雙發(fā)固定翼無(wú)人機(jī)的側(cè)向大過(guò)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

吳 雙，劉清成，朱 琦，王 涵，趙文龍，高美妍，謝琪琪，陳正揚(yáng)

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

對(duì)于給定布局的飛機(jī)，垂尾的設(shè)計(jì)通常是由方向舵的最大可用偏度決定的，應(yīng)確保飛機(jī)機(jī)動(dòng)能力合適[1]。水舵在滑行過(guò)程中主要承受水載荷的作用，水舵在水載荷作用下關(guān)系到飛機(jī)在水面滑行時(shí)的機(jī)動(dòng)性和操縱性，偏航機(jī)動(dòng)是由方向舵快速大幅偏轉(zhuǎn)引起的側(cè)向機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)過(guò)程中方向舵、垂尾上產(chǎn)生較大氣動(dòng)載荷并傳遞到后機(jī)身[2]。偏航機(jī)動(dòng)是民用飛機(jī)載荷設(shè)計(jì)中非常重要的一種機(jī)動(dòng)情況，是垂尾、后機(jī)身等部件載荷嚴(yán)重的情況之一，因此民用客機(jī)在方案設(shè)計(jì)中不能追求較大的過(guò)載[3-4]，而無(wú)人軍機(jī)為了戰(zhàn)場(chǎng)的生存力，必須具有較大的機(jī)動(dòng)能力。目前無(wú)人機(jī)更多地使用電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓、氣壓和機(jī)械能，是先進(jìn)飛機(jī)發(fā)展的方向[5]，也是未來(lái)輕便察打一體機(jī)的發(fā)展方向。

本文的海空一體固定翼無(wú)人機(jī)綜合考慮無(wú)人機(jī)電機(jī)位置的合理布局，采用了雙電機(jī)差速設(shè)計(jì)，同時(shí)該機(jī)采用方向舵和水舵進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，即當(dāng)油門(mén)遙桿左上或者右上撥動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)察打機(jī)的左加速轉(zhuǎn)彎或者右加速轉(zhuǎn)彎，從而在不損失較大速度的前提下，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，減小被武器系統(tǒng)摧毀的概率[6]，增加?？找惑w固定翼無(wú)人機(jī)的生存力。

1 水平側(cè)向扭矩過(guò)載模型

通過(guò)對(duì)海艇和空中固定翼飛機(jī)的分析，得出飛機(jī)海上初始機(jī)動(dòng)僅僅依靠飛機(jī)的方向舵，轉(zhuǎn)彎效率低，尤其在單電機(jī)推力情況下，而采用海上方向舵和空中方向舵一體化設(shè)計(jì)，增大了舵面積和舵效率，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)單發(fā)固定翼無(wú)人機(jī)而言，通過(guò)新增左右2個(gè)電機(jī)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)控制左右電機(jī)的差速運(yùn)轉(zhuǎn)，更有利于提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)過(guò)載。飛機(jī)整體布局如圖1所示。

圖1 高機(jī)動(dòng)?？展潭ㄒ頍o(wú)人機(jī)示意圖

根據(jù)圖1，當(dāng)無(wú)人機(jī)水平急速規(guī)避時(shí)，可以建立差速電機(jī)的扭矩?cái)?shù)學(xué)模型：

式（1）中：M1為差速電機(jī)的扭矩；F1和F2分別為左右電機(jī)拉力；L1和L2分別為左右電機(jī)力臂長(zhǎng)度。

通常為了便于控制，可取L1=L2=L，因此式（1）可以簡(jiǎn)化為：

設(shè)飛機(jī)在空中飛行時(shí)，垂翼的面積為S1，方向舵面積設(shè)為S2，其中包括飛機(jī)的方向舵的面積S3和水舵的面積S4，即S2=S3+S4，因此包括方向舵和水舵的垂尾總面積S=S1+S3+S4，所以當(dāng)方向舵和水舵的舵偏角度最大時(shí)，則僅采用一體化舵實(shí)現(xiàn)偏航的扭矩M2為：

式（2）中，F(xiàn)3為由于方向舵偏轉(zhuǎn)而形成的側(cè)力，其大小與側(cè)力系數(shù)Cz、動(dòng)壓（q=0.5·ρ·v2）和一體化垂尾總面積S有關(guān)，F(xiàn)3=0.5·ρ·v2·Cz·S，所以M2可以表示為M2=0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

當(dāng)一體化舵和差速電機(jī)同時(shí)作用時(shí)，圍繞重心參考點(diǎn)的合成扭距M可表示為M=M1+M2=（F2-F1）·L+0.5·ρ·v2·Cz·S·L3。

2 無(wú)人機(jī)偏航扭矩仿真分析

根據(jù)樣機(jī)的方案設(shè)計(jì)，樣機(jī)質(zhì)量為20 kg，展長(zhǎng)最大為1.6 m，因此L可選擇的最大值為0.8 m。當(dāng)無(wú)人機(jī)僅依靠差速電機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)載偏航時(shí)，單電機(jī)工作的過(guò)載效率最高，假設(shè)左轉(zhuǎn)彎，則可設(shè)左電機(jī)拉力為0，則單發(fā)電機(jī)拉力扭矩M1與力臂L的關(guān)系仿真如圖2所示。

圖2 單發(fā)工作力臂L與扭矩M1的關(guān)系圖

從圖2可知，電機(jī)的力臂越長(zhǎng)，電機(jī)所需拉力越小，但是當(dāng)電機(jī)靠近展向最邊界時(shí)，對(duì)飛行的穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利，所以對(duì)于該低速無(wú)人機(jī)，可以選擇力臂長(zhǎng)為0.5 m，這樣既可以滿(mǎn)足平時(shí)雙發(fā)正常飛行，又可以使單發(fā)過(guò)載達(dá)到15 Nm的扭矩。

當(dāng)僅采用操縱一體化舵實(shí)現(xiàn)側(cè)滑過(guò)載時(shí)，如控制方向舵左偏，則無(wú)人機(jī)將向右側(cè)滑，飛機(jī)將左轉(zhuǎn)彎，此時(shí)無(wú)人機(jī)受到的扭矩M2與由于方向舵偏轉(zhuǎn)而形成的側(cè)力F3和力臂L3都有關(guān)。根據(jù)方案，無(wú)人機(jī)速度v的范圍為1～38 m/s，垂尾面S=0.2 m2，則無(wú)人機(jī)受到的扭矩M2和速度v的仿真示意圖如圖3所示。

圖3 舵偏時(shí)扭矩M2與無(wú)人機(jī)速度v的關(guān)系圖

從圖3可以看出，無(wú)人機(jī)速度越大，側(cè)向力越大，從而扭矩越大。當(dāng)無(wú)人機(jī)達(dá)到最大速度38 m/s時(shí)，無(wú)人機(jī)受到的扭矩為18.4 Nm。

為了實(shí)現(xiàn)有效的水平轉(zhuǎn)彎，需要恰當(dāng)使用一體化方向舵和差速電機(jī)。主電機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)力，可以提供無(wú)人機(jī)平飛時(shí)的動(dòng)力。為了說(shuō)明無(wú)人機(jī)在不同的平飛速度下的機(jī)動(dòng)，圖4—圖7分別給出無(wú)人機(jī)水平速度在10 m/s、20 m/s、30 m/s和38 m/s時(shí)，最大一體化方向舵偏角和單（左）電機(jī)不同拉力作用下的合成扭矩M與力臂L的關(guān)系圖。

綜合圖4—圖7可知，無(wú)人機(jī)的速度越大，雙電機(jī)的差速拉力越大，可以實(shí)現(xiàn)的水平方向的扭矩越大，從而可以使無(wú)人機(jī)獲得較大的水平偏轉(zhuǎn)，減小被敵方炮火等摧毀的概率。

圖4 最大舵偏（無(wú)人機(jī)速度10 m/s）和左電機(jī)不同拉力下的合成扭矩圖

圖5 最大舵偏（無(wú)人機(jī)速度20 m/s）和左電機(jī)不同拉力下的合成扭矩圖

圖6 最大舵偏（無(wú)人機(jī)速度30 m/s）和左電機(jī)不同拉力下的合成扭矩圖

圖7 最大舵偏（無(wú)人機(jī)速度38 m/s）和左電機(jī)不同拉力下的合成扭矩圖

3 結(jié)論

針對(duì)目前?？展潭ㄒ盹w行器機(jī)動(dòng)性機(jī)動(dòng)性小導(dǎo)致飛機(jī)容易被摧毀的弊端，在保留中心電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用左右電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)以及方向舵和水舵一體化設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)的速度越大，一體化方向舵偏角越大，同時(shí)雙電機(jī)的差速拉力越大，可以實(shí)現(xiàn)的水平方向偏轉(zhuǎn)扭矩也較大，從而可以滿(mǎn)足?？諆捎霉潭ㄒ頍o(wú)人機(jī)的快速高側(cè)向機(jī)動(dòng)的需求。