“云燕”可變翼貨運(yùn)無人機(jī)

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院

為解決山區(qū)物流需求，本文提出“云燕”可變翼貨運(yùn)無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。該無人機(jī)在低速起降時(shí)，使用大縫道三翼布局，升力系數(shù)為單翼的2.4倍，縮短了起降距離；巡航時(shí)三翼收縮合并，切換為傳統(tǒng)單翼布局，保證了飛行效率。同時(shí)采用大容量貨艙和雙尾撐結(jié)構(gòu)，提高了貨物裝載效率和飛行穩(wěn)定性，可為山區(qū)末端物流應(yīng)用提供參考。

2018年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018－2022年）》。規(guī)劃指出，要積極培育新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，深入實(shí)施電子商務(wù)進(jìn)農(nóng)村綜合示范，建設(shè)具有廣泛性的農(nóng)村電子商務(wù)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施，加快構(gòu)建農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施骨干網(wǎng)絡(luò)，鼓勵(lì)商貿(mào)、郵政、快遞、供銷、運(yùn)輸?shù)绕髽I(yè)在農(nóng)村地區(qū)擴(kuò)大設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局。加快完善農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施末端網(wǎng)絡(luò)，逐步完善以農(nóng)村物流樞紐站場為基礎(chǔ)，以縣、鄉(xiāng)、村三級物流節(jié)點(diǎn)為支撐的農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系。山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)具有規(guī)模分散、物流成本高、運(yùn)輸安全性要求高等特點(diǎn)，建設(shè)針對性的物流配送服務(wù)體系是現(xiàn)實(shí)需求。

作為新型運(yùn)輸工具，無人機(jī)為山區(qū)物流提供了一種可行性解決方案。2019年7月，百余架無人機(jī)參與松茸“第一公里”運(yùn)輸，用高科技為四川甘孜藏族自治州的特產(chǎn)松茸出山提速。無人機(jī)可直接搭載貨物從無陸運(yùn)條件的山頭運(yùn)往有道路的無人機(jī)機(jī)場，單程僅需30min，與傳統(tǒng)運(yùn)輸方式相比，運(yùn)輸效率提升4倍，改變了甘孜菌農(nóng)“摸黑上山采松茸，下午背松茸下山，來回半天”的低效又危險(xiǎn)的局面。

河南省包括太行山、崤山、桐柏山和大別山等山區(qū)，河南省人民政府網(wǎng)站信息顯示，山區(qū)面積約占全省總面積的44%。山區(qū)有天麻、石斛、茶葉、何首烏等高價(jià)值農(nóng)作物和中草藥。研制適合山區(qū)環(huán)境的貨運(yùn)無人機(jī)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

貨運(yùn)無人機(jī)構(gòu)型與特點(diǎn)

常規(guī)固定翼作為最常見的布局形式，得到廣泛關(guān)注，最常見的傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)由機(jī)身、機(jī)翼、平尾、單垂尾等組成，其特點(diǎn)是技術(shù)成熟、可靠性高、研發(fā)周期較短。多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，但巡航升阻比較低。在山區(qū)運(yùn)營的貨運(yùn)無人機(jī)，其性能和有人機(jī)有較大區(qū)別，需滿足以下要求。

第一，山區(qū)不宜修建專用機(jī)場跑道，可對簡易空地進(jìn)行適當(dāng)改造供無人機(jī)起降，同時(shí)要求無人機(jī)具備垂直起降或超短距起降特性，是較為合適的解決方案；

第二，為防止起降場地上人員和雜物對無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、螺旋槳的侵入和干擾，可考慮將動(dòng)力裝置部件進(jìn)行包裹；

第三，為提高運(yùn)輸效率，研制有別于常規(guī)有人機(jī)或多旋翼無人機(jī)的貨艙非常必要。直接將貨物掛載于腹部，飛行阻力大，且有脫落風(fēng)險(xiǎn)；多旋翼無人機(jī)一般在機(jī)身中央位置設(shè)置貨艙，但貨艙體積與旋翼尺寸有關(guān)。

總體來看，目前多旋翼無人機(jī)的優(yōu)勢在于可垂直起降，缺點(diǎn)是巡航升阻比較低。為提高無人機(jī)巡航升阻比，并兼顧短距起降需求，本文提出“云燕”可變翼貨運(yùn)無人機(jī)。

外形與設(shè)計(jì)指標(biāo)

“云燕”無人機(jī)概念圖及其起飛過程示意圖，詳見圖1和圖2。該無人機(jī)的突出特點(diǎn)是，采用了可變翼布局設(shè)計(jì)，即飛行時(shí)機(jī)翼可在三翼與常規(guī)單翼之間切換，如圖3所示。此外，使用了高裝載效率機(jī)身和雙尾撐結(jié)構(gòu)。保證巡航速度和飛行穩(wěn)定性的同時(shí)，縮短了起降距離。設(shè)計(jì)最大起飛重量65kg，最大任務(wù)載荷重量30kg，航程140km，起降距離不超過常規(guī)固定翼無人機(jī)的40%。

圖1 “云燕”貨運(yùn)無人機(jī)概念圖。

圖2 “云燕”貨運(yùn)無人機(jī)起飛過程示意圖。

圖3 大縫道多段翼在合并（上）和展開（下）狀態(tài)的外形。

無人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于大縫道多段翼的可變翼布局設(shè)計(jì)

可變翼的三段翼型和整體翼型均選用通航飛機(jī)常用的GA(W)-1翼型。使用數(shù)值模擬方法分析不同翼間參數(shù) G1，G2和翼間夾角θ(見圖4)下機(jī)翼的氣動(dòng)特性。計(jì)算軟件為 ANSYS FLUENT，計(jì)算時(shí)使用二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程;針對低速不可壓來流，使用壓力和 速度耦合的 SIMPLE 算法。已有研究表明，S-A 模型較適合用于增升裝置的計(jì)算，低速條件 時(shí)多段翼流場結(jié)構(gòu)與增升裝置有一定相似性，因此使用 S-A 湍流模型。

圖4 大縫道多段翼翼間參數(shù)。

針對典型算例Ma=0.2，Re= 9 ×106，θ= 30°，由疏到密設(shè)計(jì)了4套網(wǎng)格，第3 套和第4 套計(jì)算升力系數(shù)和阻力系數(shù)相對誤差分別為 0.2%和 1.0%，可認(rèn)為第 3 套網(wǎng)格(總規(guī)模 33 萬)滿足收斂要求，以其作為后續(xù)網(wǎng)格劃分和計(jì)算基礎(chǔ)。

圖5 不同迎角時(shí)升力系數(shù)隨夾角變化的曲線。

圖6 翼型流場壓力等值線分布。

圖7 不同機(jī)翼間距下翼型流場壓力等值線分布。

圖8 “云燕”貨運(yùn)無人機(jī)機(jī)身和貨艙艙門。

圖5給出了不同迎角時(shí)升力系數(shù)隨夾角的變化曲線?？梢姡谌N迎角下，升力系數(shù)CL隨翼間夾角θ的變化趨勢一致，最大值均在θ=20°附近。升力系數(shù)隨機(jī)翼間距參數(shù)G1和G2的變化趨勢與翼間夾角類似，不再贅述。

和機(jī)翼間距時(shí)，機(jī)翼繞流流場壓力分布的對比。對比圖5～7可知，當(dāng)翼間參數(shù)合適時(shí)，第1段翼和第2段翼將產(chǎn)生有利干擾，翼面上下翼面壓差變大，此時(shí)機(jī)翼整體氣動(dòng)特性最優(yōu)。設(shè)計(jì)時(shí)選取最優(yōu)值對應(yīng)的翼間參數(shù)作為巡航飛行時(shí)的鎖定狀態(tài)。

高裝載率機(jī)身和雙尾撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高機(jī)身裝載率，使用接近長方形的機(jī)身，并做倒圓角處理。借鑒大型運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，在機(jī)頭部設(shè)立艙門，便于貨物裝卸。考慮到常規(guī)機(jī)身后端有較大收縮過渡段，空間利用率不高，采用了小長細(xì)比機(jī)身，搭配雙尾撐設(shè)計(jì)方案，形成結(jié)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)，提升機(jī)身有效裝載空間，使氣動(dòng)和操穩(wěn)特性體現(xiàn)出一定優(yōu)勢。該布局還將螺旋槳包裹在雙尾撐之間，提高無人機(jī)地面滑跑時(shí)的安全性。

設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

“云燕”可變翼貨運(yùn)無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案后續(xù)將圍繞兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）機(jī)身氣動(dòng)外形和機(jī)身裝載率的多目標(biāo)優(yōu)化

圓柱形機(jī)身氣動(dòng)阻力小，而長方形機(jī)身裝載率高，兩者之間存在最優(yōu)外形，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種有效解決方案；

（2）地面裝卸和操作流程優(yōu)化

對地面人員操作流程、貨艙分區(qū)及貨物放置位置等進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減小貨物重量和尺寸對無人機(jī)重心的影響，并提高地面人員操作效率。