型飛行器由于體積小、隱蔽性好、性能穩(wěn)定,因而在軍事方面能執(zhí)行多項任務(wù),甚至可完成其他飛行器無法完成的任務(wù)。例如:

可用作偵察和監(jiān)視。微型飛行器攜帶能全天候工作的圖像傳感器后,非常適宜于在50米左右的空中執(zhí)行偵察任務(wù)。它可以貼近目標(biāo)實施偵察,尤其是對偵察衛(wèi)星和軍用偵察機(jī)監(jiān)視不到的死角,或人員無法到達(dá)的險要地區(qū)進(jìn)行偵察,還可以部署到適當(dāng)位置,充當(dāng)固定的、不被注意的地面?zhèn)鞲衅?并能實時準(zhǔn)確地把偵察到的信息傳送回來。

可實施突襲。微型飛行器雖然尺寸小、有效載荷量有限,但如果裝上一些高效能彈藥或者一些其它武器,就能趁敵不備實施各種突襲和打擊任務(wù)。

可用于通信中繼。微型飛行器裝上攝像機(jī)和傳送機(jī)后,可執(zhí)行一些危險的拍攝任務(wù),并能實時傳輸給作戰(zhàn)指揮中心,或前線士兵手中的微型計算機(jī)。它不必?fù)?dān)心有人員傷亡,若被擊落,損失也不大,可及時再發(fā)送新機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

可執(zhí)行電子干擾任務(wù)。微型飛行器可以充分發(fā)揮隱身性能好的長處,攜帶微型電子干擾機(jī),飛抵距敵雷達(dá)、通信設(shè)施工作區(qū)足夠近的地方,實施有效的干擾。如果干擾效果不理想,可增加飛行器的數(shù)量,實行“集群干擾”的戰(zhàn)術(shù)。

可用于生化探測。在遭敵核武器、生物武器和化學(xué)武器襲擊后,攜帶特殊設(shè)備的微型飛行器可以飛入污染區(qū)的上空,進(jìn)行仔細(xì)周密的探測,而不必考慮人員傷亡問題。

此外,微型飛行器還可以執(zhí)行目標(biāo)指示,為被擊落的飛行員提供信息,或給搜索救援人員發(fā)射求救信號等多種任務(wù)。

在民用方面,微型飛行器可用于生物和化學(xué)物質(zhì)檢測、交通監(jiān)視、城市情報搜集、大氣探測和行星探測等。微型飛行器在行星探測中具有很大優(yōu)勢,因為把每一克重量送上行星的費(fèi)用都很高,而它的重量卻極輕。

微型直升機(jī)的優(yōu)點

微型飛行器許多任務(wù)的一個共同要求是要能懸停和巡邏。對于執(zhí)行這些任務(wù),微型直升機(jī)與微型固定翼飛機(jī)相比有很多優(yōu)點,特別是在很有限的空間環(huán)境下,需要飛行器保持靜止不動的懸?；蜃鰴C(jī)動飛行時更是這樣。例如,在建筑物周圍和內(nèi)部搜集情報,就需要具有先進(jìn)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的能懸停的飛行器。因為微型直升機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,懸停時保持位置的能力強(qiáng),所以微型直升機(jī)用于執(zhí)行這些任務(wù)是較理想的。在許多攝像任務(wù)中,不能使用速度較高的微型固定翼飛機(jī),卻能使用四旋翼微型直升機(jī)。

在微型尺寸條件下,直升機(jī)通常具有效率低的缺點并不明顯,而固定翼飛機(jī)較高的升阻比和升力系數(shù)優(yōu)勢卻有明顯減小,所以使用微型直升機(jī)就更有利。

四旋翼微型直升機(jī)

微型直升機(jī)與普通直升機(jī)一樣有各種構(gòu)型,如單旋翼帶尾槳式、雙旋翼共軸式和多旋翼式等。下面介紹的是美國斯坦福大學(xué)研制的一種四旋翼微型直升機(jī)。

該機(jī)的4副旋翼成正方形布置,分別由4個直流電機(jī)直接驅(qū)動。全機(jī)的最大尺寸小于5厘米,總重小于15克。從題圖可以看出該機(jī)的基本布局和結(jié)構(gòu):機(jī)體為四方形框架結(jié)構(gòu),中間對稱裝有8個微型電池,由它們?yōu)轵?qū)動直流電機(jī)提供能源;微型旋翼布置在機(jī)體的四角,每個旋翼下面則是直流電機(jī)。

在研制四旋翼微型直升機(jī)的過程中,斯坦福大學(xué)的研究者們主要遇到以下3個難題:

低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)問題微型直升機(jī)旋翼的雷諾數(shù)在1000至6000范圍內(nèi)。在這個范圍內(nèi),氣流的粘性問題十分明顯,以前用于螺旋槳和旋翼設(shè)計的一些簡單工具已不適用了,甚至一些基本設(shè)計規(guī)則也不適用。

微型制造技術(shù)為了達(dá)到要求的升阻比,必須制造小尺寸的光滑旋翼。傳統(tǒng)的微型制造技術(shù)已不能滿足要求,它一般不用于制造50微米的薄零件,必須重新考慮加工工藝和加工步驟。

動力與控制系統(tǒng)雖然可以使用高能電池的種類越來越多煹要找到具有高能量、大電流,適合于微型直升機(jī)使用的特小電池仍不容易。而且,這些小裝置的控制也是一個問題。由于它們的尺寸小,所以持續(xù)穩(wěn)定工作的時間也非常短。此外,電機(jī)、飛行控制傳感器的加工工藝和質(zhì)量也有些問題需要解決。

美國斯坦福大學(xué)的研制者們經(jīng)過努力,基本上解決了上述問題,制造出了四旋翼直升機(jī)的原型機(jī),并進(jìn)行了系留飛行試驗。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的微型直升機(jī)旋翼槳葉,是一種非常薄的三維結(jié)構(gòu)?？紤]到槳轂的連接強(qiáng)度可能不夠,同時也為了避免應(yīng)力集中,又對槳轂部分進(jìn)行了加強(qiáng)。由于旋翼的設(shè)計直徑為1.5厘米,厚度不能超過50微米,超過50微米其空氣動力性能就會大大下降,因此它的強(qiáng)度和剛度極小,選擇材料和制造都十分困難。

斯坦福大學(xué)的研制者們考慮了用于制造旋翼的3種材料,即聚合物、金屬和陶瓷,摸索了使用這3種材料的各種制造工藝,并最終選擇了一種特殊的制造方法。這種制造方法由制造復(fù)雜形狀石蠟?zāi)Ｐ凸に嚢l(fā)展而來,適合用于對聚合物和陶瓷材料進(jìn)行成形加工。

制造微型旋翼的步驟如下:

將旋翼設(shè)計參數(shù)輸入計算機(jī),通過計算機(jī)輔助設(shè)計給出旋翼槳葉各點的弦長、扭轉(zhuǎn)角和翼型形狀,最后設(shè)計出旋翼的計算機(jī)模型;

根據(jù)旋翼的計算機(jī)模型,編制計算機(jī)數(shù)字控制加工程序,并加工出旋翼鑄造模具;

用聚合物填充模具鑄造出旋翼;

脫模,對旋翼表面進(jìn)行打磨加工,以保證表面光滑潔凈。

四旋翼微型直升機(jī)最初的原型機(jī),采用從市場上購買來的無刷直流電機(jī)。這些電機(jī)雖從市場購得,但效率卻很高,可達(dá)到60%至67%。為控制電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速,斯坦福大學(xué)的研制者們采用了總重量小于1克的電子控制設(shè)備,即電機(jī)控制器。由于需要4至9伏的電壓才能驅(qū)動電機(jī),所以微型直升機(jī)采用了8個小電池。

通過電機(jī)控制器對電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的控制,不僅可以控制整個直升機(jī)升力的大小,而且還能調(diào)節(jié)操縱力矩,使直升機(jī)實現(xiàn)橫滾、俯仰和偏航等飛行。雖然飛行的穩(wěn)定性問題已得到解決,但控制這種飛行器的通信系統(tǒng)還在研制之中。

微型直升機(jī)試驗計劃,包括電機(jī)、電池和控制器的特性試驗,確定旋翼升力和操縱力矩的試驗,以及四旋翼微型直升機(jī)的系留飛行試驗。通過對單個旋翼的旋轉(zhuǎn)試驗,以及由3毫米電機(jī)驅(qū)動的微型直升機(jī)原型機(jī)的系留飛行試驗,表明旋翼的最大升力已達(dá)到預(yù)期值的80%左右。

斯坦福大學(xué)對微型直升機(jī)的研制和研究說明,1.5厘米的微型直升機(jī)是可能成功的,并能載運(yùn)10克有效載荷。因此,它們有可能在不久的將來用于攜帶較為簡單的傳感器執(zhí)行任務(wù),并在此后逐漸改進(jìn)、完善,最終形成可控成組飛行力量,執(zhí)行特殊的信息搜集任務(wù)。

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