V尾與全復(fù)合材料在單兵無(wú)人偵察機(jī)的應(yīng)用

張文祥 武耀罡 宋威 母嬋媛 彭雪妍

摘要：本項(xiàng)目旨在制作一款V型尾翼全復(fù)合材料的單兵無(wú)人偵察機(jī)，且質(zhì)量2千克左右，翼展1.6米?，F(xiàn)在先進(jìn)無(wú)人機(jī)多采用 V 型尾翼布局，如國(guó)內(nèi)的 “翼龍”無(wú)人機(jī)及美國(guó)的“RQ4A 全球鷹”無(wú)人機(jī)等。V 形尾翼具有良好的隱身能力，獨(dú)特的外形能有效降低雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)有效減小了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量和飛行阻力。而復(fù)合材料最顯著的特點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)，最大的優(yōu)勢(shì)是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： V尾；全復(fù)合材料；單兵無(wú)人偵察機(jī)

無(wú)人機(jī)具有使用方便，機(jī)動(dòng)性好，生存性強(qiáng)，傷亡風(fēng)險(xiǎn)小，性價(jià)比高，成本低，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域的發(fā)展前景非常廣闊。飛機(jī)的性能很大程度上取決于尾翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)翼設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)整個(gè)飛機(jī)的疲勞斷裂性能和氣動(dòng)彈性質(zhì)量有很大影響。 目前，V形尾翼由于具有飛行阻力小，減重優(yōu)勢(shì)明顯，隱身能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

1 研究目標(biāo)

目前我們?cè)赩型尾翼全復(fù)合材料的單兵無(wú)人偵察機(jī)的設(shè)計(jì)中有以下目標(biāo)：

（1）V型尾翼布局的飛機(jī)整體設(shè)計(jì)，為了避免螺旋槳產(chǎn)生的氣流對(duì)V型尾翼的影響，所以初步設(shè)定飛機(jī)為尾推式。還有主翼與V型尾翼面積的比例和相對(duì)位置的設(shè)定。

（2）研究V型尾翼的控制方式。

（3）全復(fù)合材料的制作工藝，目前設(shè)想采用三層夾心處理。

（4）偵查設(shè)備的搭載。

2 工作基礎(chǔ)

我們已有該項(xiàng)目的前期制作探索和數(shù)據(jù)研究，制作過(guò)V型尾翼全復(fù)合材料的單兵無(wú)人偵察機(jī)的初步木質(zhì)驗(yàn)證機(jī)。且該驗(yàn)證機(jī)具備一定的穩(wěn)定運(yùn)行性能，并為以后整個(gè)飛行器的可行性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和數(shù)據(jù)參數(shù)。

3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)：高級(jí)無(wú)人機(jī)通常使用復(fù)合材料作為整體。對(duì)于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，涉及連續(xù)變量和離散變量。設(shè)計(jì)變量很多，難以解決復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。最后，調(diào)整了飛機(jī)的細(xì)節(jié)，包括全身防振等，以實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中穩(wěn)定的飛行并提高實(shí)用價(jià)值。

機(jī)翼和V尾結(jié)構(gòu)：本無(wú)人機(jī)的核心研究課題之一是機(jī)翼和V尾結(jié)構(gòu)。首先，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，機(jī)翼采用插拔式設(shè)計(jì)，既保證了無(wú)人機(jī)機(jī)翼的強(qiáng)度，又增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)的便攜性。尾翼采用V型尾翼結(jié)構(gòu)，具有V型尾翼的優(yōu)點(diǎn)，減小尾翼的尺寸。飛機(jī)理想的整體空氣動(dòng)力學(xué)形狀，包括機(jī)身，機(jī)翼，尾翼和其他控制面的協(xié)調(diào)和平衡，有助于實(shí)現(xiàn)短程起飛和著陸以及重載性能。同時(shí)，無(wú)人機(jī)模塊的可拆卸性為個(gè)別設(shè)備提供保護(hù)。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）飛機(jī)整體布局的特點(diǎn)，緊湊型設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定。（2）模塊化的可拆卸設(shè)計(jì)，提高便攜性。（3）全復(fù)合材料的制作工藝，目前設(shè)想采用三層夾心處理。

5 設(shè)計(jì)成果

5.1 加裝云臺(tái)和相機(jī)以及實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)

可以在地面端看到實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸，云臺(tái)手通過(guò)操控云臺(tái)改變攝像頭的位置，通過(guò)第一視角感受飛機(jī)的姿態(tài)、速度等參數(shù)，報(bào)告駕駛員，然后修改飛行姿態(tài)和航向。

5.2 機(jī)型可以應(yīng)用于航測(cè)

加大翼展與機(jī)身強(qiáng)度就可以掛載航測(cè)裝備，進(jìn)行航測(cè)，機(jī)型飛行平穩(wěn)。

5.3 優(yōu)秀的機(jī)翼

采用的玻璃鋼復(fù)合機(jī)身，確保了機(jī)身強(qiáng)度，通過(guò)換樣樹枝。機(jī)翼中預(yù)埋碳管，防止飛機(jī)在飛行過(guò)程中機(jī)翼不穩(wěn)定，影響飛行性能。機(jī)翼與機(jī)身利用高質(zhì)量碳管連接，在機(jī)身和機(jī)翼的連接處用纖維膠封合，在可迅速拆卸的情況下保證了飛機(jī)的機(jī)身強(qiáng)度。

5.4 加裝了投水裝置，模擬了戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事用途

投水裝置設(shè)計(jì)了獨(dú)立的投水倉(cāng)，在此機(jī)的機(jī)翼的重心線處，保證在投水之后，仍可以很平穩(wěn)地飛行，投水倉(cāng)。

5.5 優(yōu)化了氣動(dòng)布局，使用了更適合低速的小型無(wú)人機(jī)的翼型

高速翼型在小型無(wú)人機(jī)中無(wú)法應(yīng)用，小型無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)就是為了降低速度執(zhí)行任務(wù)，只有使用合適的翼型才能達(dá)到想要的目的。

5.6 使用了舵面操控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)分開的設(shè)計(jì)。

動(dòng)力系統(tǒng)和舵面供電系統(tǒng)分為兩部分，在飛行過(guò)程中如果出現(xiàn)動(dòng)力不足或者空中動(dòng)力停車的狀況下，仍可以通過(guò)操控升降舵和V尾的混控滑翔降落。

5.7 一體化的云臺(tái)和投水裝置

云臺(tái)利用標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力實(shí)現(xiàn)了可收放的功能，一體化的云臺(tái)和投水裝置可以實(shí)現(xiàn)迅速拆卸更換。

6 實(shí)用性調(diào)研

無(wú)人機(jī)是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)型美國(guó)“沙漠鷹”偵察機(jī)的模仿和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了將“沙漠鷹”的長(zhǎng)處應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)，無(wú)人偵查機(jī)采用V形尾翼，它既可以起垂直尾翼的作用，也可以起水平尾翼的作用。 而且這個(gè)尾翼大仰角可控性很好。V尾翼方便其投入到軍用市場(chǎng)還，有利于隱身性能的提高。V形尾翼是為了減小浸濕面積，與常規(guī)平尾和垂尾上對(duì)應(yīng)的力是V型尾翼上的力在水平和垂直方向的投影。NACA研究表明，要獲得滿意的操穩(wěn)性，V尾的尺寸需增大到其面積大約與所需的平尾和垂尾分開時(shí)的面積的總和相等，且操縱動(dòng)作復(fù)雜，不過(guò)干擾阻力可以較低。

飛行實(shí)測(cè)，在2015年全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽對(duì)地偵察項(xiàng)目中獲得了全國(guó)亞軍，充分驗(yàn)證了此機(jī)型雖然存在一些不足之處，但整體仍然是很優(yōu)秀。