一款改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)研發(fā)

吳康明 李志軒 袁正明 肖光勇 鐘宏

摘要：本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)，并對(duì)改進(jìn)型鴨式布局飛行器的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該鴨翼無(wú)人機(jī)布局類(lèi)似“彩虹3“無(wú)人機(jī)，采用前后雙翼設(shè)計(jì)。相較于常規(guī)布局，該無(wú)人機(jī)具有前后雙翼共同產(chǎn)生升力的優(yōu)點(diǎn)。但這也導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)方面與常規(guī)布局飛機(jī)存在較大的差異。因此對(duì)飛行器的布局研究對(duì)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)制作具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)；自主設(shè)計(jì)制作；改進(jìn)型鴨式布局；無(wú)人機(jī)

隨著炮火，空中發(fā)射，火箭發(fā)射和個(gè)人巡邏巡邏，個(gè)別士兵的巡邏需要在發(fā)射前折疊并安裝在筒內(nèi)。機(jī)翼區(qū)域受發(fā)射管尺寸的嚴(yán)重限制，傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)布局不能有效提高負(fù)載率。

串聯(lián)機(jī)翼布局提供前后翼對(duì)的升力，因此在有限的尺寸約束下，載荷比可以有效提高，并廣泛用于筒式發(fā)射器的最新開(kāi)發(fā)。然而，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)翼“工”字布局在前翼和后翼之間存在相互干擾，并且前翼和后翼產(chǎn)生的氣動(dòng)力存在很大差異。前翼的氣動(dòng)效率高于后翼，翼角為0°。當(dāng)時(shí)，前翼必須位于后翼失速和其他問(wèn)題之前。本項(xiàng)目改進(jìn)后的鴨式布局無(wú)人機(jī)在一定程度上克服了這些問(wèn)題。

1 研究目標(biāo)

目前我們?cè)诟倪M(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)中有以下目標(biāo)（1）翼型選擇。（2）鴨翼無(wú)人機(jī)的前后雙翼設(shè)計(jì)。前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對(duì)位置等都決定了飛機(jī)的升力配平和重心設(shè)置。（3）前后雙翼與機(jī)身的匹配設(shè)計(jì)，要求兩者之間相互協(xié)調(diào)，保證飛機(jī)的穩(wěn)定性和操作性，減少前后翼之間氣流的相互干擾。（4）將改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)的系列布局進(jìn)行分析研究，得出設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)成果。

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，探索性地制作過(guò)一款鴨翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。該技術(shù)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)飛行器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

機(jī)翼結(jié)構(gòu)：基于正交試驗(yàn)法，采用雷諾平均 NS方程，并引入 SA 湍流模型，用數(shù)值方法模擬了改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)整機(jī)流場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算分析后，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）改進(jìn)型鴨式布局在前后翼水平距離和翼差角固定不變的情況下，前后翼垂直距離對(duì)整機(jī)氣動(dòng)性能有一定影響。當(dāng)前翼在上后翼在下時(shí)，無(wú)人機(jī)有較好的氣動(dòng)性能。（2）通過(guò)分析表明，無(wú)人機(jī)前后翼安裝角對(duì)整機(jī)氣動(dòng)性能有較大影響，兩機(jī)翼安裝角較大時(shí)，無(wú)人機(jī)有更高的氣動(dòng)性能。（3）改進(jìn)型鴨式布局的前翼對(duì)后翼有一定干擾，前后翼氣動(dòng)力存在一定差別。在迎角較小時(shí)，前翼的升力系數(shù)大于后翼，而阻力系數(shù)略小于后翼。當(dāng)迎角較大時(shí)，前翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)都大于后翼，總體來(lái)說(shuō)，前翼的氣動(dòng)性能優(yōu)于后翼。

因此前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對(duì)位置的設(shè)置等問(wèn)題是機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)：第一是改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)需要設(shè)計(jì)理想的飛機(jī)整體氣動(dòng)外形，包括機(jī)身、機(jī)翼及其他操縱面的協(xié)調(diào)與平衡，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的滑翔性能和空中低速的操縱性，同時(shí)保證飛機(jī)在三軸的穩(wěn)定性和操縱性。第二是保證飛機(jī)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由于飛機(jī)需要實(shí)現(xiàn)日常任務(wù)和作業(yè)，所以飛機(jī)在實(shí)際操縱中降落過(guò)程的距離很短。因此要求飛機(jī)整體具備較高強(qiáng)度。第三是對(duì)飛機(jī)細(xì)節(jié)調(diào)整，減輕飛機(jī)重量，包括局部采用碳纖維復(fù)合材料，全機(jī)身防震等，保證飛機(jī)的穩(wěn)定操縱和飛行的方便性，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的飛行穩(wěn)定，提高實(shí)用價(jià)值。

4 設(shè)計(jì)成果

（1）“1：1：2”的串列雙翼布局使飛行器的升力系數(shù)和升阻比有了顯著提高并減小了前翼展長(zhǎng)，增加前后翼之間的距離，減小前翼對(duì)后翼的干擾。這些設(shè)計(jì)使飛機(jī)在低速時(shí)仍能保持足夠升力。

（2）串列翼安裝角分別為4度與2度，攻角差為2度 ，這使得飛機(jī)的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速，使得飛機(jī)在快速爬升或大角度滾轉(zhuǎn)時(shí)仍能保持良好的失速性能及機(jī)動(dòng)性。

（3）飛機(jī)采用四副翼布局。通過(guò)混控控制，在爬升時(shí)四個(gè)副翼中前翼向下，后翼向上，極大提高了飛機(jī)的爬升性能和機(jī)動(dòng)性，相較于常規(guī)布局有明顯的提高。

（4）采用半開(kāi)放式云臺(tái)吊艙設(shè)計(jì)，可以根據(jù)任務(wù)需求加掛不同模塊，目前采用無(wú)刷增穩(wěn)云臺(tái)配高清8倍光學(xué)變焦攝像頭，適用于快速移動(dòng)的低空偵察和靜態(tài)物體的高空偵察，并與投彈倉(cāng)配合實(shí)現(xiàn)精確打擊。

（5）飛機(jī)采用合頁(yè)轉(zhuǎn)軸與卡扣的折疊緊固方式，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的小型化便攜化，手拋起飛，擺脫了起飛場(chǎng)地限制，運(yùn)用范圍更加廣泛。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1） 改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)布局的研究，通過(guò)設(shè)計(jì)較理想的前后翼面積比例、安裝角以及相對(duì)位置的設(shè)置，在一定程度上克服常規(guī)串列翼存在的問(wèn)題。（2）研究改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)制作的模塊化，提高無(wú)人機(jī)實(shí)用性。（3）提高無(wú)人機(jī)的功能性，爭(zhēng)取應(yīng)用于軍事和民用。

6 實(shí)用性調(diào)研

增加對(duì)改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)實(shí)用性的研究，通過(guò)解決以上問(wèn)題從而真正開(kāi)發(fā)出改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)的可行性與實(shí)用性，將改進(jìn)型鴨式布局無(wú)人機(jī)真正參與到民用或者軍用中去。