一种基于串列翼布局无人机的す丶参数设计与试飞验证

付东金 刘吉顺 姜鹏 瀚加娜?玉山江

摘要：针对串列翼布局飞行器的独特气动优点，设计了一款无人飞行器。主要确定串列翼飞机气动部局的三个关键性参数①前后翼的机翼安装角；②前后翼的水平距离；③前后翼的垂直距离。实现串列翼布局的气动优化设计。绘制该型飞行器的设计图纸，并进行制作。为其选装相应的动力装置，飞行控制装置，进行试飞。通过试飞该机型表现出了良好的飞行状态，具有滞空时间长，机动性好的优点。

关键词：串列翼布局；飞行器；试飞

串列翼布局具有飞行高度高，滞空时间长的优点。在侦察、监视及航空测绘等领域会存在较大运用前景。在参考面积、翼展等机翼主要参数相同的情况下，串列双翼布局无人飞行器的升力系数和升阻比较单机翼布局的大。其气动性能要优于单机翼布局，且几何尺寸要小，实用性更强，气动性能的提升空间较大。

串列翼布局飞行器有一个前翼一个后翼。前翼与鸭翼很相似，但鸭翼主要用于配平和产生俯仰控制力矩，而串列翼的前翼主要用于产生升力。串列翼的前后机翼通常不处于同一平面，可以前翼在下，这样前翼的下洗气流不至于对后翼造成不利影响；也可以前翼在上，这样可以利用前翼的下洗气流為后翼上表面的气流加速，增强后翼的升力。同时由于串列双翼布局重心分布于两翼之间，相对容易在产生升力时维持飞机的平衡其巡航气动性能要略优于单机翼布局。[1]不论是哪种配置形式，其目的都是尽量减少串列翼布局的飞行器前后翼之间相互干扰。这一问题会导致后翼的升力减小，从而影响飞行品质。为此我们针对前后翼的三个主要参数进行优化设计。

1 前后翼关键气动参数设计

1.1 前翼与后翼的安装角

常规布局的单翼机其安装角是影响机翼气动特性的参数之一，对升力系数、零升力角、失速迎角和巡航阻力均有所影响，并且影响到飞机的起飞滑跑距离和机舱内的地板在巡航时的姿态。对于串列翼布局，前翼的安装角可以影响气流相对于后翼的下洗角度，从而影响后翼的压力分布。为了尽量减小前翼对后翼的气动干扰，使飞行器在大仰角爬升或者大角度转弯时不易进入失速掉高或者失速尾旋的不受控状态。前后翼安装角分别为4度与2度，前后翼安装角之差为两度 ，这一设计使得飞机的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速。

1.2 前后翼之间的水平相对距离

前后翼之间的距离与飞行器的俯仰配平有关。单翼机的平尾一般会产生一个负升力用于配平，这样会造成一定的升力损失。串列翼前后翼均产生正升力，飞机的重心在前后翼之间，可以将其形象的理解为“抬式”。为了提高了双翼系统的气动效率，我们采用前翼展长：前后翼焦点的距离：后翼展长=1：1：2这样一个比例，如图1。这样设计，一方面减小前翼翼展长度，从而在翼展方向减小对后翼的干扰面积；另一方面增加前后翼之间的距离，从而增加了前翼下洗气流到到后翼的最小距离，减小了下洗气流对后翼下表面压强的影响，增加后翼升力。

1.3 前后翼之间的垂直相对距离

串列翼布局之中，前后翼之间的垂直距离会对全机的升阻比带来显著的影响。前后翼之间垂直相对距离越大，后翼受前翼下洗气流的影响越小[2]。同时考虑到利用前翼的下洗气流为后翼增加升力。我们选取前翼上置，后翼下置的设计方案，如图二。前翼的下洗气流为后翼上表面气流加速，减小后翼上表面压强。通过XFLR5软件对我们设计的串列翼布局进行流场分析得到如图三所示前后翼压强分布图。可以看到后翼上表面受到前翼气流影响的那一部分，机翼上表面的压强明显减小。这与我们之前的设想相符合。

2 总体设计

本项目所设计与研制的飞机为一款电动型固定翼飞机如图四。飞机主翼翼展1.5米，空重2Kg。使用2814交流无刷发动机，在动力电池16.8v电压下，该型号电动机额定转速21000r/min，电机输出轴配备9寸的榉木螺旋桨螺距为6寸。

飞机主体结构采用优质的巴尔沙轻木制作，外部蒙皮采用超轻热缩膜，机翼的根部翼肋和机身主要承力梁结构使用了单向碳纤维复合材料，这样具有空重小，结构重量轻，业载大，制造成本低，加工工艺简单等特点。

采用察打一体化设计。半开放式云台吊舱设计，可以根据任务需求加挂不同模块。采用两轴增稳云台，配合机载摄像头与高清图传可实时传回飞行画面，侦查地面目标，发现目标后投放挂载物进行打击。

3 试飞验证

我们选取的一个微风的天气，进行试飞。在空载的情况下，滑跑起飞距离仅为6.4m，第二次起飞尝试了手抛的方式，依然成功起飞。手抛起飞的方式使得该型飞机具有野外简易场地起飞的能力。

首先测试了该机的最大飞行时间。在空中通过飞控我们设置了半径为40m的绕固定点飞行的航线。电池电压在16.8v的时候起飞，到电压为14.8v时降落，共在空中飞行了46分32秒，表现出了良好的飞行特性。相较于常规布局几何尺寸和动力装置相近的无人机飞行时间有一定程度的提升。

其次测试了该机的机动特性。在空中大仰角爬升时，不会像常规布局的飞机一样会有明显的失速掉高情况。能发现前后翼不同步失速这一现状，当前翼先失速时，后翼并没有失速，飞机爬升角会自动变低，从而进入一个新的平衡状态。同时该飞机还能完成筋斗，横滚这样的特技动作，更加反映了该飞机优异的机动性能。

4 结语

通过对串列翼这一布局的研究，我们设计制作并成功试飞了这样一款串列翼布局的无人飞行器。通过对串列翼三个关键参数的优化①前后翼的各自机翼安装角为4度和2度；②前翼展长：前后翼焦点的距离：后翼展长=1：1：2这样一个比例；③前翼与后翼之间一个合适的垂直距离，使前翼下洗气流流过后翼上表面。这样的三种方式能够尽量减少前翼与后翼之间相互干扰影响的问题，同时增加后翼升力。通过试飞，该机表现出的飞行特点，与我们的设计基本符合。具有滞空时间长，操作性强，机动性好的优点。

参考文献：

[1]李涵.浅谈国内外串列双翼无人机发展现状[C].（第五届）中国无人机大会论文集，20140915.

[2]李永泽，孙传杰，卢永刚.串列翼布局前后翼相对位置对气动特性影响研究飞机设计[J].2016，36（6）： 3236.

[JP3]基金项目：大学生创新创业训练计划项目（IECAUC2017001）资助[JP]