油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

康桂文，李正浩

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136； 2.遼寧通用航空研究院，沈陽(yáng) 110136；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

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油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

康桂文1,2，李正浩3

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136； 2.遼寧通用航空研究院，沈陽(yáng) 110136；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

結(jié)合遼寧通用航空研究院正在研發(fā)的油動(dòng)四旋翼飛行器，闡述了飛行器整體的動(dòng)力系統(tǒng)布局和參數(shù)匹配的原則，并且提出了相對(duì)于油動(dòng)四旋翼的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配和性能驗(yàn)證的方法。從四旋翼機(jī)的系統(tǒng)質(zhì)量結(jié)構(gòu)、飛行性能、實(shí)際應(yīng)用性驗(yàn)證其系統(tǒng)的可行性。

四旋翼飛行器；油動(dòng)力系統(tǒng)；參數(shù)匹配；活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

四旋翼飛行器以其獨(dú)特的飛行特點(diǎn)和優(yōu)越的性能，在軍用和民用的航空作業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。早在1907年，由Breguet-Richet發(fā)明的世界第一架四旋翼飛行器“Gyroplane No.1”升上了天空[1-2]。四旋翼飛行器依靠螺旋槳產(chǎn)生的升力與力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸停和精確的飛行[3-4]，飛行姿態(tài)靈活且易于控制，優(yōu)異的懸停能力使其能在有限的空間垂直起降并進(jìn)行作業(yè)[5]。通過(guò)內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，做出相應(yīng)的飛行動(dòng)作和定點(diǎn)航線飛行，完成相應(yīng)的任務(wù)[6-7]。旋翼機(jī)已經(jīng)在重大自然災(zāi)害評(píng)估、搶險(xiǎn)救援、環(huán)境保護(hù)、電力巡線、航空測(cè)繪，通信中繼、農(nóng)業(yè)施肥和病蟲(chóng)防治、警用和軍用任務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[8-9]。相比電動(dòng)旋翼飛行器，油動(dòng)旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但有效載荷和飛行時(shí)間都有很大提升。根據(jù)工況和整體設(shè)計(jì)要求，對(duì)旋翼機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)提出參數(shù)匹配的方法。

1 機(jī)身整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的油動(dòng)四旋翼飛行器主要是作為一個(gè)可以垂直起降的平臺(tái)，搭載貨物或?qū)嵤┳鳂I(yè)的工具。為了滿(mǎn)足這些要求，設(shè)計(jì)飛行器的相關(guān)參數(shù)要求如表1所示：

表1 油動(dòng)四旋翼飛行器設(shè)計(jì)參數(shù)要求

為了提高載重量、增大懸停時(shí)間，在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，盡可能地減小油動(dòng)四旋翼飛行器的自身重量，飛行器整體結(jié)構(gòu)主要分為4個(gè)部分。1)主機(jī)身：主體機(jī)身設(shè)計(jì)在整個(gè)四旋翼飛行器的機(jī)體中央部分，由一塊固定板，兩塊支撐板作為框架結(jié)構(gòu)，所有材料全部采用輕質(zhì)鋁合金，主體結(jié)構(gòu)框架的四個(gè)頂端有突出的圓柱，目的是為了更加牢固地支撐旋翼飛行器的四個(gè)旋翼臂。2)旋翼臂：旋翼臂與主體連接處添加了聚氨酯，對(duì)旋翼機(jī)振動(dòng)起到緩沖的作用，動(dòng)力源的改變使其產(chǎn)生的力矩比較大，不會(huì)像電動(dòng)旋翼機(jī)那樣采用碳纖維制成，整個(gè)旋翼臂的受力會(huì)很大，所以仍然用輕型的鋁合金加工而成。3)動(dòng)力系統(tǒng)：主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋翼。4)輔助設(shè)備和負(fù)載：主要包括起落架、減震墊等輔助設(shè)備，在實(shí)際的飛行過(guò)程中，針對(duì)不同作業(yè)負(fù)載不同的工具。

2 動(dòng)力系統(tǒng)布局

動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋翼3個(gè)部分，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)，飛控裝置可改變油門(mén)或旋翼槳距來(lái)變化飛行器升力，同時(shí)為保證系統(tǒng)安全，發(fā)動(dòng)機(jī)的磁電機(jī)處安裝了一個(gè)主停車(chē)開(kāi)關(guān)，在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)此開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。

動(dòng)力系統(tǒng)中控制器的輔助電源由24 V鋰電池組直接提供，操控員通過(guò)遙控器操控舵機(jī)，只改變旋翼的槳距，以適應(yīng)不同的飛行狀態(tài),油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳、離合器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為該動(dòng)力系統(tǒng)的核心，本文主要對(duì)這幾個(gè)方面的參數(shù)匹配進(jìn)行討論和分析。

3 參數(shù)匹配的原則和步驟

油動(dòng)四旋翼飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求動(dòng)力系統(tǒng)滿(mǎn)足各飛行狀態(tài)下的最大升力要求。動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配原則為：針對(duì)設(shè)計(jì)飛行器的類(lèi)型以及目標(biāo)工作狀況，在確保飛行器整體動(dòng)力性的前提下，保證動(dòng)力系統(tǒng)總質(zhì)量最小。實(shí)際參數(shù)匹配過(guò)程中，油動(dòng)四旋翼的動(dòng)力系統(tǒng)都采用現(xiàn)有的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)變量為有限個(gè)數(shù)的離散值，可找到符合要求的最優(yōu)值和各個(gè)零部件配置[5]。

參數(shù)匹配步驟為：依據(jù)四旋翼飛行器的總體設(shè)計(jì)要求，選定發(fā)動(dòng)機(jī)，得到飛行器旋翼的轉(zhuǎn)速、直徑等參數(shù)，最后得到飛行器的各種飛行狀態(tài)。

參數(shù)確定后匹配還未完成，應(yīng)根據(jù)旋翼飛行器的工作狀態(tài)，驗(yàn)證匹配可行性，如果存在不滿(mǎn)足的條件，則重新確定參數(shù)匹配。動(dòng)力參數(shù)匹配的步驟見(jiàn)圖2。

4 參數(shù)匹配方法

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行器的動(dòng)力來(lái)源，其功率的選擇關(guān)系到飛行器動(dòng)力性能。選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)十分必要，功率過(guò)小，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過(guò)載狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致壽命大大縮短，或者飛行器根本無(wú)法起飛；功率過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在負(fù)載較低的狀態(tài)下運(yùn)行，效率大大降低[10]，發(fā)動(dòng)機(jī)的自身重量過(guò)大，選配的啟動(dòng)電機(jī)和啟動(dòng)盤(pán)等部件的質(zhì)量也會(huì)隨之變大。

圖2 油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力參數(shù)匹配步驟

針對(duì)設(shè)計(jì)之初300 kg的起飛重量，先選定一個(gè)功率高且穩(wěn)定性好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的考察，最終選定了Limbach公司的DL275E型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，表2顯示DL275E的技術(shù)參數(shù)。

表2 DL275E航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速取決于選配的旋翼，范圍大致在1 000 r/min到3 500 r/min之間。

圖3顯示了DL275E發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率、扭矩、耗油量之間的關(guān)系。

圖3 功率、扭矩、耗油量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

分別選用推槳、拉槳，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面測(cè)試，驗(yàn)證其性能。

圖4顯示在大氣溫度27.4 ℃、大氣濕度80%、大氣壓力101.4 kPa環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力曲線。

圖4 DL275E 發(fā)動(dòng)機(jī)拉力曲線

圖5 DL275E 發(fā)動(dòng)機(jī)推力曲線

圖5顯示在大氣溫度26.8 ℃、大氣濕度78%、大氣壓力101.8 kPa環(huán)境下、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力曲線。

圖3顯示出DL275E在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出扭矩和功率，圖4和圖5顯示出DL275E在地面測(cè)試中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處在3 000 r/min～6 500 r/min范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 500 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到20 HP，滿(mǎn)足初選性能要求，所以DL275E發(fā)動(dòng)機(jī)較為適合。

4.2 離合器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選定

4.2.1 離合器選擇

飛行器啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)從完全靜止的狀態(tài)逐步加速。如果傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性聯(lián)接，產(chǎn)生的阻力矩會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬間轉(zhuǎn)速急劇下降到1 000 r/min以下，發(fā)動(dòng)機(jī)即熄火而不能工作，當(dāng)然飛行器也不能正常起飛。

DL275E發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 000 r/min左右是屬于怠速狀態(tài)，并且不致熄火。同時(shí)為防止因與傳動(dòng)系統(tǒng)剛性連接而造成轉(zhuǎn)速急劇降低，有必要選用離合器來(lái)解決此問(wèn)題，慣性力矩?cái)?shù)值不能超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)規(guī)定的最大扭矩1 000 kg·cm2，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速范圍，選取摩擦式離合器，來(lái)消除主動(dòng)部分和從動(dòng)部分之間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

4.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)定

錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是把發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞出去，而對(duì)其基本的要求為高精度、快速響應(yīng)、良好穩(wěn)定性。同時(shí)在不影響機(jī)械系統(tǒng)剛度的前提下，選定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡量減小，并且在動(dòng)力源的帶動(dòng)下，完成預(yù)定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能要求。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選定要求：

1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，機(jī)械負(fù)載增大。

2)系統(tǒng)響應(yīng)速度和靈敏度較高，并且不容易產(chǎn)生諧振。

3)具有較大的剛度、良好可靠性。

因?yàn)轱w行器在設(shè)定之初已經(jīng)確定為定速飛行，設(shè)定錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩端輸入和輸出轉(zhuǎn)速分別為5 400 r/min和1 800 r/min，得到錐齒輪的齒輪比為3：1，按照旋翼計(jì)算出來(lái)的扭矩確定齒輪的模數(shù)，之后按照KHK標(biāo)準(zhǔn)齒輪選定標(biāo)準(zhǔn)確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)錐齒輪組。

4.3 旋翼選擇

旋翼是動(dòng)能功率最終的輸出端，而旋翼的匹配是在滿(mǎn)足功率要求下，與發(fā)動(dòng)機(jī)處于同一轉(zhuǎn)速高效運(yùn)行。

設(shè)定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪比為3:1的前提下，對(duì)旋翼進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)功率為額定功率的75%，正常工作轉(zhuǎn)速則在5 400 r/min左右，得到輸出轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

計(jì)算旋翼直徑時(shí)，翼載荷σ與旋翼徑長(zhǎng)R、負(fù)載M有關(guān)，速度V則與轉(zhuǎn)速Ω、徑長(zhǎng)R有關(guān)[11-14]。

(1)

V=ΩR

(2)

(3)

(4)

σ=10kg/m2,M=37.5 kg，由式(1)-式(4)得旋翼徑長(zhǎng)R=1.1 m，Ω=188.4 rad/s，V=207.24 m/s，計(jì)算出馬赫數(shù)為0.609，屬于亞音速可壓縮流。

展弦比的大小對(duì)飛機(jī)飛行性能有明顯的影響，比值大則旋翼產(chǎn)生的升力也增大，式(5)為展弦比計(jì)算公式。

(5)

λ取10計(jì)算出弦長(zhǎng)b=0.11 m。

槳盤(pán)實(shí)度δ與旋翼面積S、葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)掠過(guò)面積有關(guān)，一般在0.006～0.12之間。

(6)

由式(6)計(jì)算出δ=0.031 8，在有效范圍之內(nèi)，則選取徑長(zhǎng)1.1 m，弦長(zhǎng)0.11 m的旋翼。

5 匹配結(jié)果分析

按照槳葉任一半徑處葉素的速度關(guān)系和受力關(guān)系如圖6[15]。

圖6 速度關(guān)系和受力關(guān)系

式(7)、式(8)為作用在葉素dr段的升力和阻力：

(7)

(8)

b為旋翼的寬度，Cx和Cy分別為翼型升力、阻力系數(shù)，X為旋翼阻力，Y為旋翼升力，W為旋翼剖面的相對(duì)氣流合速度，y為旋翼剖面距旋翼轂中心的距離，β*為剖面的來(lái)流角，則拉力為

dT=dYcosβ*-dXsinβ*

(9)

對(duì)式(9)積分得拉力公式(10)

(10)

設(shè)計(jì)的變槳距結(jié)構(gòu)使β*的變化范圍為0°到15°，設(shè)定操控起飛油門(mén)為整個(gè)油門(mén)行程60%，也就是當(dāng)β*=9°時(shí)，飛行器可以起飛。

式(11)為旋翼的輸出功率。

P=TV

(11)

變旋翼轉(zhuǎn)速為1 800 rpm，把旋翼臂看作一個(gè)整體，由式(10)計(jì)算得到T=1 186.1 N，換算成質(zhì)量為121 kg，功率P=13 235 W，四個(gè)旋翼臂產(chǎn)生的升力總和為480 kg，足夠帶動(dòng)飛行器起飛，式(12)為功率P、扭矩F和轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系。

(12)

計(jì)算得此狀態(tài)下旋翼產(chǎn)生扭矩F=95.4 N。

圖7為升力曲線圖，表示在不同角度下，旋翼產(chǎn)生的升力。

當(dāng)β=6°時(shí)，單個(gè)旋翼臂產(chǎn)生的升力L已經(jīng)達(dá)到800 N，總升力大于飛行器的重力，旋翼與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好，滿(mǎn)足動(dòng)力性能要求。

圖7 旋翼升力曲線

6 結(jié)論

通過(guò)油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證，得出下列結(jié)論：

1)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)不僅可為旋翼油動(dòng)系統(tǒng)集成優(yōu)化提供依據(jù)，也為下一步性能仿真提供參考，本文介紹的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法是一種適合油動(dòng)四旋翼飛行器動(dòng)力系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的有效方法。

2)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配中的初始條件需考慮飛行器的總體設(shè)計(jì)，飛行器各狀態(tài)的功率和能量也需依據(jù)飛行器的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

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(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉飛)

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2015年12月14日，我刊編輯部收到中國(guó)科技期刊研究會(huì)國(guó)際檢索系統(tǒng)咨詢(xún)部的郵件通知，經(jīng)俄羅斯全俄科學(xué)技術(shù)信息研究所(VINITI)專(zhuān)家組的綜合評(píng)估，《沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》被俄羅斯《文摘雜志》收錄，正式成為其收錄源期刊。這是繼美國(guó)《烏利希期刊指南(網(wǎng)絡(luò)版)》(Ulrich web)后，我刊被第2個(gè)國(guó)際檢索系統(tǒng)收錄。

俄羅斯《文摘雜志》(Abstracts Journal，簡(jiǎn)寫(xiě) AJ)，創(chuàng)刊于 1952 年，目前共有 24 卷，210 冊(cè)，收錄 130 個(gè)國(guó)家和地區(qū)60余種文字2.2萬(wàn)種期刊和圖書(shū)、專(zhuān)利、會(huì)議錄等，覆蓋了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科。與美國(guó)《科學(xué)引文索引》(SCI)、美國(guó)《工程索引》(EI)、美國(guó)《化學(xué)文摘》(CA)、英國(guó)《科學(xué)文摘》(SA)、日本《科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)》(CBST)等并稱(chēng)為國(guó)際 6 大權(quán)威文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)?！段恼s志》也與法國(guó)《文摘通報(bào)》(BS)，日本《科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)》(CBST)一起被稱(chēng)為世界著名3大綜合檢索系統(tǒng)。

受?chē)?guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，很多國(guó)際檢索系統(tǒng)所在數(shù)據(jù)公司經(jīng)費(fèi)短缺，數(shù)據(jù)庫(kù)加工能力不足。同時(shí)由于語(yǔ)言障礙等原因，很多國(guó)際檢索系統(tǒng)收錄的中國(guó)期刊普遍點(diǎn)擊率偏低，所以大多數(shù)國(guó)際檢索系統(tǒng)對(duì)新刊遴選條件趨于苛刻，對(duì)中國(guó)期刊的接受越來(lái)越艱難。截至2015年12月，俄羅斯《文摘雜志》共收錄約700種中國(guó)期刊。我刊從2013年11月首次向AJ申請(qǐng)收錄，并不斷加強(qiáng)約稿，努力提高文章的學(xué)術(shù)質(zhì)量，經(jīng)AJ專(zhuān)家2年的嚴(yán)格跟蹤評(píng)估后，最終被該數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。在11種最新被收錄的中文期刊中，我刊位列第一位。能夠被《文摘雜志》收錄，是我刊多年來(lái)堅(jiān)持辦刊宗旨、嚴(yán)格審稿制度，不斷提高刊物質(zhì)量的體現(xiàn)，對(duì)加強(qiáng)我校學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究成果在國(guó)內(nèi)外的傳播將產(chǎn)生很大的促進(jìn)作用。

Parameter matching for propulsion system of piston powered quadrotor

KANG Gui-wen1,2，LI Zheng-hao3

(1.General Aviation Key Laboratory,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China; 2.Liaoning General Aviation Academy,Shenyang 110136,China;3.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Based on the piston powered quadrotor developed by Liaoning General Aviation Academy,the authors introduced the quadrotor′s propulsion system′s basic layout and parameter matching principle.The corresponding method for parameter matching and performance verification was also proposed.The quadrotor proves its feasibility from the aspects of the system′s mass structure,flight performance and various applications.

rotorcraft;piston powered propulsion system;parameter matching;piston engine

2015-05-12

康桂文(1972-)，男，遼寧義縣人，副教授，博士，主要研究方向：活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法，E-mail：kanggw@126.com。

2095-1248(2015)06-0044-06

V234

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.06.005