小型航拍直升机造型设计

2014-05-15周欣昱陈少强

机械工程与自动化 2014年3期

尹虎，周欣昱，陈少强，陈路

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

小型航拍直升机作为一种理想的无人驾驶飞行器，有着垂直起降、悬停、巡航以及快速转变航向等特性，使得它成为一种理想的航拍飞行器，近年来人们开始重视小型无人直升机的发展，其功重比、稳定性、安全性、灵活性等性能被不断提高。

目前小型无人航拍直升机多配置下挂式云台或前置两轴云台。为了解决云台震动大、不稳定的问题，本文提出了三轴精确定向云台的方案。云台系统配置三轴陀螺，分别控制俯仰、横侧、航向，保证飞机在晃动、俯冲等任何飞行状态下云台系统的水平稳定；此外，悬浮式发动机架及云台柔性装配也能将云台的震动水平降到最低。上述结构支撑对直升机的造型有一定影响，本文针对这一问题对小型航拍直升机的造型设计进行论述。

1 航拍直升机的功能设计要求

1.1 结构布局设计

小型旋翼飞行拍摄平台传统上采用下挂云台的设计，这样增加了飞行器的重量、体积和维护难度，还造成飞行器的废阻提高、续航时间减少。本设计中将摄像设备置于飞机前端，固定在一个三轴云台上。前置云台优点突出，可纵向俯仰45°，横向180°转动，更适合航拍和图像识别。同时将发动机置于机体重心平衡点，以保持机体稳定性，将干扰程度降到最低。

1.2 直升机结构对机壳造型设计的限制因素

直升机结构对机壳造型设计的限制因素主要包括：①小型航拍直升机每次飞行时要进行电池的装配，由于机壳很少拆卸，要求机身在中部、后部位置不能有遮挡；②直升机上部最高点为机壳设计的最高点，该零件前后移动不能超过10 mm；③机身尾杆处有螺旋桨支架，为平时静止时使用，所以尾杆处不应包裹外壳；④在保证三轴云台运动幅度的基础上，为了便于外壳加工成型，要求外型设计应尽可能简洁，视觉效果整体和谐、易于识别。

2 直升机设计内容

根据设计草图绘制二维效果图，并进行配色方案设计，通过方案价值分析最终选择一个方案建立三维数字模型，绘制效果图，并进行细部优化设计。

2.1 航拍直升机结构

本航拍直升机结构如图1所示。与外形设计有关的部分为云台部位、电池装配部位和机尾螺旋桨部位。云台用于搭载单反照相机，要求水平180°旋转，俯仰角度均可以达到45°角。机壳要求在不被拆除的前提下能够装卸电池，造型设计应考虑人机工程的合理性。

2.2 现有航拍直升机相机放置形式分析

主流设计是将航空拍摄相机放置在起落架上，这种形式造成起落架很高，并且拍摄角度的改变完全依靠操作机身的俯仰角，增加了操作难度，如图2（a）所示；另一种设计是将相机搭载在机头的部位，尽管机头采用了全透明的设计，由于机头覆盖材料和角度问题会造成画面效果失真，如图2（b）所示。

现有的两种照相机与机体的结合方式缺陷是明显的。总结直升机外壳设计需要考虑的因素如下：①保证核心功能，即不影响拍摄；②材质选择时不能过多加重负载；③机壳要易于装配，不能影响螺旋桨的运动，易于相机和电池的拆卸；④ 视觉设计上机壳外形考虑仿生设计理念，配色方面要考虑色彩工学的配色原则。

图1 直升机结构

图2 现有航拍直升机相机与机体结合方式

3 造型方案的衍生

生物形态是经过自然进化选择的形态，将仿生设计用于飞机外壳的设计可以极大地避免机壳因空气因素对飞行产生的阻力和不稳定气流的影响。

3.1 仿生设计理念在造型中的应用

通过以上综合因素分析，绘制了飞机外壳的仿生造型二维效果图，见图3。其中，海豚仿生造型采用了海豚嘴部与头部的连接位置作为设计点，形状简约而有层次感，机壳的尾部微微扬起，使得整体造型更富动感，机壳下方的线条富于变化，主要功能是遮挡机身，保护直升机主要部件。图3（b）和图3（c）均为仿生鱼设计，不同之处在于图3（b）的机壳尾部设计与图3（a）相似，其设计目的是增加外形的动感；图3（c）的设计采用了另一种装配形式，安装时，不需要卸下螺旋桨，只需从前向后插入并用几个销钉固定位置即可，这种装配方式减少了不必要的拆卸，也因此可以延长一部分零件的使用寿命，缺点是造型有不完整感，从外部留下装配痕迹。

图3 飞机外壳的仿生造型

3.2 配色方案分析

依据直升机造型特点，配色方案有两种选择：

（1）以对比色为主题，色相方面选取色相环上角度大于90°的颜色，如高纯度蓝色系与橙黄色系搭配。这样的配色方案视觉效果强烈，富于动感，在蓝色天空的背景下形成色彩的强对比关系，易于识别。

（2）以邻近色为主题，选择一个主色系，如蓝色，其他颜色在蓝色系里做明度和纯度的变化，再搭配小面积的对比色。此配色方案突出整体效果，同时兼顾变化，色彩搭配既和谐统一，又有适度的变化。

通过造型、色彩分析和视觉效果考虑，综合改进了方案。色彩选用冷色调，以白色为底色，增加机体的色彩明度，搭配大面积钴蓝色，与白色形成高长色调，使用低纯度而小面积的桔红色增强色彩对比，配色设计既和谐统一又富于变化，整体效果得到了提升。图4为直升机外观价值分析选定方案。

图4 直升机外观价值分析选定方案

4 航拍直升机模型的建立

建立航拍直升机模型之前应得到准确的机身参数。因为航拍直升机基本是保持低速飞行，风阻对直升机的影响比较小，几乎可以忽略不计，比较有影响的是直升机螺旋桨旋转时产生的压差力，螺旋桨运动对直升机外壳的影响见图5。升力螺旋桨是直升机的主要部件，旋翼由桨毂和桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，形如细长机翼的桨叶则连在桨毂上。桨叶旋转时与周围空气相互作用，产生沿旋翼轴的拉力，如果气流的方向或各片桨叶的桨距不对称于旋翼轴，会产生垂直于旋翼轴的分力。在直升机上，旋翼轴方向近于垂直，因此旋翼首先具有机翼的功能，产生向上的力；其次还具有类似于飞机推进装置的功能，产生向前的力；此外，它还具有类似于飞机操纵面的功能，产生改变机体姿态的俯仰力矩或滚转力矩。通过应力计算，直升机外壳要承受住最大压差力要求厚度＞3 mm，并在机壳结构设计上设置加强筋。经分析最后确定了航拍直升机的机身模型尺寸，建立的航拍直升机涂装模型见图6。