可傾轉(zhuǎn)變形高層救援多旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)*

石啟鵬，何曉萍，韓東，桑玉委

(南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前，全世界一半以上的高層建筑在中國。全國擁有8層以上、超過24 m的高層建筑34.7萬幢，百米以上超高層6 000多幢，數(shù)量均居世界第一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年，我國共發(fā)生高層建筑火災(zāi)3.1萬起，死亡474人，直接財(cái)產(chǎn)損失15.6億元。目前，中國配備的舉高車大都在50 m以下，多數(shù)消防水槍、水炮的噴射高度也只有50 m多?？梢哉f，50 m以上特別是超過100 m的樓層發(fā)生火災(zāi)，除利用建筑內(nèi)部消防設(shè)施外，消防救援裝備手段幾乎是空白[1-3]。

在過去的10年中，DJI,Freefly和Shotover等公司進(jìn)行了大膽的探索創(chuàng)新,多旋翼無人機(jī)(UAV)在娛樂和商業(yè)領(lǐng)域都變得越來越普遍[4]。來自瑞士蘇黎世理工大學(xué)的Raffaello D′Andrea教授和美國賓夕法尼亞大學(xué)的Kumar vijay教授研制出八旋翼全向飛行器等一系列新構(gòu)型的多旋翼飛行器[5]。陳勝等人研究了體積更小的二軸垂直起降飛行器[6]。劉曉琳等人利用巧妙的結(jié)構(gòu)提升了多旋翼的起降和巡航性能[7]。

目前主流的工程應(yīng)用多旋翼飛行器只能在槳盤平面內(nèi)飛行，在應(yīng)對復(fù)雜飛行空間環(huán)境以及特殊應(yīng)用需求時(shí)，受到極大的局限。為改進(jìn)多旋翼的飛行模式、拓寬多旋翼的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了可傾轉(zhuǎn)變形高層救援多旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)顛覆了傳統(tǒng)多軸只能在槳盤平面內(nèi)飛行的狀況，立體化了槳盤平面以適應(yīng)各種復(fù)雜的飛行空間環(huán)境；創(chuàng)造性地將飛行器與消防機(jī)器人的理念結(jié)合起來，擺脫地面移動(dòng)的不利條件，在應(yīng)對高層火災(zāi)中，能夠及時(shí)高效地深入火場實(shí)施主動(dòng)救援；創(chuàng)造性地將六軸飛行器與球形外殼融為一體，其可以在飛行和地面運(yùn)動(dòng)2個(gè)形態(tài)間進(jìn)行切換；利用可變形特性以及球形外殼實(shí)現(xiàn)靈活的高層地面機(jī)動(dòng)，提高救援搜救效率；同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，致力于開拓未來飛行器更廣闊的應(yīng)用前景。

傾斜旋翼無人機(jī)(tilt-rotor unmanned aerial vehicle,TRUAV)由于其獨(dú)特的旋翼結(jié)構(gòu)而具有特殊的應(yīng)用價(jià)值[8]。有很多針對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行控制研究，以解決在傾轉(zhuǎn)過渡階段的氣動(dòng)干擾以及控制耦合問題[9-11]。

該可傾轉(zhuǎn)多旋翼變形飛行器，與常規(guī)四旋翼或六旋翼的區(qū)別在于其各旋翼均可繞機(jī)臂軸相對機(jī)身旋轉(zhuǎn)，從而由欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。相比于常規(guī)四旋翼系統(tǒng)，其非線性更強(qiáng)、耦合程度更高，給控制器的設(shè)計(jì)帶來更大困難[12]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)構(gòu)型

整機(jī)大致分為外殼和內(nèi)部機(jī)體2部分，內(nèi)部機(jī)體與外殼通過4只輪子聯(lián)接。在球形滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，內(nèi)部機(jī)體能夠保持豎直狀態(tài)。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

針對執(zhí)行高層救援任務(wù)的客觀要求，對飛行器尺寸、承載能力、飛行升限以及續(xù)航時(shí)長提出了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.3 救援流程

救援流程可以分為3個(gè)階段:第1階段就是火情信號的傳遞接收；第2階段是利用母機(jī)搭載一系列的子機(jī)抵達(dá)災(zāi)情現(xiàn)場；第3階段是部署階段，子機(jī)部署為2支編隊(duì)，一隊(duì)負(fù)責(zé)在高樓周圍進(jìn)行火情態(tài)勢監(jiān)控;另一隊(duì)負(fù)責(zé)深入火場實(shí)施一系列的救援活動(dòng)。具體流程如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 六軸獨(dú)立式傾轉(zhuǎn)動(dòng)力

六軸可以各自產(chǎn)生不同的傾轉(zhuǎn)角，使機(jī)體在大傾斜角姿態(tài)維持穩(wěn)定狀態(tài)，突破了多軸飛行器只能在槳盤平面內(nèi)飛行的局限性。這樣設(shè)計(jì)帶來的增益是，當(dāng)飛行器所處的空間環(huán)境復(fù)雜時(shí)，可以對機(jī)體進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，這樣很大程度提高對環(huán)境的適應(yīng)性，擴(kuò)展了應(yīng)用場景。傾斜后的機(jī)體姿態(tài)以及傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別如圖3,4所示。

2.2 可折疊槳葉

當(dāng)從飛行狀態(tài)切換回地面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要將外伸槳葉收縮回球形殼體內(nèi)。在保證槳葉能夠完全收縮回外殼中，且不干涉以及不重疊的前提下，折疊槳葉的半徑尺寸較非折疊槳葉增加了70%，可提供更大的飛行動(dòng)力。其折疊后的狀態(tài)如圖5所示。

1—外殼-固定;2—面罩球容器;3—輔助輪;4—上支架;5—外殼—移動(dòng);6—可移動(dòng)槳葉單元;7—傳動(dòng)齒輪;8—驅(qū)動(dòng)輪;9—下支架;10—電池組及其容器;11—滅火小球容器;12—齒條;13—中間層支架;14—通訊天線;15—傳感器容器。圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of the whole machine structure

表1 整機(jī)性能設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Machine performance design parameters

2.3 可伸縮軸臂

調(diào)節(jié)每組槳葉單元的伸出量，產(chǎn)生不同大小的控制力矩，對機(jī)體進(jìn)行姿態(tài)控制。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用了齒輪齒條機(jī)構(gòu)，利用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒輪，靈活控制軸臂的外伸量。推出槳葉單元的過程示意圖如圖6所示。

2.4 形態(tài)變換

飛行器形態(tài)變換既保護(hù)機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又增強(qiáng)了多種場景適應(yīng)性；球狀的是地面運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)，在惡劣的工作條件下，為了保證槳葉、電機(jī)以及內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)不受高溫?zé)焿m等的不利影響，用球形外殼包裹。球形外殼的選材具有耐高溫、強(qiáng)度大、隔熱等特性(選材下文有講)。3種形態(tài)如圖7所示。

圖2 救援流程圖Fig.2 Rescue flow chart

機(jī)體產(chǎn)生δ°(δ<α)的姿態(tài)角:1—軸1傾轉(zhuǎn)α°;2—軸2傾轉(zhuǎn)β°;3—軸3傾轉(zhuǎn)-β°;4—軸4傾轉(zhuǎn)-α°;5—軸5傾轉(zhuǎn)-γ°;6—軸6傾轉(zhuǎn)γ°。圖3 機(jī)體姿態(tài)角調(diào)整示意圖Fig.3 Body attitude angle adjustment diagram

圖4 槳盤傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.4 Paddle disc tilting mechanism

圖5 可折疊槳葉Fig.5 Foldable blade

圖6 軸臂伸縮機(jī)構(gòu)Fig.6 Axle arm telescopic mechanism

圖7 球形狀態(tài)Fig.7 Spherical state

2.5 地面任意方向機(jī)動(dòng)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與球形外殼間是通過驅(qū)動(dòng)輪與輔助輪接觸聯(lián)接，殼內(nèi)機(jī)構(gòu)的重心在中線以下，因此能夠保持豎直狀態(tài)。2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪反轉(zhuǎn)，內(nèi)部機(jī)構(gòu)則會(huì)在殼內(nèi)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)輪同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，重力作用下，外殼會(huì)被推動(dòng)著前進(jìn)或者后退；驅(qū)動(dòng)輪差速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外殼將不會(huì)再以直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。在上述3種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的綜合作用之下，整機(jī)外殼將能作出任意方向的移動(dòng)。

3 總體性能建模分析

3.1 螺旋槳?dú)鈩?dòng)力模型與分析

(1) 翼型選用及槳葉設(shè)計(jì)

鑒于共軸雙旋翼[13]相比于常規(guī)的單旋翼效率較高、占據(jù)空間較小、且上下2個(gè)槳盤轉(zhuǎn)速相反時(shí)傳遞到飛行器的反扭矩為0等優(yōu)勢，本文選用雙槳葉、六軸獨(dú)立式螺旋槳為機(jī)體提供動(dòng)力。螺旋槳常用翼型為RAF-6，Clark-Y，ARA-D和C4翼型[14]，給定密度、溫度和雷諾數(shù)等工作條件，對比4類翼型的性能。

應(yīng)用profili軟件計(jì)算所選翼型的各類氣動(dòng)參數(shù)時(shí)，需選擇Ma=0,雷諾數(shù)Re根據(jù)翼型工作條件估算得到：

(1)

式中：v為特征速度，對應(yīng)到計(jì)算環(huán)境中應(yīng)為單個(gè)翼型的旋轉(zhuǎn)線速度，即Ωr為144 m/s；l為特征長度，此處取翼型平均弦長；μ為空氣粘性系數(shù)，隨溫度的增加而增加，此處取1.91×10-5Pa·s;ρ為干燥工作環(huán)境下的密度，標(biāo)準(zhǔn)大氣下值為1.225 kg/m3?？紤]到救援飛行器的工作環(huán)境為溫度高且煙霧大的火災(zāi)現(xiàn)場，需對這一條件作如下假設(shè)：火災(zāi)現(xiàn)場，空氣中增重最明顯的成份是CO2，正常環(huán)境中的CO2含量在0.06%左右，濃煙中的含量則可達(dá)到0.2%～2%左右，按此配比計(jì)算，取空氣密度為3.675 kg/m3。由此計(jì)算得到雷諾數(shù)約為2.5×105。

下面列出所選幾款翼型的升力系數(shù)、升阻比及力矩系數(shù)隨攻角變化的比較，分別如圖8～10所示。

圖8 升力系數(shù)比較Fig.8 Lift coefficient comparison

圖9 升阻比比較Fig.9 Comparison of lift-to-drag ratio

圖10 力矩系數(shù)比較Fig.10 Torque coefficient comparison

綜合以上分析，從追求最大升力的角度出發(fā)，并考慮飛行器整體穩(wěn)定性，可選擇升阻比和極曲線增加都比較平緩的Clark-Y翼型?？紤]到救援飛行器的特殊飛行任務(wù)需要盡可能大的升力系數(shù)而且無人搭載，故氣動(dòng)力系數(shù)應(yīng)首先考慮升阻比，故選擇升阻比輪廓線更廣的、升阻比更大的Clark-Y翼型。槳葉的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 槳葉設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Blade design parameters

(2) 螺旋槳?dú)鈩?dòng)力模型的建立

螺旋槳?dú)鈩?dòng)力模型基于葉素理論和動(dòng)量理論建立，并通過數(shù)值積分計(jì)算螺旋槳力與力矩。螺旋槳的尺寸小轉(zhuǎn)速大，考慮軸向誘導(dǎo)速度之外還需考慮周向誘導(dǎo)速度，且由于其前飛速度較小，故可采用軸流狀態(tài)下的螺旋槳計(jì)算模型代替小速度前飛計(jì)算模型。

采用動(dòng)量理論求解螺旋槳誘導(dǎo)速度[15]，假設(shè)氣流為不可壓縮理想氣體，通過槳盤產(chǎn)生的拉力均勻分布。來流通過螺旋槳槳盤示意圖如圖11所示，v0為飛行器前飛速度，由于滑流作用，軸向速度分量增至vx，周向速度分量由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)誘發(fā)的氣流旋轉(zhuǎn)降至vθ。

圖11 氣流通過螺旋槳槳盤情況Fig.11 Airflow through the propeller paddle

設(shè)a和b分別為軸向入流因子和旋轉(zhuǎn)入流因子，則可將兩速度分量表示為

vx=v0(1+a),

(2)

vθ=(1-b)Ωr,

(3)

式中：Ω，r分別為螺旋槳的轉(zhuǎn)速和半徑。

由動(dòng)量定理可得，螺旋槳產(chǎn)生的拉力等于單位時(shí)間內(nèi)通過槳盤動(dòng)量的增量，即拉力表達(dá)式為

T=ρAvx(vsx-v0),

(4)

式中：A為槳盤參考面積;vsx為來流進(jìn)入滑流區(qū)速度在軸向的分量。

由伯努利方程和能量守恒定理，來流在槳盤處的速度增量是滑流速度增量的一半，即

(5)

聯(lián)立式(2)，(4)，(5),可得螺旋槳的拉力表達(dá)式為

T=2ρAv02(1+a)a.

(6)

周向來流速度變化與軸向相似，根據(jù)角動(dòng)量理論，螺旋槳產(chǎn)生的扭矩等于單位時(shí)間內(nèi)槳盤上角動(dòng)量的變化量，即

Q=ρArvx(vsθ-0),

(7)

式中：vsθ來流進(jìn)入滑流區(qū)后速度在角速度方向的分量。由角動(dòng)量守恒定理，槳盤周向誘導(dǎo)速度為滑流區(qū)角速度增量的一半可得

(8)

聯(lián)立(3),(7),(8),可得螺旋槳扭矩表達(dá)式

Q=2ρAr2v02(1+a)bΩ.

(9)

葉素升阻力系數(shù)表達(dá)為

(10)

(11)

式中：c為螺旋槳槳葉弦長;Cl,Cd為翼型升阻力系數(shù)，螺旋槳葉素受力如圖12所示。

圖12 螺旋槳槳葉葉素Fig.12 Propeller blade

轉(zhuǎn)化成拉力和扭矩為

dT=dLcosφ-dDsinφ,

(12)

dQ=r(dLsinφ+dDcosφ).

(13)

前文誘導(dǎo)速度也給出了拉力表達(dá)式，可由式(6)，(7)計(jì)算環(huán)帶的槳盤拉力和力矩：

dT=4ρπrv02(1+a)adr,

(14)

dQ=4ρπr3v02(1+a)bΩdr,

(15)

聯(lián)立式(12)～(15)，通過迭代方法可求解dT,dQ,a,b的值，進(jìn)而求解螺旋槳的拉力和扭矩。

(3) 螺旋槳性能分析

下面將探討螺旋槳槳葉扭轉(zhuǎn)角對飛行性能的影響，選擇一個(gè)槳葉最優(yōu)扭轉(zhuǎn)角。

由于存在損失，螺旋槳的效率表達(dá)為

(16)

式中：ns為螺旋槳轉(zhuǎn)速;D為螺旋槳直徑;T,CT分別為螺旋槳拉力及拉力系數(shù);P,Cp分別為功率及功率系數(shù)。

圖13給出了前飛速度為5 m/s時(shí)，螺旋槳不同負(fù)扭角下的螺旋槳效率隨拉力系數(shù)的變化。根據(jù)所選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速8 100 r/min，螺旋槳相對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速下的拉力系數(shù)集中在0.17～0.25之間。負(fù)扭角在拉力系數(shù)為0.20～0.24時(shí)，負(fù)扭角為 5°的螺旋槳效率明顯高于其他角度，故選擇螺旋槳的扭轉(zhuǎn)角為-5°。

圖13 槳葉扭轉(zhuǎn)角對飛行性能的影響Fig.13 Influence of blade torsion angle on flight performance

如圖14所示，給出了單個(gè)螺旋槳在懸停、10 km/h爬升、20 km/h爬升狀態(tài)下的氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果。螺旋槳轉(zhuǎn)速一定時(shí)，爬升速度對螺旋槳拉力的影響較小。在額定轉(zhuǎn)速下，本飛行器在懸停和爬升過程中均滿足拉力設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 電機(jī)、電池、螺旋槳選型

給定飛行條件選用電機(jī)。電機(jī)功率表達(dá)為

(17)

當(dāng)v0為10 m/s時(shí)，軸向誘導(dǎo)因子約為0.9，計(jì)算得到單個(gè)電機(jī)功率為352 W。

電機(jī)質(zhì)量包括裸機(jī)質(zhì)量和電池質(zhì)量。其中，若輸出端得到功率為P的能量，需要的電池的質(zhì)量me為

圖14 不同爬升速度下螺旋槳拉力隨轉(zhuǎn)速變化情況Fig.14 Propeller tension with rotation speed under different climbing speeds

(18)

式中：ηb=0.95為鋰電池轉(zhuǎn)化效率；ρb=230為鋰電池能量密度，單位Wh/kg；t=0.3 h，為設(shè)計(jì)飛行時(shí)間。計(jì)算得到me為622 g。

由氣動(dòng)力計(jì)算校驗(yàn)了整機(jī)承重20 kg,則單個(gè)螺旋槳承重表達(dá)關(guān)系應(yīng)為

(19)

為其選擇型號為U7-V2.0 KV490的電機(jī)，配套螺旋槳參數(shù)如表3所示。此時(shí)電機(jī)8 100 r/min所對應(yīng)的的拉力大小3 680 g，大于單個(gè)電機(jī)最大承重；此時(shí)槳盤載荷為

(20)

表3 選用螺旋槳參數(shù)Table 3 Propeller parameters

計(jì)算得到槳盤載荷為22.2 kg/m2，在20～45 kg/m2區(qū)間內(nèi)，滿足槳盤設(shè)計(jì)要求，電機(jī)可用。

3.3 材料的選用

救火飛行器的外殼應(yīng)分為兩層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次為阻燃耐火材料層和隔熱層。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[16]，根據(jù)救援飛行器所要求的材料性能，綜合各項(xiàng)性能的優(yōu)劣及飛行器需求，選用聚苯硫醚。

另外，為了保證飛行器高溫條件不影響飛行器內(nèi)各設(shè)備的正常工作，需要在飛行器的表面涂裝有機(jī)硅復(fù)合材料涂料保護(hù)，該涂料在 1 300 ℃時(shí)具有不超過10%的質(zhì)量損失，具有良好的隔熱效果，同時(shí)涂料的透波率均在90%以上，以保證飛行器在高溫環(huán)境下內(nèi)部儀表能正常工作,使飛行器在長期經(jīng)受200 ℃以上溫度時(shí)仍能保持適當(dāng)?shù)奈锢頇C(jī)械性能，起到保護(hù)作用。

4 結(jié)束語

本文介紹了一款新構(gòu)型可傾轉(zhuǎn)動(dòng)力的高層救援變形多旋翼飛行器，針對性地進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。經(jīng)過氣動(dòng)參數(shù)對比，最終選用Clark-Y翼型。此外，通過計(jì)算得到最優(yōu)槳葉扭轉(zhuǎn)角，并對其總體性能進(jìn)行了建模分析。通過計(jì)算與選型，得到了滿足設(shè)計(jì)條件的電機(jī)、螺旋槳等主要部件的型號。在飛行狀態(tài)下，整機(jī)能夠達(dá)到8.5 kg的凈載重以及0.5 h的續(xù)航表現(xiàn)。其有能力攜帶救援物資和裝備深入火場進(jìn)行主動(dòng)救援，延長受困人員的黃金救援時(shí)間。本文并沒有涉及控制以及智能環(huán)境感知和交互的內(nèi)容，后續(xù)工作將致力于這些方面的研究。