关于小型多旋翼无人飞行器的设计

摘 要：针对现有直升飞机存在的问题，综合考虑四旋翼可以垂直起降，并且能够进行长距离飞行的特点，在这个基础上添加了涡扇推力电机与一对固定翼的无人飞行器，对其进行三维建模，在保证水平飞行的同时，机身两侧的机翼与涡扇能够共同向前倾斜产生向上的升力与向后的推力。通过开发小型多旋翼无人飞行器，整个机翼升力能够满足设计要求，对小型多旋翼飞行器发展具有重要意义。

关键词：小型多旋翼 无人飞行器 变结构 固定翼

小型多旋翼无人机作为微小型无人机中的一种，近年来受到世界的广泛关注与认可。已经逐渐应用到航空摄影、交通监视、勘察等多个领域，并且在应对突发事件与生态环境保护方面有着广泛的应用前景。尽管无人机有上述诸多优点，同样也存在不足问题。与固定翼相比，其自重条件与动力明显不足，这就使得其留空时间与载荷能力受到束缚。

一、方案的提出

小型多旋翼无人飞行机的设计方案，是在四旋翼无人飞行器的基础上进行开发，在机身两侧的延长线上安装一对可向前倾斜的涡扇动力系统与一对固定翼，涡扇转速相同且方向相反，仅仅需要提供轴向推力，不能产生诱导转矩。垂直起降过程中，两个涡扇与四个旋翼电机朝上，可以提供垂直上升力。在水平飞行过程中，机身的两侧机翼与双涵道涡扇会产生向上和向后的推力。机翼组成的X布局能够对飞机的姿态进行控制。在进行结构设计时，尽可能减轻机翼质量，并且使两侧电机的机身与质心横向延长线尽可能靠近。在这个条件下，转速相同、方向相反的两个涡扇在不同模式下仅仅能够提供向前推力与升力，这不会对自身姿态产生影响，以此能够实现平动控制与姿态控制分离，最終简化控制机制。

新X布局包括量的优势：一方面在新的X布局基础上，机翼与转速相同但方向相反的涡扇产生推力与向上的升力就会直接作用于机身质心部分，不论角度大小，都不会对机身产生过大的转矩而影响系统仰视姿态。另一方面对飞行器进行姿态控制取决于X布局四旋翼子系统，左右旋翼为其提供推力，不对姿态产生影响，这就实现了速度与姿态控制的解耦，还能够降低动态模型控制难度与复杂性。

二、固定翼设计

1.选择翼型及相关参数

飞行器飞行速度为每秒十米左右，升力则为1200g，飞行器的翼型采用平凹型或是对称性，由于无人飞行器体积较小，机翼尺寸不宜过大，这就需要结合固定翼模型飞行翼载荷要求，选取翼载荷为70g/dm2，翼载荷表达式为：k=m/s。在这个式子中，m表示质量，s表示面积，根据计算公式可得出机翼面积为s=17dm2。

翼型升力计算公式为：W=0.5xpxl/2xSxCi中，空气密度为p=1.22kg/m3能够得到机翼升力系数公式，将其带入参数进行计算可得出：ci=1.12。

根据一系列公式我们可以看出，CLARK Y翼型有较好的低雷诺数性能、较大的升力系数、升阻比，所以选用CLARK Y翼型。CLARK Y翼型在倾角升阻比最大，由此可知其航程最远、飞行最省能量。

2.CLARK Y翼型设计

根据上述计算得到的参数，采用固定软件profili软件进行画图，能够画出CLARK Y二维图形，其中单位为mm。

三、 可变结构小型多旋翼无人飞行器结构设计

根据固定方案，在机身的两侧质心延长线上安装一对固定翼与同步向前倾斜的双涵道涡扇动力系统。该涡扇转速相同但是转动方向不同，所以只需提供轴向推力，而不产生诱导转矩。对已经采用的可倾斜涡扇电机所需的机翼与推动力进行分析，设计包括实验样机。该项目实施过程中，不断对变结构无人机设计方案进行探讨，在机舱位置安装自动驾驶舱，内部安装涡扇电机倾角调整驱动系统，通过轴承与舵机经齿轮与机身相连接的方法，从而推动涡扇能够向前方不断前进。

四、机翼单项流固耦合分析

1.问题简述

可以利用ANSYS去解决单向流固定耦合问题与分析翼的力学特征和升力。模拟飞行器能够在常规飞行过程中机翼状态为整体流体采用25度气体，密度为p=1.22kg/m3、粘度为v=1.83x10-5kg/m.s，速度则为每秒十米，利用攻角为8度进行升力计算。固定翼的材料可以选取为聚乙烯，密度为p=943kg/m3、弹性为E=1.1X109Pa、泊松比为v=0.42。

2.固定翼的单向流固耦合计算

随着三维模型的建立，整个模型中翼的尺寸为弦长178mm，长度为480mm，其中可导入solidworks软件模型，利用Enclosure能够使命令生成更加流畅。在建模完成后可以划分为多个网格模块，通过建立相关网格画法，利用Genergyate Mesh命令，能够获得流体域整体网格与固定翼。在模型中的单元数为20024个，流畅为16956个单元，随后进入CFX-Pre洁面后，可以设置多个类型，利用无热传递，可以使得整个模型稳定。经过CFX计算后可以在处理中可以看到流场计算后的曲线。边界处所产生的力，能够看出流场中其固定翼所受到的最大压力在固定翼的边缘处，下缘压力大于上缘压力，这也是固定翼能够产生升力的主要原因。通过所获得的结果利用连线将Static Structure求解，在求解过程中，suppress能够划分结构网格，不断加载边界条件，对固定翼左侧断面进行约束。与此同时还能够将CFX所获得压力加载至耦合边界FSI上。通过设置求解内容，从而产生支反力与应力应变等。

参考文献

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作者简介

张帅（1982.07.10—），男，籍贯：辽宁，职称：助教，研究方向：数字媒体艺术。