關(guān)于小型多旋翼無(wú)人飛行器的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有直升飛機(jī)存在的問(wèn)題，綜合考慮四旋翼可以垂直起降，并且能夠進(jìn)行長(zhǎng)距離飛行的特點(diǎn)，在這個(gè)基礎(chǔ)上添加了渦扇推力電機(jī)與一對(duì)固定翼的無(wú)人飛行器，對(duì)其進(jìn)行三維建模，在保證水平飛行的同時(shí)，機(jī)身兩側(cè)的機(jī)翼與渦扇能夠共同向前傾斜產(chǎn)生向上的升力與向后的推力。通過(guò)開發(fā)小型多旋翼無(wú)人飛行器，整個(gè)機(jī)翼升力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)小型多旋翼飛行器發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：小型多旋翼 無(wú)人飛行器 變結(jié)構(gòu) 固定翼

小型多旋翼無(wú)人機(jī)作為微小型無(wú)人機(jī)中的一種，近年來(lái)受到世界的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。已經(jīng)逐漸應(yīng)用到航空攝影、交通監(jiān)視、勘察等多個(gè)領(lǐng)域，并且在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件與生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。盡管無(wú)人機(jī)有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，同樣也存在不足問(wèn)題。與固定翼相比，其自重條件與動(dòng)力明顯不足，這就使得其留空時(shí)間與載荷能力受到束縛。

一、方案的提出

小型多旋翼無(wú)人飛行機(jī)的設(shè)計(jì)方案，是在四旋翼無(wú)人飛行器的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，在機(jī)身兩側(cè)的延長(zhǎng)線上安裝一對(duì)可向前傾斜的渦扇動(dòng)力系統(tǒng)與一對(duì)固定翼，渦扇轉(zhuǎn)速相同且方向相反，僅僅需要提供軸向推力，不能產(chǎn)生誘導(dǎo)轉(zhuǎn)矩。垂直起降過(guò)程中，兩個(gè)渦扇與四個(gè)旋翼電機(jī)朝上，可以提供垂直上升力。在水平飛行過(guò)程中，機(jī)身的兩側(cè)機(jī)翼與雙涵道渦扇會(huì)產(chǎn)生向上和向后的推力。機(jī)翼組成的X布局能夠?qū)︼w機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行控制。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能減輕機(jī)翼質(zhì)量，并且使兩側(cè)電機(jī)的機(jī)身與質(zhì)心橫向延長(zhǎng)線盡可能靠近。在這個(gè)條件下，轉(zhuǎn)速相同、方向相反的兩個(gè)渦扇在不同模式下僅僅能夠提供向前推力與升力，這不會(huì)對(duì)自身姿態(tài)產(chǎn)生影響，以此能夠?qū)崿F(xiàn)平動(dòng)控制與姿態(tài)控制分離，最終簡(jiǎn)化控制機(jī)制。

新X布局包括量的優(yōu)勢(shì)：一方面在新的X布局基礎(chǔ)上，機(jī)翼與轉(zhuǎn)速相同但方向相反的渦扇產(chǎn)生推力與向上的升力就會(huì)直接作用于機(jī)身質(zhì)心部分，不論角度大小，都不會(huì)對(duì)機(jī)身產(chǎn)生過(guò)大的轉(zhuǎn)矩而影響系統(tǒng)仰視姿態(tài)。另一方面對(duì)飛行器進(jìn)行姿態(tài)控制取決于X布局四旋翼子系統(tǒng)，左右旋翼為其提供推力，不對(duì)姿態(tài)產(chǎn)生影響，這就實(shí)現(xiàn)了速度與姿態(tài)控制的解耦，還能夠降低動(dòng)態(tài)模型控制難度與復(fù)雜性。

二、固定翼設(shè)計(jì)

1.選擇翼型及相關(guān)參數(shù)

飛行器飛行速度為每秒十米左右，升力則為1200g，飛行器的翼型采用平凹型或是對(duì)稱性，由于無(wú)人飛行器體積較小，機(jī)翼尺寸不宜過(guò)大，這就需要結(jié)合固定翼模型飛行翼載荷要求，選取翼載荷為70g/dm2，翼載荷表達(dá)式為：k=m/s。在這個(gè)式子中，m表示質(zhì)量，s表示面積，根據(jù)計(jì)算公式可得出機(jī)翼面積為s=17dm2。

翼型升力計(jì)算公式為：W=0.5xpxl/2xSxCi中，空氣密度為p=1.22kg/m3能夠得到機(jī)翼升力系數(shù)公式，將其帶入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算可得出：ci=1.12。

根據(jù)一系列公式我們可以看出，CLARK Y翼型有較好的低雷諾數(shù)性能、較大的升力系數(shù)、升阻比，所以選用CLARK Y翼型。CLARK Y翼型在傾角升阻比最大，由此可知其航程最遠(yuǎn)、飛行最省能量。

2.CLARK Y翼型設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算得到的參數(shù)，采用固定軟件profili軟件進(jìn)行畫圖，能夠畫出CLARK Y二維圖形，其中單位為mm。

三、 可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)固定方案，在機(jī)身的兩側(cè)質(zhì)心延長(zhǎng)線上安裝一對(duì)固定翼與同步向前傾斜的雙涵道渦扇動(dòng)力系統(tǒng)。該渦扇轉(zhuǎn)速相同但是轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，所以只需提供軸向推力，而不產(chǎn)生誘導(dǎo)轉(zhuǎn)矩。對(duì)已經(jīng)采用的可傾斜渦扇電機(jī)所需的機(jī)翼與推動(dòng)力進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，不斷對(duì)變結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，在機(jī)艙位置安裝自動(dòng)駕駛艙，內(nèi)部安裝渦扇電機(jī)傾角調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)軸承與舵機(jī)經(jīng)齒輪與機(jī)身相連接的方法，從而推動(dòng)渦扇能夠向前方不斷前進(jìn)。

四、機(jī)翼單項(xiàng)流固耦合分析

1.問(wèn)題簡(jiǎn)述

可以利用ANSYS去解決單向流固定耦合問(wèn)題與分析翼的力學(xué)特征和升力。模擬飛行器能夠在常規(guī)飛行過(guò)程中機(jī)翼狀態(tài)為整體流體采用25度氣體，密度為p=1.22kg/m3、粘度為v=1.83x10-5kg/m.s，速度則為每秒十米，利用攻角為8度進(jìn)行升力計(jì)算。固定翼的材料可以選取為聚乙烯，密度為p=943kg/m3、彈性為E=1.1X109Pa、泊松比為v=0.42。

2.固定翼的單向流固耦合計(jì)算

隨著三維模型的建立，整個(gè)模型中翼的尺寸為弦長(zhǎng)178mm，長(zhǎng)度為480mm，其中可導(dǎo)入solidworks軟件模型，利用Enclosure能夠使命令生成更加流暢。在建模完成后可以劃分為多個(gè)網(wǎng)格模塊，通過(guò)建立相關(guān)網(wǎng)格畫法，利用Genergyate Mesh命令，能夠獲得流體域整體網(wǎng)格與固定翼。在模型中的單元數(shù)為20024個(gè)，流暢為16956個(gè)單元，隨后進(jìn)入CFX-Pre潔面后，可以設(shè)置多個(gè)類型，利用無(wú)熱傳遞，可以使得整個(gè)模型穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)CFX計(jì)算后可以在處理中可以看到流場(chǎng)計(jì)算后的曲線。邊界處所產(chǎn)生的力，能夠看出流場(chǎng)中其固定翼所受到的最大壓力在固定翼的邊緣處，下緣壓力大于上緣壓力，這也是固定翼能夠產(chǎn)生升力的主要原因。通過(guò)所獲得的結(jié)果利用連線將Static Structure求解，在求解過(guò)程中，suppress能夠劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，不斷加載邊界條件，對(duì)固定翼左側(cè)斷面進(jìn)行約束。與此同時(shí)還能夠?qū)FX所獲得壓力加載至耦合邊界FSI上。通過(guò)設(shè)置求解內(nèi)容，從而產(chǎn)生支反力與應(yīng)力應(yīng)變等。

參考文獻(xiàn)

[1]梁瀟，方勇純，孫寧.平面四旋翼無(wú)人飛行器運(yùn)送系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃與跟蹤控制器設(shè)計(jì)[J].控制理論與應(yīng)用，2015，32（11）：1430-1438.

[2]陳坤，史志偉，龔正.短距起飛垂直著陸推力矢量無(wú)人飛行器減速過(guò)渡控制律設(shè)計(jì)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，30（12）：3002-3009.

[3]陳亞鋒.基于ARM處理器的無(wú)人飛行器飛控導(dǎo)航系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（17）：93-96.

[4]王軍強(qiáng)，呂忠民.CAN總線及其高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無(wú)人飛行器航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008（11）：48-52.

作者簡(jiǎn)介

張帥（1982.07.10—），男，籍貫：遼寧，職稱：助教，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。