“斑鳩”可重構(gòu)布局單兵無人機

王曉璐，李卓遠，楊浩男

1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院

2.西北工業(yè)大學(xué)

為滿足戰(zhàn)場環(huán)境對偵察、任務(wù)載荷投放和攻擊等多種需求，本文提出“斑鳩”可重構(gòu)布局單兵無人機總體設(shè)計方案。該無人機由2副機翼，1套機身和1臺動力裝置等部件組成，收納到便攜式箱體后可由單人攜帶，經(jīng)快速組裝后成為快速型和長航時型2種機型。該機具有垂直起降、一機多用、性價比高等特點，可為單兵無人機設(shè)計人員提供參考。

智能化、動力及材料制造等技術(shù)不斷進步，單兵便攜式無人機正逐漸裝備至連排級部隊。其翼展一般小于2m，最大起飛重量一般小于25kg，其構(gòu)型可分為固定翼、多旋翼、復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼等類型，常見起飛方式為手拋發(fā)射、管式發(fā)射和垂直起飛等。動力系統(tǒng)一般使用充電電池和輕型電動機，可根據(jù)任務(wù)種類搭載不同任務(wù)載荷。

典型單兵無人機包括美國“指針”（Point）、“大烏鴉”（Raven）、“龍眼”（DragonEye）、“彈簧刀”（Switchblade）和“小?！保∕averic），以色列“雀眼”（BirdEye）、“羅特姆”（Rotem）和“天石”（Skylite）等機型。

在飛機設(shè)計領(lǐng)域，比倫巴赫（Birrenbach）以支線客機為對象，提出利用模塊化設(shè)計，采用同一副機翼，提供不同機體方案，由此減小研發(fā)、制造和維護成本。有學(xué)者借鑒機電產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)驗，將模塊化和通用性概念引入飛機設(shè)計流程，提出飛機族總體設(shè)計方案和框架。

可重構(gòu)（Reconfigurable）概念類似于機電產(chǎn)品的模塊化設(shè)計理念，它以通用平臺為基礎(chǔ)，增加可更換的專用模塊。在執(zhí)行任務(wù)的維護期間，更換專有部件后實現(xiàn)無人機布局重構(gòu)，形成可搭載不同任務(wù)載荷、滿足不同任務(wù)要求的無人機，從而降低生產(chǎn)、使用和維護成本，提升任務(wù)執(zhí)行的機動性。

2012年，美國國防預(yù)研局（DARPA）資助洛克希德-馬?。↙ockheed Martin）公司和派塞克飛機（Piasecki Aircraft）公司開展“空中可重構(gòu)嵌入 式 系 統(tǒng)”（Aerial Reconfigurable Embedded System）項目，目標是研制一種用于物資運輸、投放的垂直起降無人機。后因預(yù)算超標，該項目于2019年被取消。

一些國外學(xué)者提出一種可重構(gòu)布局、尾座式無人機設(shè)計方案，使用對轉(zhuǎn)電機提供推力矢量驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，無人機垂直起降時，機翼處于小展弦比折疊狀態(tài)，升空后旋翼軸旋轉(zhuǎn)90°，同時機翼通過四連桿機構(gòu)展開為大展弦比外形。

本文借鑒上述思路，從可重構(gòu)布局設(shè)計出發(fā)，提出一種新穎的單兵無人機設(shè)計方案。

外形與設(shè)計指標

“斑鳩”可重構(gòu)布局單兵無人機具有2種布局，對應(yīng)2副機翼，如圖1所示。其中，1副為小后掠角大展弦比，詳見圖1（a）左圖，1副為中等后掠角中等展弦比，見圖1（a）右圖，可根據(jù)不同任務(wù)進行選擇。這2種布局的機身、電池和螺旋槳均相同。圖2為2種布局的設(shè)計任務(wù)剖面。

圖1 “斑鳩”無人機兩種姿態(tài)下布局形式。

圖2 “斑鳩”無人機的設(shè)計任務(wù)剖面。

快速型和長航時型2種布局的設(shè)計航程分別為80km和120km，巡航速度分別為22m/s和15m/s，最大起飛重量均為8.7kg，最大任務(wù)載荷重量也是1.1kg，均具備垂直起降能力。無人機使用傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)，起降時旋翼軸垂直于地面見圖1（a），平飛時向前旋轉(zhuǎn)90°，此時旋翼軸為水平方向，見圖1（b）。

總體設(shè)計方案

翼型選擇和機翼設(shè)計

翼型應(yīng)選擇具有較高升阻比（L/D）和較小俯仰力矩系數(shù)的翼型。由于該無人機采用翼身融合布局，對于常規(guī)布局中尾翼提供負升力抵消機翼產(chǎn)生俯仰力矩的功能，該機無法實現(xiàn)。

快速型布局可選用俯仰力矩系數(shù)為正的S型翼型實現(xiàn)俯仰穩(wěn)定；而長航時型選用S型翼型，普遍無法滿足升阻比設(shè)計要求，考慮到傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)在平飛姿態(tài)時可提供升力和拉力，故長航時型可參考鴨式布局，由前部傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)提供配平力矩，機翼翼型可選用升阻比較大的平凸翼型。

圖3給出了低速無黏狀態(tài)下，4種常用翼型如S型翼型EPPLER 637和MH 78，以及高升力翼型NACA 4412、CLARK Y的升阻比和俯仰力矩系數(shù)曲線。

圖3 4種翼型氣動特性曲線對比。

由圖3可見，MH 78翼型具有較好俯仰穩(wěn)定性，EPPLER 637翼型的升力線斜率小于NACA 4412翼型，但其俯仰力矩系數(shù)較高，更適用于翼身融合布局。綜上分析，快速型選用MH 78翼型，長航時型選用EPPLER 637翼型。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗確定機翼平面形狀，快速型和長航時型的前緣后掠角分別取30°和12.5°，展弦比為4.6和10，翼展為1.5m和2.5m?！鞍啉F”無人機在翼身融合布局基礎(chǔ)上，增加了翼梢小翼，以彌補航向穩(wěn)定性的不足，小翼翼型為NACA 0012。

機身設(shè)計

圖4 機身最大截面形狀。

機身作為無人機的重要部件之一，主要連接機翼、尾翼、起落架等部件，并掛裝任務(wù)載荷。大多數(shù)翼身融合布局無人機無明確的機身設(shè)計，其機身多與機翼融為一體，有效提升了氣動性能，但其機身內(nèi)部空間較為狹小，無法放置體積較大的任務(wù)載荷。本文從模塊化特性及任務(wù)載荷容積需求出發(fā)，開展機身設(shè)計。由于無需考慮尾翼力臂需求，機身有效裝載長度大于傳統(tǒng)機身；此外采用三軸推力矢量系統(tǒng)，機身后部需延長一小段距離，用于設(shè)置尾部電機梁，并使用較小截面來承載電機，參考同類型無人機，機長定為0.96m，不含尾部電機梁，考慮螺旋槳半徑，尾部電機梁長度定為0.14m，綜合考慮無人機機長為1.1m，已含尾部電機梁。

為保證無人機在一定容積的條件下表面積最小，機身截面設(shè)計應(yīng)更接近圓形，此外還應(yīng)考慮內(nèi)部空間高效利用率，以及內(nèi)部設(shè)備布置狀況。該型無人機通常執(zhí)行急救物品投放或偵察任務(wù)，其機身內(nèi)部需考慮偵察設(shè)備的布置及急救物品尺寸，高度應(yīng)與其相近。另外還要布置飛控系統(tǒng)和電池等設(shè)備，機身直徑可按最大高度設(shè)計。綜合上述因素，確定機身最大橫截面如圖5所示，其高為0.12m、寬0.125m。

圖5 快速拆裝設(shè)計細節(jié)。

快速拆裝與折疊設(shè)計

單兵便攜式無人機除具備優(yōu)異的飛行性能外，還應(yīng)具有良好的便攜性，“斑鳩”無人機初步設(shè)計方案是，前機臂可向后收折，盡量減小其橫向長度，并可收納到便攜式箱體，機翼可快速拆裝。

快速拆裝式機翼采用碳桿連接，表面采用搭鎖固定，在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下減少組裝時間，碳桿連接示意圖，詳見圖5（a），旁側(cè)預(yù)留了副翼舵機接口，插入同時完成舵機連接。機翼表面搭鎖如圖5(b)所示，插入機翼后鎖緊搭鎖，即完成機翼組裝。

快速型無人機收納后可放入尺寸不小于1.2m×0.43m×0.3m的箱體，圖6其整機展開狀態(tài)與收納狀態(tài)示意圖。長航時型布局與快速型收納方式類似，不再贅述。

圖6 快速型無人機展開狀態(tài)和收納狀態(tài)示意圖。

驗證機成本估算

相較同類型小型無人機，可重構(gòu)布局無人機具有“一機多用”特點。在使用方面，根據(jù)不同的任務(wù)類型可快速更換不同部件，從而降低使用成本；在設(shè)計方面，可重構(gòu)布局可根據(jù)通用部件重新調(diào)整布局設(shè)計，降低設(shè)計成本；在生產(chǎn)方面，可重構(gòu)布局使用大量標準件和模塊化部件，降低工藝成本。

第一代產(chǎn)品研制立足于使用市場現(xiàn)有民用標準元器件，經(jīng)市場調(diào)研，其成本如表1所示。

表1 成本估算。

產(chǎn)量為100架時，單機成本為12800元。后續(xù)可根據(jù)市場反饋，使用可靠性較高的軍用元器件。

產(chǎn)品完善與改進

“斑鳩”可重構(gòu)布局單兵無人機后續(xù)將在兩方面完善與改進。

第一，使用高精度數(shù)值模擬工具對固定翼和旋翼之間的干擾進行研究，盡量降低其對整機巡航性能的影響；

第二，針對典型任務(wù)載荷，對其在機體上的安裝位置或投放方式進行分析，給出合理的操作方案，增強飛控系統(tǒng)的魯棒性。