新時代下關于未來飛行器設計的理論研究

蔡親瑋 王瀟宇 郭蕾磊

摘要：隨著中國通用航空的蓬勃發(fā)展，通航飛行器日益受到行業(yè)的關注，包括載人航空、無人機等方面。針對以往的飛行器存在的續(xù)航性、安全性、經濟性提出一些改進。本文構建出一種采用雙軸旋翼控制，搭載動力單元冗余系統(tǒng)，同時具有機臂自動折疊功能的多用途飛行平臺。雙軸系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的四、六軸飛行器續(xù)航時間更長，同時具有六軸的安全性能。此外，本飛行器具備機臂自動折疊系統(tǒng)，在不工作時可自動折疊，節(jié)約收納空間。以上優(yōu)勢可應用于眾多領域例如：未來的飛行汽車、軍用航空器、商用無人機等方面。為未來的航空器設計提出了一種新的方案，獨特的創(chuàng)新性在未來具有較大的開發(fā)價值。

一、未來雙旋翼的一些設計思路

（一）減少多余軸數(shù)以延長續(xù)航時間

以四旋翼為例，目前純電四旋翼的續(xù)航時間一般不過30分鐘，其主要原因是受到動力布局的限制，為提升續(xù)航。我們采用雙軸矢量控制原理，雙軸控制需要使用矢量電機座，通過矢量電機座傾轉控制來達到飛行器的運動控制。在相同載重情況下，雙軸設計由于機械重量的減少和動力系統(tǒng)的優(yōu)化，提升了飛行器的滯空時長。

（二）設計動力補償機制

在機械方面，根據(jù)雙軸的控制原理，將兩側的動力輸出定義為一個動力單元，一個動力單元串聯(lián)安裝到一個矢量電機座上。在控制方面，飛控需要單獨控制四套電動機。我們通過創(chuàng)新的飛控算法，結合優(yōu)化的PID控制，實現(xiàn)了通過電機故障動力補償以達到平穩(wěn)飛行的目的，即可解決過去電機失控導致墜毀的安全問題。

（三）多功能兼容性平臺

給飛行器的飛行模塊以下，設置可拆卸結構，用以方便得安裝特定功能模塊。多功能模塊可以另行設計，比如航拍設備，農業(yè)噴灑設備，環(huán)境監(jiān)測傳感器等等以此增強飛行器的多功能性。

二、雙旋翼提出的一些創(chuàng)新設計

本文是研究的是一種采用雙軸設計的多用途飛行平臺。此飛行平臺主要具有以下三點優(yōu)勢：滯空時間長、具備動力單元冗余系統(tǒng)、機臂可自動折疊。

以四旋翼為例，目前純電四旋翼的續(xù)航時間一般不過40分鐘，其主要原因是受到動力布局的限制，為提升續(xù)航。我們采用雙軸矢量控制原理，雙軸控制需要使用矢量電機座，通過矢量電機座傾轉控制來達到飛行器的運動控制。在相同載重情況下，雙軸設計由于機械重量的減少和動力系統(tǒng)的優(yōu)化，提升了飛行器的滯空時長。

相比于現(xiàn)有的雙軸飛行器，如V-22魚鷹等。其最大的問題是當單邊動力出現(xiàn)故障時，飛行器無法穩(wěn)定姿態(tài)，將會出現(xiàn)機毀人亡的事故。本飛行平臺的單軸動力單元串列安裝了兩臺電動機，通過飛控硬件檢測，輔以算法的計算，在一側動力單元的某一臺電動機因意外發(fā)生停機的情況下可自動補償單軸側動力單元的動力輸入，從而穩(wěn)定飛行器的姿態(tài)，給飛行器的降落留足了充分的時間，保障了人員的生命財產安全。

（一）雙軸設計

航空器對重量特別敏感，重量的提升將會對飛行器的經濟性造成不利的影響。 如果一款航空器是四軸或者六軸甚至是八軸，總有一部分重量無法有效利用，就變成“死重”。這些死重會造成續(xù)航里程短，還會造成其飛行性能變差。相比于傳統(tǒng)垂直起降平臺的多軸設計，雙軸設計能有效減少動力系統(tǒng)與機臂機械結構的重量。避免帶來更多的空中的“死重”，同時能夠更加合理的利用動力。從多方面提高了飛行汽車的續(xù)航。

（二）多冗余設計

在機械方面，根據(jù)雙軸的控制原理，將兩側的動力輸出定義為一個動力單元，一個動力單元串聯(lián)安裝到一個矢量電機座上。在控制方面，飛控需要單獨控制四套電動機。可通過創(chuàng)新的飛控算法，結合優(yōu)化的PID控制，實現(xiàn)了控制多冗余飛行平臺平穩(wěn)飛行的目的，解決了過去可能機臂末端出現(xiàn)震蕩等問題。

（三）機臂自動折疊設計

通過伺服機帶動連桿機構使機臂向后折疊，減少了50%的收納空間，機臂能夠依靠折疊機構一鍵進行收放。同時本裝置包括機臂的鎖定機構，采用電磁控制插銷，在機臂完全展開時自動鎖定。由于需要對精準機臂角度進行控制，可采用了串行數(shù)字總線伺服，使機臂在任何工作位置時可監(jiān)測機臂角度，機臂自動折疊系統(tǒng)還具有安全保護，在非飛行狀態(tài)下禁止解鎖電動機。

三、此飛行的一些應用價值

本飛行平臺同時具備多種新特性，可應用于眾多領域例如：未來的飛行汽車、軍用偵查運輸機、商用無人機等方面。為未來的航空器設計提出了一種新的方案，獨特的創(chuàng)新性在未來具有較大的開發(fā)價值。

以飛行汽車的應用說明，我們認為安全特性是任何載人交通工具的首要指標。次要的指標有：實用性、便捷性、安全性。為此，我們對飛行汽車提出了以下幾點設計理念。

①動力冗余，與傳統(tǒng)商用客機相似，飛行汽車在飛行中因意外失去部分動力時，仍能保持一定的動力冗余使飛行汽車安全降落，保障人員的生命財產安全。

②易用性，傳統(tǒng)的載人飛行器需要操作者具有較高的駕駛能力，而飛行汽車的研發(fā)目的是為了惠及大眾。在飛行器的前期準備和使用過程中，要具有易用性的特征。

③實用性，目前續(xù)航能力作為電動汽車的重要指標之一。續(xù)航能力也將成為一款飛行汽車優(yōu)劣的重要指標。

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