試析微型飛行器的設(shè)計原則及策略

楊大赫

摘 要：本篇文章首先對微型飛行器技術(shù)發(fā)展方向進行闡述，從存在不穩(wěn)定性、質(zhì)量小、抗陣風(fēng)能力差等多個方面，對微型飛行器設(shè)計存在的問題，并以微型飛行器的設(shè)計原則為依據(jù)，提出微型飛行器的設(shè)計策略。

關(guān)鍵詞：微型飛行器；總體設(shè)計；技術(shù)難點；設(shè)計原則；設(shè)計策略

在上個世紀九十年代，微型飛行器一詞正式出爐，隨著時間的推移，國內(nèi)外眾多部門開始對其進行了全面的研究，美國企業(yè)研發(fā)的“黑寡婦”型號的飛行器，不僅飛機翼展較小，并且留空時間較長。隨后美國海軍部門在此基礎(chǔ)之上，研發(fā)了一種翼展寬為20～45厘米不等，留空時間為0.3小時的微型飛機，由于其提升了飛機機翼的系數(shù)，因此在微型飛機比賽中取得了第一名的好成績。本篇文章主要借助遺傳算法的方式對微型飛機的各項參數(shù)進行設(shè)計，因而研制出了留空時間為0.3小時，航程為12000米的微型飛機，在中國具備領(lǐng)先水平，可以有效的提升微型飛行器的各項性能。

1 微型飛行器技術(shù)發(fā)展方向

1.1 研究性MAV的發(fā)展

把大學(xué)當(dāng)作研發(fā)的主體力量，依舊運用上個世紀九十年代中旬制定的0.15米的設(shè)計標準，研制出了多種型號的微型飛行器。其中，微型飛行器的種類主要分為三種，第一種是固定翼微型飛行器；第二種是撲翼微型飛行器；第三種是旋翼微型飛行器。美國研發(fā)的新型微型飛行器，翼展寬僅為15厘米，并且可以成功飛行，這也是當(dāng)前飛行器研制最先進水平。目前，深受人們喜愛的飛行器有兩種，一種是雙旋翼飛行器，另一種是四軸螺旋槳微型飛行器，它們都具備一個共同的特點，就是可以在控制自由旋轉(zhuǎn)，因而引發(fā)人們喜愛。

1.2 實用性MAV的發(fā)展

于2001年初，美國軍方開始將MAV融入到先期概念技術(shù)演示規(guī)劃中，即使有些機構(gòu)已經(jīng)提出1.5米研究計劃，但是現(xiàn)階段無法運用到實際中。因為軍事需求比為緊迫，在諸多探索性飛行器里，美國相關(guān)機構(gòu)選用可行性較高，但是尺寸較大的飛行器當(dāng)作空中檢查設(shè)備，并將其運用到航空作戰(zhàn)中。

2 微型飛行器設(shè)計存在的問題

2.1 存在不穩(wěn)定性

根據(jù)公式Re=ρVL/u我們得知，雷諾數(shù)Re主要表示著流體慣性力以及黏性力二者間的聯(lián)系，其中公式中ρ表示大氣密度；V表示飛行速度；L表示飛行器的長度；u表示黏性數(shù)值。

因為MAV尺寸和速度直接影響著雷諾數(shù)氣動特性，當(dāng)MAV尺寸越小，速度越低時，就屬于低雷諾數(shù)氣動特性。當(dāng)微型飛行器處于飛行狀態(tài)時，處于低雷諾數(shù)氣動特性狀況下，其表面含有的層流附面層就無法維持，進而出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，同時也會導(dǎo)致小迎角發(fā)生MAV表面氣流不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.2 含有非線性以及非定常力學(xué)特性

微型飛行器和微型飛行器進行比較，在外形分布上具備很大的差異性。針對于固定翼MAV來說，在小展旋方面存在的復(fù)雜性要遠遠高于單翼以及撲翼MAV，這就導(dǎo)致其氣動以及飛行力學(xué)具備較強的非線性以及非定常力學(xué)特性。所以，MAV在結(jié)構(gòu)布局、運作形態(tài)以及飛行控制都要進行特殊設(shè)計。

2.3 質(zhì)量小、抗陣風(fēng)能力差

針對于微型飛行器來說，質(zhì)量都比較輕，質(zhì)量通常在200克一下，一旦遇到強風(fēng)或者大氣紊流的狀況，不但不能保證飛行的穩(wěn)定性，同時還會引發(fā)墜落事故，這就給復(fù)雜環(huán)境下以及遠距離的自主飛行增添了難度。

3 微型飛行器的設(shè)計原則

為了設(shè)計出可行的微型飛行器，在進行設(shè)計的過程中，要秉持六項原則，第一，牢靠的框架設(shè)計；第二，合理的氣動設(shè)計；第三，緊密的機構(gòu)布局設(shè)計；第四，低能量消耗設(shè)計；第五，質(zhì)量設(shè)計；第六，速率設(shè)計。要想落實這些原則，就要將微型飛行器劃分成四個設(shè)計單原件。微型飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

3.1 動力單元

動力單元的主要作用就是給飛行器提供所需動力。本篇文章選擇密度高、質(zhì)量輕的聚合物鋰離子電池當(dāng)作飛行器的主要能源，在進行運行時，采用 4個0.6厘米的微型直流電機，同時在機翼中設(shè)置轉(zhuǎn)矩。

3.2 運動單元

運動單元是給機翼以及減速器進行設(shè)計。在進行機翼設(shè)計時，一般使用ABS 工程塑料，主要是因為這種材料在進行加工的過程中操作比較簡便，同時可以獲得想要的尺寸寬度。經(jīng)過多次實驗我們得知，在進行機翼設(shè)計時，尺寸應(yīng)該為7*8*7厘米，重量不得高于0.35克，這樣可以保證機翼在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生 3g 作用力，因為機翼尺寸有限，我們可以應(yīng)用微型電機驅(qū)動，這樣就無需再進行減速機構(gòu)的設(shè)計。

3.3 機體結(jié)構(gòu)單元

其主要是給動力單元以及運動單元提供所需的支撐，同時還能對整個飛行器的結(jié)構(gòu)形狀進行明確。因為碳纖維材料具備體積小、質(zhì)量輕、強度大、變形幾率低等特點，因此是該單元的首選材料。

3.4 控制單元

其主要保證飛行器在運行過程中的穩(wěn)定性，以起到控制飛行器的起飛、停止以及旋轉(zhuǎn)等目的。

4 微型飛行器的設(shè)計策略

4.1 設(shè)計的矛盾與協(xié)調(diào)

（1）尺寸、有效載荷和續(xù)航時間的協(xié)調(diào)。由于微型飛行器具備體積小、集成度高等特點，可以有效的改變?nèi)我庖粋€技術(shù)指標。因此，微型飛行器無法跟大型無人機一樣，對自身的結(jié)構(gòu)、氣動、系統(tǒng)等設(shè)施進行單獨設(shè)計，需要采用綜合設(shè)計、重復(fù)協(xié)調(diào)的設(shè)計策略。（2）升力、動力和能源的協(xié)調(diào)。不管是哪種類型的微型飛行器，升力值直接影響著動力值，但是，要想提升動力，就要增加能源，在確保其他功能數(shù)值不發(fā)生改變的情況下，增加能源，就會提升飛行器的重量，因此，飛行器原始的升力就會不充足?，F(xiàn)階段，我國大部分的微型飛行器內(nèi)部都安置了電動機，電池的重量和飛行器總重量的比例為1：3，選擇合理的電池是非常必要的。

4.2 微型飛行器系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化

要先保證微型飛行器設(shè)計的合理性，就要對設(shè)計進行優(yōu)化。但是，通常飛行器的質(zhì)量比較強，尺寸比較小，要想單項優(yōu)化是不可能的，因此要以協(xié)調(diào)綜合優(yōu)化為主。

要應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方式才能獲得理想的設(shè)計效果，以小重量為例，作者對飛行器的機翼氣動形狀、航程、承載能力以及抗風(fēng)能力等方面進行設(shè)計研究，獲得了一定的效果，站在科學(xué)角度，微型飛行器是在體積上研發(fā)出來的產(chǎn)物，需要在設(shè)計時，對其柔性結(jié)構(gòu)、雷諾數(shù)氣動特性以及大氣紊流干擾進行多方面考慮，進而設(shè)計出尺寸小、性能高的新型微型飛行器。

5 結(jié)束語

總而言之，要想實現(xiàn)微型飛行器系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，就要結(jié)合其他國家的優(yōu)秀案例，并且結(jié)合自身實際情況，從而設(shè)計出符合我國需求的新型微型飛行器。在進行微型飛行器設(shè)計的過程中，依然存在諸多的問題，因此我們需要結(jié)合微型飛行器的設(shè)計原則，提出微型飛行器的設(shè)計策略，從而促進我國微型飛行器系統(tǒng)技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

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