孫 瑜，王道波

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016)

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一種新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機

孫 瑜，王道波

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016)

設(shè)計了一種動力裝置采用矢量推力技術(shù)的無人自轉(zhuǎn)旋翼機，提高了機動性，降低了起飛距離，解決了自轉(zhuǎn)旋翼機巡航速度較低等問題；提出一種可促進自轉(zhuǎn)旋翼機機體在軍民中的有效應(yīng)用的雙回路混合控制方法。

自轉(zhuǎn)旋翼機；矢量推力技術(shù)；混合控制；新構(gòu)型無人機

自轉(zhuǎn)旋翼機的出現(xiàn)要早于直升機十幾年，20世紀(jì)20年代問世的自轉(zhuǎn)旋翼機C-3，最先實際應(yīng)用是旋翼升力原理，自轉(zhuǎn)旋翼機在20世紀(jì)三四十年代曾被大量使用，后因直升機發(fā)展迅速，自轉(zhuǎn)旋翼機慢慢退出了人們的視野，由于自轉(zhuǎn)旋翼機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安全性好、操縱簡單等特點，近年來再次引起航空界的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。進入21世紀(jì)以來自轉(zhuǎn)旋翼機方面的研究又有了長足的進展[1]。

盡管常規(guī)自轉(zhuǎn)旋翼機的研究在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上已比較成熟[2-3]，但是由于其結(jié)構(gòu)和動力上的特點，常規(guī)自轉(zhuǎn)旋翼機巡航速度較低、機動性差，在軍用、民用領(lǐng)域都受到極大限制。為解決上述問題，目前采用最多的是傾轉(zhuǎn)旋翼方法[4]。雖然傾轉(zhuǎn)旋翼無人機可以有效地解決以上問題，但是其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，并且降低了機型的安全性和穩(wěn)定性。

矢量推力技術(shù)對載人飛機的隱身性、機動性的改善已被廣泛驗證，矢量推力技術(shù)的應(yīng)用已成為無人機發(fā)展的重要趨勢。本研究提出了一種無人自轉(zhuǎn)旋翼機，在取消了舵面控制、增大了機翼面積的同時[5]，通過兩個矢量推力裝置協(xié)助，為飛行器提供垂直平面內(nèi)的可變向推力，從而簡化結(jié)構(gòu)、增強機動性、提高巡航速度，并實現(xiàn)超短距離起飛。這類機型為國內(nèi)外首次出現(xiàn)。

1 設(shè)計思路

1.1 傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機

傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機是一種由旋翼自轉(zhuǎn)而非動力驅(qū)動獲得升力的旋翼類飛行器，一般帶有一個推進螺旋槳提供前進動力，在這方面和固定翼飛行器類似；在外形方面與直升機非常相似，但在原理和結(jié)構(gòu)方面，自轉(zhuǎn)旋翼機和直升機卻有著本質(zhì)的不同。由于自轉(zhuǎn)旋翼機的結(jié)構(gòu)特點，其機動性、飛行高度和巡航速度都受到限制。

1.2 新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機

針對現(xiàn)有自轉(zhuǎn)旋翼機的缺陷，分析自轉(zhuǎn)旋翼機特點，設(shè)計了一種新型自轉(zhuǎn)旋翼機[6]。在傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機的基礎(chǔ)上，取消舵面，增大機翼面積，在機翼頂端增加了一組矢量推進器，這使其在傳統(tǒng)的自轉(zhuǎn)旋翼機基礎(chǔ)上，具有超短距離起降、高機動性、快速飛行等特點。進一步改進，可在自轉(zhuǎn)旋翼槳尖增加起飛旋翼噴氣管。

在起飛階段，由于本機型配有起飛旋翼噴氣管，起飛旋翼噴氣管可以迅速獲得高壓氣流，使自轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)盤獲得一定的起飛轉(zhuǎn)速，提高起飛升力，同時本機型的旋翼噴氣管較傳統(tǒng)預(yù)旋不僅輕便、隱藏性好，而且配備有快速解鎖脫鉤，可在飛機起飛時迅速解鎖。矢量推力可將螺旋槳向上偏轉(zhuǎn)一定角度，使得旋翼機實現(xiàn)超短距離起飛。另外，較傳統(tǒng)氣動力控制而言，采用雙矢量推進直接配合自轉(zhuǎn)旋翼氣動力形成混合力控制，增加了旋翼機的機動性。當(dāng)旋翼機達到較高的飛行速度時，可由機翼提供一定的升力，減小了旋翼的迎風(fēng)阻力，在矢量推力的協(xié)助下，實現(xiàn)高速飛行，新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機原理樣機如圖1所示。

圖1 新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機原理樣機

2 機體組成結(jié)構(gòu)

新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機由機身、機翼、變推力軸線動力裝置、自轉(zhuǎn)動旋翼裝置、機載航電系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

2.1 機身

該型無人自轉(zhuǎn)旋翼機的機身由高強度玻璃纖維制成，內(nèi)部包含電源、陀螺儀、GPS、控制箱等機載航電系統(tǒng)。需要注意合理分配內(nèi)部空間，使其有效進行重力配平，使機體重心在軸線上。該型機身較其他固定翼飛機而言氣動對于飛機的影響較小，于是設(shè)計為隱身度較高的外形。由于該類機型以軍用為主，且日常巡航速度較低，可以在一定范圍內(nèi)忽略機身外形的阻力，采用隱身度較高的氣動外形。另外，本機型取消機翼和尾翼的舵機控制，可以進一步簡化機體結(jié)構(gòu)，增加機型的穩(wěn)定性。

圖2 原理樣機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無舵面機翼

該型自轉(zhuǎn)旋翼機機身為隱身設(shè)計，在低速飛行時風(fēng)阻的影響可以不考慮，但在高速飛行時所受阻力會大大增加。為了確保旋翼機在高速巡航時的飛行穩(wěn)定，提高機型的軍事用途，設(shè)計無舵面機翼，在傳統(tǒng)旋翼機機翼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，取消舵面，增加兩側(cè)機翼面積。這使該型無人機轉(zhuǎn)旋翼機在高速飛行時，機翼可以提供較大升力，保證機身穩(wěn)定飛行[7]。

2.3 電源

考慮到機身配平和和集成尺寸于便攜性，該型無人自轉(zhuǎn)旋翼機內(nèi)部的電源采用27 V分散式超級鋰電池。該型電池不僅具有快充特點，而且可以將電池質(zhì)量分散，可以有效地進行機體重心配平，同時，使用前，只需較短時間就可以充好電。機身上預(yù)留充電孔與充電控制開關(guān)。

2.4 變推力軸線動力裝置

變推力軸線動力裝置固定于安裝在機身兩側(cè)的無舵面機翼支撐桿軸上，支撐桿軸可以繞桿中點旋轉(zhuǎn)，推進機構(gòu)與舵機相連，可以使此推進機構(gòu)指向垂直平面內(nèi)的任意方向，給機體提供推力矢量。另外，還設(shè)計有基于以DSP為核心的發(fā)動機控制系統(tǒng)，可以有效地控制發(fā)動轉(zhuǎn)速與動力分配，其主要包括核心控制板、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、油門舵機、執(zhí)行機構(gòu)等。

當(dāng)機體作俯仰運動時，機身左右兩側(cè)的動力裝置同時產(chǎn)生正向/副向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力相對重心產(chǎn)生正向/副向力矩；當(dāng)機體作滾轉(zhuǎn)運動時，機身左右兩側(cè)的動力裝置產(chǎn)生差動偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力相對重心產(chǎn)生異向力矩。

2.5 模塊化飛控系統(tǒng)

為了保證無人自轉(zhuǎn)旋翼機的穩(wěn)定性與高效能，本研究設(shè)計了模塊化的飛控系統(tǒng)，包括信號調(diào)理、電源分配、功率放大、核心處理、任務(wù)執(zhí)行等，將每個功能模塊單獨設(shè)計并封裝硬件，配置統(tǒng)一接口，增加了整個系統(tǒng)的可移植性。

整個飛控系統(tǒng)以飛控計算機為核心，飛控計算機接收地面測控站發(fā)出的操控指令，通過指令選擇識別，將不同的指令信號進入對應(yīng)的控制率解算回路，并將解算結(jié)果通過功率放大輸出給相應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。同時，飛控計算機采集飛行參數(shù)信息，通過機載電臺與地面測控站通信，保證地面操縱人員有效控制。

3 混合控制方法與技術(shù)指標(biāo)

3.1 混合控制方法

參考串級控制思路，采用如圖3所示混合控制策略，即在自轉(zhuǎn)旋翼槳盤氣動力的基礎(chǔ)上,增加推力變向直接力控制裝置[8]。本研究控制器裝置分為內(nèi)環(huán)回路和外環(huán)回路，如圖4所示，內(nèi)環(huán)回路是姿態(tài)回路，外環(huán)回路包括位置回路和高度回路。為使控制系統(tǒng)同時具有良好動態(tài)特性與阻尼特性，關(guān)于姿態(tài)控制均采取角位置與角速率雙閉環(huán)反饋控制回路[9]。

圖3 混合控制策略

圖4 控制回路說明

3.2 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)

考慮到成本問題，設(shè)計機型為縮比的原理樣機，所設(shè)計的實際機型質(zhì)量約為250～300 kg，可攜帶40～50 kg載荷，飛行速度可達 250 km/h?？s比原理樣機技術(shù)指標(biāo)如下[10]：

1) 起飛距離：小于15 m；

2) 爬坡坡度：50°左右；

3) 航向變化率：45°～60°；

4) 每秒轉(zhuǎn)彎半徑：最小約為120 m；

5) 飛行速度：約為20～40 m/s；

6) 機體滿油質(zhì)量：35 kg；

7) 任務(wù)載荷：15～20 kg。

4 結(jié)論

由于本機型具有超短距離起降的特點，對于起降環(huán)境要求較低；又因其負載較大，可以在機體上安裝大型任務(wù)設(shè)備；同時，機動性大、允許巡航速度范圍廣，使得該機型可以完成多種任務(wù)。由于以上特點，本機型可用于軍用運輸、邊防巡查、艦載機、仿直升機特性靶機等；也可在惡劣環(huán)境下進行民用任務(wù)，如森林防火、農(nóng)藥噴灑、航測、救災(zāi)物資運輸?shù)鹊取?/p>

[1] 王俊超,李建波,韓東.自轉(zhuǎn)旋翼機飛行性能理論建模技術(shù)[J].航空學(xué)報,2014,35(12):3244-3253.

[2] 王寅,王道波.在線滾動優(yōu)化下的無人自轉(zhuǎn)旋翼機自動起飛控制[J].控制理論與應(yīng)用,2015,32(11):1526-1533.

[3] 郭劍東,宋彥國.小型無人傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動與操縱特性試驗研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2015,33(1):107-112.

[4] 陳嘉先,梁波.傾轉(zhuǎn)旋翼無人機模態(tài)轉(zhuǎn)換控制[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2015(2):70-76.

[5] 王俊超,李建波.機翼對自轉(zhuǎn)旋翼機縱向穩(wěn)定性的影響[J].航空學(xué)報,2014,35(1):151-160.

[6] 陳淼.自轉(zhuǎn)式無人旋翼機飛行控制技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[7] 黃俊.飛機最優(yōu)巡航條件的確定[J].飛行力學(xué),1996(2):60-64.

[8] 浦黃忠,甄子洋,黃國勇,等.變推力軸線無人機的混合姿態(tài)控制[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2010,34(5):596-601.

[9] 黃國勇,甄子洋,王道波.變推力軸線無人機的建模與機敏性分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2010,42(2):170-174.

[10]溫瑞英,魏志強,王紅勇,等.民用飛機巡航性能計算研究[J].飛行力學(xué),2015,33(4):289-292.

(責(zé)任編輯 周江川)

A New Type of Auto-Rotating Rotor UAV

SUN Yu, WANG Daobo

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper designs a new type of auto-rotating rotor UAV. It improves the maneuverability of the auto-rotating rotor UAV, and reduces the takeoff distance, and solves the problem of low cruise speed. The new type of auto-rotating rotor UAV using vector thrust technology. A double loop hybrid control method is proposed. This can promote the effective application of the typical rotor body in military and civilian.

rotational rotorcraft; vector thrust technology; hybrid control; new configuration of UAVs

10.11809/scbgxb2017.07.018

2017-03-15；

2017-04-20

江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(SJLX16_0100)；研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金(kfjj20160323)

孫瑜(1990—)，男，碩士研究生，主要從事無人機控制系統(tǒng)研究。

format:SUN Yu, WANG Daobo.A New Type of Auto-Rotating Rotor UAV[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):82-84.

TJ85；V271.4

A

2096-2304(2017)07-0082-03

本文引用格式：孫瑜,王道波.一種新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(7):82-84.