试析微型飞行器的设计原则及策略

杨大赫

摘 要：本篇文章首先对微型飞行器技术发展方向进行阐述，从存在不稳定性、质量小、抗阵风能力差等多个方面，对微型飞行器设计存在的问题，并以微型飞行器的设计原则为依据，提出微型飞行器的设计策略。

关键词：微型飞行器；总体设计；技术难点；设计原则；设计策略

在上个世纪九十年代，微型飞行器一词正式出炉，随着时间的推移，国内外众多部门开始对其进行了全面的研究，美国企业研发的“黑寡妇”型号的飞行器，不仅飞机翼展较小，并且留空时间较长。随后美国海军部门在此基础之上，研发了一种翼展宽为20～45厘米不等，留空时间为0.3小时的微型飞机，由于其提升了飞机机翼的系数，因此在微型飞机比赛中取得了第一名的好成绩。本篇文章主要借助遗传算法的方式对微型飞机的各项参数进行设计，因而研制出了留空时间为0.3小时，航程为12000米的微型飞机，在中国具备领先水平，可以有效的提升微型飞行器的各项性能。

1 微型飞行器技术发展方向

1.1 研究性MAV的发展

把大学当作研发的主体力量，依旧运用上个世纪九十年代中旬制定的0.15米的设计标准，研制出了多种型号的微型飞行器。其中，微型飞行器的种类主要分为三种，第一种是固定翼微型飞行器；第二种是扑翼微型飞行器；第三种是旋翼微型飞行器。美国研发的新型微型飞行器，翼展宽仅为15厘米，并且可以成功飞行，这也是当前飞行器研制最先进水平。目前，深受人们喜爱的飞行器有两种，一种是双旋翼飞行器，另一种是四轴螺旋桨微型飞行器，它们都具备一个共同的特点，就是可以在控制自由旋转，因而引发人们喜爱。

1.2 实用性MAV的发展

于2001年初，美国军方开始将MAV融入到先期概念技术演示规划中，即使有些机构已经提出1.5米研究计划，但是现阶段无法运用到实际中。因为军事需求比为紧迫，在诸多探索性飞行器里，美国相关机构选用可行性较高，但是尺寸较大的飞行器当作空中检查设备，并将其运用到航空作战中。

2 微型飞行器设计存在的问题

2.1 存在不稳定性

根据公式Re=ρVL/u我们得知，雷诺数Re主要表示着流体惯性力以及黏性力二者间的联系，其中公式中ρ表示大气密度；V表示飞行速度；L表示飞行器的长度；u表示黏性数值。

因为MAV尺寸和速度直接影响着雷诺数气动特性，当MAV尺寸越小，速度越低时，就属于低雷诺数气动特性。当微型飞行器处于飞行状态时，处于低雷诺数气动特性状况下，其表面含有的层流附面层就无法维持，进而出现分离的现象，同时也会导致小迎角发生MAV表面气流不稳定的现象。

2.2 含有非线性以及非定常力学特性

微型飞行器和微型飞行器进行比较，在外形分布上具备很大的差异性。针对于固定翼MAV来说，在小展旋方面存在的复杂性要远远高于单翼以及扑翼MAV，这就导致其气动以及飞行力学具备较强的非线性以及非定常力学特性。所以，MAV在结构布局、运作形态以及飞行控制都要进行特殊设计。

2.3 质量小、抗阵风能力差

针对于微型飞行器来说，质量都比较轻，质量通常在200克一下，一旦遇到强风或者大气紊流的状况，不但不能保证飞行的稳定性，同时还会引发坠落事故，这就给复杂环境下以及远距离的自主飞行增添了难度。

3 微型飞行器的设计原则

为了设计出可行的微型飞行器，在进行设计的过程中，要秉持六项原则，第一，牢靠的框架设计；第二，合理的气动设计；第三，紧密的机构布局设计；第四，低能量消耗设计；第五，质量设计；第六，速率设计。要想落实这些原则，就要将微型飞行器划分成四个设计单原件。微型飞行器系统结构见图1。

3.1 动力单元

动力单元的主要作用就是给飞行器提供所需动力。本篇文章选择密度高、质量轻的聚合物锂离子电池当作飞行器的主要能源，在进行运行时，采用 4个0.6厘米的微型直流电机，同时在机翼中设置转矩。

3.2 运动单元

运动单元是给机翼以及减速器进行设计。在进行机翼设计时，一般使用ABS 工程塑料，主要是因为这种材料在进行加工的过程中操作比较简便，同时可以获得想要的尺寸宽度。经过多次实验我们得知，在进行机翼设计时，尺寸应该为7*8*7厘米，重量不得高于0.35克，这样可以保证机翼在旋转时产生 3g 作用力，因为机翼尺寸有限，我们可以应用微型电机驱动，这样就无需再进行减速机构的设计。

3.3 机体结构单元

其主要是给动力单元以及运动单元提供所需的支撐，同时还能对整个飞行器的结构形状进行明确。因为碳纤维材料具备体积小、质量轻、强度大、变形几率低等特点，因此是该单元的首选材料。

3.4 控制单元

其主要保证飞行器在运行过程中的稳定性，以起到控制飞行器的起飞、停止以及旋转等目的。

4 微型飞行器的设计策略

4.1 设计的矛盾与协调

（1）尺寸、有效载荷和续航时间的协调。由于微型飞行器具备体积小、集成度高等特点，可以有效的改变任意一个技术指标。因此，微型飞行器无法跟大型无人机一样，对自身的结构、气动、系统等设施进行单独设计，需要采用综合设计、重复协调的设计策略。（2）升力、动力和能源的协调。不管是哪种类型的微型飞行器，升力值直接影响着动力值，但是，要想提升动力，就要增加能源，在确保其他功能数值不发生改变的情况下，增加能源，就会提升飞行器的重量，因此，飞行器原始的升力就会不充足。现阶段，我国大部分的微型飞行器内部都安置了电动机，电池的重量和飞行器总重量的比例为1：3，选择合理的电池是非常必要的。

4.2 微型飞行器系统设计的优化

要先保证微型飞行器设计的合理性，就要对设计进行优化。但是，通常飞行器的质量比较强，尺寸比较小，要想单项优化是不可能的，因此要以协调综合优化为主。

要应用多学科设计优化方式才能获得理想的设计效果，以小重量为例，作者对飞行器的机翼气动形状、航程、承载能力以及抗风能力等方面进行设计研究，获得了一定的效果，站在科学角度，微型飞行器是在体积上研发出来的产物，需要在设计时，对其柔性结构、雷诺数气动特性以及大气紊流干扰进行多方面考虑，进而设计出尺寸小、性能高的新型微型飞行器。

5 结束语

总而言之，要想实现微型飞行器系统优化设计，就要结合其他国家的优秀案例，并且结合自身实际情况，从而设计出符合我国需求的新型微型飞行器。在进行微型飞行器设计的过程中，依然存在诸多的问题，因此我们需要结合微型飞行器的设计原则，提出微型飞行器的设计策略，从而促进我国微型飞行器系统技术的稳定发展。

参考文献

[1]昂海松.微型飞行器的设计原则和策略[J].航空学报，2016，01：69-80.

[2]龙腾，刘建，WANG G Gary，等.基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略探讨[J].机械工程学报，2016，14：79-105.