载运无人机机翼的研究与设计

朱小利 唐桂林

【摘 要】本文通过分析空气动力学方面的知识和常用方法，对无人机机翼结构进行设计。本设计包括无人机机翼部分平面结构的选择、无人机机翼内部结构的设计以及无人机机翼梁的设计与校核。设计过程中，要保证设计出的机翼有足够的强度和刚性，在无人机飞行过程中要能保持机翼形状，以免影响气动性能；另外还要满足质量轻、机件连接方便、生存力强、成本低、维护方便等特点。

【关键词】无人机机翼；空气动力学；机翼梁的设计与校核

中图分类号： V214.11 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.008

【Abstract】The paper designs the structure of the carrying drone wings by analyzing the knowledge and common methods of aerodynamics. The design includes the selection of the planar structure of the wing portion of the drone， the design of the internal structure of the wing of the drone， and the design and verification of the wing beam of the drone. During the design process， ensure that the designed wing has sufficient strength and rigidity，keep the shape of the wing during the flight of the drone so as not to affect the aerodynamic performance； In addition， it also needs to meet the characteristics of light weight， convenient connection of parts， strong survivability， low cost and convenient maintenance.

【Key words】Drone Wings； Aerodynamics； Design and Verification of the Wing Beam

0 引言

近幾年随着中国物流业发展迅速，部分大城市和特大城市已经成为区域性物流产业物流中心，通过航空货运的方式，不同城市之间的货物运输可以达到朝发夕至。但到了拥挤的城市内部，物流运输受到城市交通的制约，在运输力量和运输时间上明显受到限制，这样就对城市物流提出了更高的要求。

无人机更为适合进行相邻城市之间或者市内转运中心与物流网点之间的短距快速运输，充当货物从机场（或车站）附近的货物转运中心到各个物流网点的运输工具。以合肥某物流公司为例，货物从合肥集散中心物流基地发往该公司在合肥的其他网点，主要采用车辆运输完成，途经公路有时甚至可以达到百公里以上，还需要面临拥挤的交通、高额的高速收费等诸多问题，对运输力量与运输时间而言是很大的挑战。在这样的背景下，设计一款小型货运无人机，往物流公司在城市内的各个网点运送货物，可以达到降低成本、提高物流效率的目的[2]。

目前的载运无人机，因其机架、机翼大都采用金属材料制成，虽能完成载运任务，但由于其机身自身重量较大，载重量就很难做到很大。因此，本研究采用轻木材料设计一款可载运无人机。其机架、机翼部分由轻木制成，从而可使飞机自身重量减轻，增大飞机载重。

1 机翼平面结构选择

1.1 长方形

长方形机翼外形简单便于制作，厚弦比不变，使飞机横向稳定性和操作性在各种迎角下都好，特别是在临界迎角时更好。在临界状态时，翼尖洗角较大，使其有效迎角减小了，不易失速，因而增加了副翼的有效性，但是有以下缺点：a、翼尖涡流大、诱导阻力大，翼捎上如用圆角可略改善气动性能。b、由于升力展向分布性，机翼要承受较大的弯曲力矩。c、材料不能合理利用，质量较大。

1.2 椭圆形机翼

从气动性能的上看，椭圆形最好，沿整个机翼迎角相同，诱导阻力最小。椭圆形机翼承受弯矩情况较好，但在制作和构造上较复杂。

1.3 梯形机翼

广泛用于一张张臂式单翼机。从质量的观点来看，梯形比（η=翼根弦长/翼尖弦长）越大越有利，因同样展弦比的梯形翼，梯形比越大，则弯曲力矩越小，同时越近翼根翼弦越大，同样的翼剖面可使翼根处厚度加大，增加了翼梁高度，使承受力矩的结构部分更能充分合理地运用，重量即可减轻一些。这种机翼的η=2时最有利，此时诱导阻力较小，几乎等同于椭圆形机翼的诱导阻力。但是从强度观点考虑η越大越好，但是η较大的机翼，机翼剖面的实际迎角，距翼尖越近越大，因此翼尖部分达到临界迎角较早，易失速。所以综合强度与气动性能两方面要求，梯形比η最好为2至2.5。

综上所述，本研究拟选择性能更好的梯形机翼。

2 机翼结构简介

机翼主要由外部蒙皮和内部骨架构成。机翼结构的作用不仅是构成机翼的流线外形，同时还将外载荷传给机身。机翼结构在外载荷作用下应具有足够的强度、刚度和寿命。

蒙皮是构成并保持机翼形状不可或缺的结构元件。早期飞机上的布质蒙皮（蒙布）仅起维持外形的作用，随着技术的发展，采用金属铝蒙皮后，它开始与骨架一起作为主要受力构件。

骨架分为纵向骨架和横向骨架。

纵向骨架指沿翼展方向的构件，包括翼梁、纵墙和桁条。翼梁是承受弯矩的唯一构件。横向骨架是指机翼弦向构件，由普通翼肋和加强翼肋组成。

机翼按其主要承弯结构元件的不同分为梁式机翼和单块式机翼，如图1所示。

3 机翼梁的设计与校核

3.1 梁的受力分析

4 总结

载重轻木无人机的核心设计在于机翼的设计。在机翼结构设计要求的基础上，机翼表面形状选择梯形翼，其好处为制作简单，同时具有较好的气动性能。根据空气动力学原理对机翼进行设计，机翼受剪力的部件为腹板，受正应力的部件为梁。设计时，根据受力情况的不同，在机翼上不同位置分布有适量的翼肋承担载荷。因此设计出的机翼具有较好的强度和刚性。

【参考文献】

[1]周彬.一种小型货运无人机的设计与优化[A].中国航空学会.探索 创新 交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛文集（下册）[C].中国航空学会：，2016：6.

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