基于复合材料的八旋翼飞行器设计

陈子超 冷雪峰 张成茂

（临沂大学机械工程学院，山东 临沂 276000）

0 引言

复合材料在飞行器制造中占有重要地位，随着高新技术的不断开发，越来越多的复合材料开始利用在飞行器制造中。本文针对一种复合材料构成的八旋翼飞行器进行了结构设计。

1 八旋翼飞行器外形结构设计

传统八旋翼飞行器大多采用碳纤维管做支架，用连接板固定碳纤维管和八旋翼飞行器的飞控、接收机、电调和电池等部件。这种方法制造八旋翼飞行器取材方便，互换性好，但是抗风性和适应性不强[1-2]。

为了提高八旋翼飞行器的抗风性和续航性，本文制作的八旋翼飞行器采用了复合材料的压膜成型技术，制作出机身质量轻，抗风性强的八旋翼飞行器结构。该一体式结构可有效减少自然因素对飞行器的影响，比如在雨天不容易损坏八旋翼飞行器的机械及电子设备。再根据八旋翼每个翼梁所受的弯曲、剪切、扭转特点，在受力较大的部位进行加强处理，保证该飞行器机身具有的安全系数。设计出的八旋翼飞行器主要结构如图1 所示。

图1 八旋翼飞行器的结构简图

2 八旋翼飞行器参数选择

本文根据表1 的参数进行了八旋翼飞行器的设计。

表1 八旋翼飞行器相关参数的选择

由于八旋翼飞行器本身绕三轴的转动惯量、电动机的转动惯量、电机重心与飞行器的重心的间距是影响八旋翼飞行器角速度的主要因素，为了减小八旋翼飞行器的转动惯量对飞机的控制干扰，应使飞行器绕三轴的转动惯量、电动机的转动惯量、电机重心与飞行器的重心的间距尽可能小。

根据八旋翼飞行器的总体特征，我们采用复合材料通过压膜成型使整个机身实现一体化，采用芳纶纸蜂窝复合材玻璃纤维及碳纤维等材料进行铺层，通过加温抽真空等工艺压膜成型，上下机体之间采用复合材料胶结工艺，制作出结构强度高、整体质量轻的一体式八旋翼机身[3-4]。

3 能源和动力装置选择

正常情况下，一个高效率的电机效率值在12g/w 左右，一台额定功率300w 的电机，最大拉力3.6kg。一台八旋翼飞行器加上自身接近7kg 的重量，最大任务载荷只剩14.6kg。飞行器的动力装置完全由飞行器的旋翼提供，八个相同的子系统成对称均匀分布，为了实现飞行器的载荷要求，本文选择高速盘式电机作为动力，该电机的特点是扭距大且效率高。电机的型号为飓风新款C411KV400，根据电机的电流、拉力等选择能达到最高效率的螺旋桨型号。

通过选定的电机在不同的转速、不同的螺旋桨与不同的电机功率下测得电机的功率、升力和效率之间的关系，选择产生最高效率的螺旋桨型号：APC15*4，具体参数如表2 所示，该选择可以有效提高八旋翼飞行器的飞行效率和续航性。

表2 螺旋桨相关参数的选择

4 结束语

本文针对八旋翼飞行器结构设计和材料选择不合理导致续航时间短的问题，通过研究八旋翼飞行器的结构优化设计，以及飞行器的制作材料选择，从而达到减轻飞行器的结构重量，增强其结构强度，增加其续航时间。

［1］张征，吴和龙，吴化平，鲍雨梅，柴国钟.正交铺设碳纤维复合材料结构的双稳态特性研究[J].功能材料，2013，44(2)：236-239.

［2］赵志敏.复合材料旋翼结构优化与软件实现[M].大连：大连理工大学，2009.

［3］陈明，苏永明.蜂窝结构复合材料的加工工艺和连接结构应用[J].城市建设，2010(15)：252.

［4］毛英坤，陆文明，李华，等.飞机旋翼用聚氨酯涂料的研制[J].涂料工业，2013，43(9)：26-30.