一種垂直起降固定翼飛行器的設(shè)計(jì)與制作

王思奇　呂鴻雁　曾傳楊　于航程　蔣中銓　顧思衍

【摘 要】本文將固定翼飛行器和旋翼機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種垂直起降的固定翼飛行器，可實(shí)現(xiàn)垂直起降、空中懸停和固定翼方式巡航。機(jī)翼為平直翼的設(shè)計(jì)，翼稍有可傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)。巡航飛行時(shí)，兩個(gè)旋翼可以旋轉(zhuǎn)90°為平行于飛機(jī)縱軸狀態(tài)，為巡航飛行提供動(dòng)力，能耗相對較小，并具有較高飛行速度和較大的飛行半徑。

【關(guān)鍵詞】垂直起降；固定翼；飛行器設(shè)計(jì)

0 引言

直升機(jī)和四旋翼飛行器均可垂直起降，但直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜、不易維護(hù)，而四旋翼飛行器能耗大、飛行速度低、飛行半徑很??；固定翼飛機(jī)飛行能耗小、飛行半徑大，但垂直起降與懸停實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且不適用于狹小地段的偵查。因此，設(shè)計(jì)一種既可以像直升機(jī)那樣垂直起降和豎直懸停，又可像固定翼飛機(jī)那樣利用機(jī)翼升力進(jìn)行相對低能耗飛行時(shí)間較長的無人機(jī)具有重要的意義。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的垂直起降固定翼飛行器，將固定翼飛行器和旋翼機(jī)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)垂直起降、空中懸停和固定翼方式巡航。該飛行器的主要特點(diǎn)為：（1）飛行器兼具旋翼機(jī)和固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)。既能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降和垂直懸停，又可變形為可較長時(shí)間飛行的固定翼飛行器，可以根據(jù)需要在這二者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（2）巡航飛行時(shí)，兩個(gè)旋翼可以旋轉(zhuǎn)90°為平行于飛機(jī)縱軸狀態(tài)，為巡航飛行提供動(dòng)力，能耗相對較小，并具有較高飛行速度和較大的飛行半徑。

2 飛行器的設(shè)計(jì)方案

2.1 飛行器的總體設(shè)計(jì)方案

要實(shí)現(xiàn)飛行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要有三個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)：（1）如何設(shè)計(jì)旋翼的90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；（2）如何保證各個(gè)電機(jī)更好地協(xié)調(diào)；（3）在四軸飛行器狀態(tài)下，如何控制飛機(jī)在航向上轉(zhuǎn)彎。針對上述的關(guān)鍵點(diǎn)，確定了飛行器的總體設(shè)計(jì)方案。

飛行器主要由機(jī)翼、機(jī)身、動(dòng)力裝置、尾翼和起落架五個(gè)部分組成，氣動(dòng)布局采用雙垂尾和平直翼的設(shè)計(jì)，翼尖安裝可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

機(jī)翼為平直翼的設(shè)計(jì)，翼稍有可傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)，即在0°時(shí)為飛行器提供垂直力，實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直起降和懸停，旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)，旋翼為飛行器提供向前的動(dòng)力。雙垂直尾翼的設(shè)計(jì)是為了加強(qiáng)飛機(jī)的方向穩(wěn)定性和操縱性，以便在旋翼提供垂直力的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)飛行器的航向控制。

由于機(jī)身寬度較小，在機(jī)翼與機(jī)身的連接部分使用了結(jié)構(gòu)牢固的Y型支架連接以提高穩(wěn)定性。起落架的設(shè)計(jì)為硬度較大的鐵絲，考慮到支撐可能不夠平穩(wěn)，在鐵絲的外側(cè)包圍一層厚海綿，以增大起落架的面積，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

2.2 可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，在地面時(shí)，飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)是垂直向上的，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，通過槳葉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，將飛行器帶到安全高度，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)遙控器的旋鈕，可以控制飛行器的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，即連接螺旋槳與機(jī)翼的部分旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，直至轉(zhuǎn)換至“固定翼模式”。通過遙控器的控制，舵機(jī)可將發(fā)動(dòng)機(jī)牢牢固定在平行于地面的角度，保證它的飛行穩(wěn)定性。

2.3 控制部分的設(shè)計(jì)

控制部分，選擇6通道紅外線遙控器，遙控器可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，還可控制飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)示意圖見圖3。

由紅外遙控器向接收機(jī)傳輸信號(hào)，緊接著，接收機(jī)向飛控傳輸電信號(hào)以達(dá)到飛行器的控制。飛控作為整架飛行器的核心，分別控制4個(gè)舵機(jī)和兩個(gè)電調(diào)，4個(gè)舵機(jī)中，由兩個(gè)舵機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，另外，兩個(gè)舵機(jī)控制飛行器的滾轉(zhuǎn)。

3 材料的選擇與制作

考慮到飛行器的經(jīng)濟(jì)性和易操控性，選擇了輕質(zhì)KT板作為飛行器機(jī)身及翼面的主要材料。結(jié)構(gòu)方面，起初的設(shè)想是使用質(zhì)量輕硬度高的碳棒作為整體的骨架，可是由于碳棒柔韌度滿足不了需求，難加工，且易碎，最后選擇了輕質(zhì)的桃木作為飛行器的整體骨架，桃木雖然重量相比碳棒會(huì)增加不少，但是加工起來較為容易，堅(jiān)硬程度也滿足需求。將飛行器的骨架更改為桃木之后，便需要更大的升力將飛行器抬升到合適的高度，選擇了2700KV的無刷電機(jī)。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)的材料主要為金屬，重量為12g，扭矩為1.5/1.8kg.cm，在旋轉(zhuǎn)到需要固定的角度時(shí)，舵機(jī)內(nèi)的齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)內(nèi)側(cè)有一個(gè)小的凹槽，以達(dá)到舵機(jī)固定后的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

對制作完成的飛行器進(jìn)行了試飛，并就試飛中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)與完善，最終，該飛行器成功實(shí)現(xiàn)了垂直起降、空中懸停和固定翼狀態(tài)下的巡航，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王淑芬.叉"R.無人機(jī)發(fā)展的情報(bào)研究[J].飛航導(dǎo)彈，1998（10）：31-42.

[2]劉麗麗.四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D].中南大學(xué)，2009.

[3]聶博文.微小型四旋翼無人直升機(jī)建模及控制方法研究[D].國防科技大學(xué)，2006.

[4]周建軍，陳趨，崔友金.無人直升機(jī)的發(fā)展及其軍事應(yīng)用[J].航空科學(xué)技術(shù)，2003（1）：38-40.

[責(zé)任編輯：王楠]