一種多功能低空固定翼無人飛行器

李云飛

摘?要：近年來，我國低空空域開放政策秉承“最大程度利用，最小程度限制”的理念，允許私人飛機不需軍方批準即可在一千米以下的空域飛行，至此，低空無人飛行器，勢必將成為研究熱點。本研究適當依托較為先進的飛行器設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化技術(shù)，充分采用新材料和現(xiàn)有成熟技術(shù)，設(shè)計了一款“小型多功能低空固定翼無人飛行器”，既能承擔通用航空航拍、廣告、氣象探測等常規(guī)任務(wù)，又能完成電子干擾、靶機、誘敵、空中布雷等軍用航空簡單任務(wù)。

關(guān)鍵詞：多功能;氣動布局;靶機懸停;隱身懸停

1?設(shè)計理念

“一種小型多功能低空固定翼無人飛行器”，以“多功能”和“微型”為目標，既能承擔通用航空的賦予的常規(guī)任務(wù)，又能滿足軍用航空提出的簡單要求。為了實現(xiàn)“微型化”和“輕量化”的設(shè)計目標，在設(shè)計時突破傳統(tǒng)思維定勢，恪守“結(jié)構(gòu)盡量簡單，系統(tǒng)高度集成，新型材料首選，軍用民用兼顧”設(shè)計原則，充分采用新材料和現(xiàn)有成熟技術(shù)，適當依托較為先進的飛行器設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化技術(shù)，拓寬視野，精心設(shè)計一款多功能、高效能、低成本、應(yīng)用廣的小型無人飛行器。

2?作品簡介

“一種小型多功能低空固定翼無人飛行器”，采用中等展弦比下單翼與水滴形籠式機身融合而成，在機翼翼尖采用翼稍帆片設(shè)計，尾翼采用高水平尾翼雙垂尾布局;整個飛機采用隱身外形設(shè)計，下翼面噴涂吸波油漆;上翼面敷設(shè)高效太陽能電池板，動力裝置采用前拉后推的雙動力、雙能源模式;起落架采用帶有機械減振裝置的固定式后三點方式。根據(jù)所擔負任務(wù)的不同，飛機可選用機翼升力飛行和氦氣球浮力懸停兩種工作模式。飛機的放飛分滑跑起飛與機載投放兩種方式;回收方式分水平滑跑回收與浮力垂直回收兩種方式。“一種小型多功能低空固定翼無人飛行器”技術(shù)數(shù)據(jù)：翼展：900mm;展弦比：2.14;機長：810mm;正常起飛重量：6kg;翼載荷：20kg/m2;最大飛行速度：120km/h;巡航速度：90km/h;最大升限：4km;懸停時間：4小時以上（3級風力以下）;續(xù)航時間：25分鐘（機載電池）;45分鐘（太陽能電池）。

（1）氣動布局。為了突出飛機的低速性能和、高升阻比，采用流線型機身與中等展弦比梯形機翼以下單翼的方式融合，尾翼采用雙垂尾形式。為了隱身，飛機在外形上做了以下設(shè)計：在全機各面之間不出現(xiàn)直角，不產(chǎn)生直角反射[1]，利于減小飛機的RCS。機翼及水平尾翼前緣后掠35°，機翼及水平尾翼后緣前掠35°;機翼采用下單翼設(shè)計，下表面與機身底部融合成一個平面。機體下方除起落架外，沒有其他外掛，設(shè)備艙門前后方向的邊緣為鋸齒形。機翼中翼采用升阻性能好的NACA230翼型，外翼采用失速性能好的NACA44翼型，外翼上反8°。右翼翼尖前部安裝有全、靜壓管（空速管）。機翼端部采用翼稍翻片設(shè)計，可以利用側(cè)風提供推力，也可將翼尖的來流“梳理”成均勻的氣流，將集中的翼尖渦流分割的更加細小[2]。翼稍帆片的幾何參數(shù)：長度50mm;根弦弦長16mm;稍弦弦長8mm;翼稍帆片翼型：NACA63012翼型;扭角：15°;帆片與翼尖弦線的上反角（自前往后）依次為30°、15°、0°。安裝翼稍帆片，降低了翼尖處的旋渦阻力，全機誘導(dǎo)阻力約降低29%，升阻比可提高25%。

（2）飛機遙控通道設(shè)計。全機遙控通道分為運動遙控通道與任務(wù)遙控通道兩大類，共計以下11個遙控通道。飛機的運動與任務(wù)指令由地面遙控器發(fā)給機上接收天線，經(jīng)過CPU最后傳給相應(yīng)的舵機，從而控制飛機的運動和執(zhí)行預(yù)期的任務(wù)。

（3）動力與能源系統(tǒng)設(shè)計。前發(fā)動機：電機選用4250kv780電機，搭配14.8v電池;螺旋槳選用14×7固定距雙葉彈性復(fù)合材料螺旋槳，提供拉力3kg。后發(fā)動機：由鈦太陽能電池陣列供電[5]。電機選用B20-15-8型無刷太陽能電機;螺旋槳選用11×7固定距雙葉彈性復(fù)合材料螺旋槳，提供拉力2kg。

（4）懸停系統(tǒng)。隱身懸停：當執(zhí)行偵察類任務(wù)時，釋放隱身輕質(zhì)氦氣球。隱身輕質(zhì)氦氣球表面噴涂一層灰黑色吸波涂層[3]，以減小RCS。懸停系統(tǒng)的核心控制部件是膜盒組件，膜盒是密封的，隨著外界氣壓的下降而伸長。膜盒組件的工作原理是，當飛機高度低于規(guī)定高度時，膜盒收縮，將電磁充氣閥控制電路接通，高壓氦氣瓶中的氣體充入隱身氦氣球，隨著氦氣球體積的增大，升力逐漸增大，飛機高度逐漸上升，當?shù)竭_規(guī)定高度時，膜盒膨脹使電磁閥控制電路斷開，隱身氦氣球停止充氣，飛機便懸停在規(guī)定高度;當飛機高度下降時，膜盒收縮，將電磁充氣閥控制電路接通，再次給隱身氦氣球充氣，使飛機上升到規(guī)定高度。靶機懸停：當執(zhí)行靶機、誘敵類任務(wù)時，釋放靶機輕質(zhì)氦氣球。靶機輕質(zhì)氦氣球的表面鍍有一層亮光金屬薄膜，且布滿頂角為直角三棱錐的小坑將雷達反射波原路反射回去，以增大RCS[4]。膜盒組件工作原理同隱身懸停。

（5）飛機的回收。飛機的回收方式分水平滑跑回收與浮力垂直回收兩種。當有開闊平坦的道面場地可供使用時，宜采用水平滑跑回收方式;當回收場地狹小或不平整時，宜采用浮力垂直回收方式。

3?創(chuàng)新設(shè)計

（1）隱身設(shè)計。①氣動隱身。在全機各面之間無直角;機翼下表面與機身底部融合為一個平面;機體下方除了起落架外，沒有其他外掛，設(shè)備艙口前后方向的邊緣為鋸齒形，以上設(shè)計均有效減小了飛機的RCS。②材料隱身。除了機身承力梁外，全機其余承力部件及蒙皮材料均為輕質(zhì)高強度復(fù)合隱身材料。③涂料隱身。在機翼、水平尾翼下表面、機身表面均噴涂吸波油漆，隱身氦氣球表面也噴涂吸波涂層。

（2）氦氣球浮力懸停系統(tǒng)設(shè)計。遙控操縱飛機由飛行狀態(tài)進入懸停狀態(tài);飛機高度在膜盒裝置的控制下能夠自動調(diào)整，確保飛機在預(yù)訂的高度上工作;飛機懸停任務(wù)結(jié)束后，投放氦氣球使飛機轉(zhuǎn)入飛行狀態(tài)。

（3）翼稍帆片設(shè)計。在機翼翼尖處設(shè)計三片翼稍帆片，改善翼尖流場，使全機誘導(dǎo)阻力約降低29%，升阻比可提高25%。

（4）雙能源、雙動力設(shè)計。雙動力可以提高飛機的飛行性能和可靠性，可以根據(jù)具體情況靈活使用電能或太陽能能源。①前發(fā)動機牽引。位于機頭的前發(fā)動機由機載電池供電，產(chǎn)生向前的牽引力，發(fā)動機只能單向旋轉(zhuǎn)。②后發(fā)動機推進。位于機身尾部的后發(fā)動機由太陽能電池供電，既可產(chǎn)生向前的推力，也可產(chǎn)生著陸滑跑時所需的向后的制動力，發(fā)動機可以雙向旋轉(zhuǎn)。

（5）雙放飛方式設(shè)計。①滑跑起飛。從地面場地自行滑跑起飛升空，此時前、后發(fā)動機同時工作。②機載空投。由其他飛機掛載飛行到預(yù)定高度后，在空中投放。打開發(fā)動機使飛機進入飛行或懸停狀態(tài)。

（6）雙回收方式設(shè)計。①水平滑行回收。飛機在地面遙控下在跑道上著陸滑行，然后回收。②垂直浮力回收。飛機在地面遙控下在回收場地釋放機載氦氣球，沿垂直方向緩慢下降到地面，然后回收。

（7）空中布雷。將自帶旋翼和電池的微型空雷投放到敵機飛行區(qū)域并浮空，損傷飛行中的敵機。當我機飛入該空域前，由地面通過“布雷遙控通道”發(fā)出指令，關(guān)閉所有浮空狀態(tài)空雷的旋翼，空雷在自重作用下自由落體，“自凈”空域。

4?結(jié)語

低空無人機是近年來科學(xué)研究和市場消費的一個熱點，在四軸飛行器的研究與應(yīng)用越來廣泛的背景下，與之對應(yīng)的固定翼無人機似乎相對較少。本設(shè)計，一種多功能低空固定翼無人飛行器，通過良好的氣動布局，突出的隱身設(shè)計，創(chuàng)新的懸停方式以及獨具特色的“空中布雷”功能，實現(xiàn)了固定翼無人機“輕量化”和“多功能”的設(shè)計目標，填補了市場空白，也為同類飛行器設(shè)計提供了參考和借鑒。

參考文獻：

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[3]肖志河，高超，白楊，袁曉峰.飛行器雷達隱身測試評估技術(shù)及發(fā)展[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，41（10）：1873-1879.

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