黃嘉豪+陳子杰+黃科超
摘 要:本文以超輕型載重?zé)o人機(jī)作為研究重點(diǎn)。分析行業(yè)研究文獻(xiàn)與固定翼無(wú)人機(jī)行業(yè),對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)展開(kāi)多角度探討,包括無(wú)人機(jī)材料、受力、裝配方式等方面。以“減輕每一克重量”為核心思想,使用高彈性輕質(zhì)工程木質(zhì)為主體材料,提出高韌性碳纖維復(fù)合材料和凱夫拉原絲復(fù)合材料進(jìn)行纏擾補(bǔ)強(qiáng)的方案,設(shè)計(jì)一款翼展達(dá)3.1m,機(jī)身1.8m長(zhǎng),整機(jī)重量?jī)H970g,電機(jī)拉力峰值達(dá)4.3kg,載荷比達(dá)到5以上的固定翼無(wú)人機(jī)。該飛行器采用了S1223高升力翼型為飛機(jī)提供足夠的升力。經(jīng)測(cè)試,該固定翼無(wú)人機(jī)飛行效率好、性?xún)r(jià)比高,給未來(lái)固定翼大載荷的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)一個(gè)新方向。
關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī) 超輕型 大載荷 碳纖維復(fù)合材料 凱夫拉復(fù)合材料
中圖分類(lèi)號(hào):V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)11(b)-0012-02
1 無(wú)人機(jī)輕型結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)
1.1 動(dòng)力方面的設(shè)計(jì)
第一步對(duì)各個(gè)參量進(jìn)行設(shè)置,設(shè)載重量W1=6kg,空機(jī)質(zhì)量Wa=1kg,按設(shè)計(jì)規(guī)定推重比一定要適當(dāng),預(yù)取推重比Kf=T/W1+Wa=0.4,知拉力T應(yīng)保持在2.8~3kgf這個(gè)范圍內(nèi)。
常規(guī)翼型其升阻比最好保持在50以上,通常情況下這個(gè)參量不會(huì)考慮誘導(dǎo)阻力這方面的影響,但是卻在這種高升力飛機(jī)上占比相當(dāng)大。除此之外,如果翼型精確度不高同樣會(huì)使升阻比低于預(yù)計(jì)值。就算是把對(duì)機(jī)翼有影響的所有阻力都考慮到,其他部位還是會(huì)構(gòu)成阻力,比如機(jī)身下面水袋構(gòu)成的壓差阻力等。還有一個(gè)要點(diǎn)必須注意:飛機(jī)不會(huì)一直處于平行飛行狀態(tài)。如果遇到下降氣流這種情況,拋開(kāi)其他因素和情況,只在爬升這個(gè)過(guò)程中就要借助巨大的升力,不然便不能達(dá)到起飛距離ld≤25m這個(gè)要求。拉力產(chǎn)生的加速度,總加速度a=dv/dt,這里的Kd不是通過(guò)機(jī)翼參數(shù)算出來(lái)的,它是由方程計(jì)算,這里的代表阻力占重力之比,屬于推重比中一個(gè)重要組成部分,估算得出大概為0.3,也就是說(shuō)平飛油門(mén)保持75%()。d代表起飛速度,條件不足暫時(shí)定為d。因此。
總而言之就是有直驅(qū)和減速這兩個(gè)思路。大家都清楚,拉力只與螺旋槳尺寸以及轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)(準(zhǔn)確地說(shuō)還與漿型有關(guān)),我們?cè)O(shè)定16×7.5槳,隨意選取一種電機(jī),只要這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到5700rpm,那么這時(shí)拉力為2.7kgf。其實(shí)電機(jī)作用就是能夠確保在這一載荷下完成事前規(guī)定的轉(zhuǎn)速。電壓以及KV值直接決定了電機(jī)空載轉(zhuǎn)速,根據(jù)上面所陳述可得此電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為rpm,實(shí)際轉(zhuǎn)速由載荷以及轉(zhuǎn)子尺寸所決定。絕大部分電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí),就可以將其作為預(yù)估電機(jī)KV值和螺旋槳尺寸配比時(shí)的參考。
一提到減速馬上就會(huì)想到單電機(jī)減速。高KV電機(jī)蝎子電機(jī)2221,處在稍微有些超載情況下,減速比就可以定為5, KV值定為3595,同時(shí)使用15×7.5螺旋槳,便可達(dá)到要求。把減速組以及電調(diào)都算在其中,大概也可以保持在160g左右。
1.2 氣動(dòng)方面的設(shè)計(jì)
因?yàn)轱w機(jī)重量有著非常嚴(yán)格的規(guī)定,每個(gè)部位結(jié)構(gòu)都十分有限,最終總體重量是800g還是1200g屬于同一問(wèn)題,我們把翼展尺寸規(guī)定為3m,從剛剛開(kāi)始著手畫(huà)圖一直到實(shí)際制作,整個(gè)過(guò)程減重問(wèn)題十分困難。
我們的任務(wù)就是在目前工藝水平下,找到尺寸、重量、結(jié)構(gòu)與載荷的一個(gè)平衡點(diǎn)。展弦比若過(guò)于大,翼面積便過(guò)于小;若展弦比太小,那么升力損失便會(huì)過(guò)大。因此展弦比為8最適宜,但是還要將翼載計(jì)算出來(lái)然后進(jìn)行判定。平均弦長(zhǎng):Ca=A/8=309mm,翼面積:Sw=A2/8=76.5dm2,翼載:Lw=W/Sw=7000/76.5=91.5<100,在合理范圍內(nèi)。
機(jī)翼形狀可分為3種:矩形翼、梯形翼以及橢圓翼。對(duì)于橢圓機(jī)翼而言,翼稍處弦長(zhǎng)相對(duì)較小,就會(huì)使翼型在翼稍處與設(shè)計(jì)存在一些偏差,同時(shí)也會(huì)對(duì)翼稍失速產(chǎn)生安全隱患。針對(duì)載重飛機(jī)這種動(dòng)力欠佳且飛行高度低于30m的飛機(jī)來(lái)說(shuō),如果產(chǎn)生翼稍失速就不能夠改出。然而矩形機(jī)翼的翼稍就非常安全,與橢圓機(jī)翼相比有很大優(yōu)勢(shì)。然而矩形翼也有很多問(wèn)題,清華的解決方案就是加裝翼梢小翼。但在筆者看來(lái),加裝了翼梢小翼之后能夠增加升力并不現(xiàn)實(shí)。因?yàn)樗皇鞘挂徊糠直驹摣@得的升力重新得到利用而已,而自身并未提供升力。除去翼梢小翼本身重量不說(shuō),它本身還會(huì)受到無(wú)法想象的橫力。大多數(shù)學(xué)校會(huì)選擇分段近似的梯形翼,與矩形翼相比較,不僅對(duì)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)利用率更高,還完成了梁的漸變,與受力分布更相符。
飛機(jī)的雷諾數(shù)可用公式來(lái)體現(xiàn):Re,它們依次代表的是空氣密度、氣流速度、氣流流經(jīng)物體的距離以及粘度,使用的單位也都是ISO國(guó)際單位制。對(duì)一般航模進(jìn)行分析時(shí),如果飛行高度處在海平面時(shí),通過(guò)公式表示為:RecA,這里的cA代表平均氣動(dòng)弦長(zhǎng),在矩形翼里其實(shí)就是弦長(zhǎng)。但是我們希望獲得所有剖面的氣動(dòng)性能,因此在前文基礎(chǔ)上,根據(jù)平均弦長(zhǎng)和三段近似,大致估算出翼根弦長(zhǎng)會(huì)在400mm以下。速度需要回代,預(yù)測(cè)在12m/s以下(前文預(yù)測(cè)期望是10m/s)。那么雷諾數(shù)最高值就是330000。
對(duì)翼尖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須注意要避開(kāi)臨界雷諾數(shù)這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)圖我們能夠發(fā)現(xiàn),如果Re>120000時(shí),曲線(xiàn)一般都比較正常。這就說(shuō)明翼尖最短也要超過(guò)150mm。但如果從實(shí)際出發(fā),只考慮雷諾數(shù),這個(gè)值越大才越好?,F(xiàn)在假設(shè)Re進(jìn)行計(jì)算,這樣能夠預(yù)防因?yàn)閷?duì)速度估算不準(zhǔn)而帶來(lái)更多麻煩。那么弦長(zhǎng)就是220mm。根據(jù)三段機(jī)翼的長(zhǎng)度和翼面積,很容易得到矩形翼弦長(zhǎng)為360mm。
因?yàn)橹谱鲿r(shí)必然存在一些偏差,比如蒙皮塌陷等,我們還是假定KL=0.8,那么。根據(jù)升力公式:,以及平飛時(shí)受力平衡L=G,計(jì)算出。這時(shí)Re=279000。因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中只考慮了升力系數(shù)這個(gè)方面,所以差別不會(huì)太明顯,大可將其忽略。
1.3 翼梁結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)
第一,做實(shí)心梁時(shí)拒絕使用相同材料。主要是因?yàn)檎龖?yīng)力離中心層越遠(yuǎn)反而增大,中間部位使用的材料沒(méi)有必要與翼緣處使用的材料相同。第二,不管是哪種梁,腹板處所使用的材料也不要與翼緣處使用的相同,對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)根本不用考慮。如此一來(lái)也能提高一些冗余度。第三,正應(yīng)力分配時(shí)可以不考慮梁的厚度,可以認(rèn)為梁截面上每個(gè)地方的正應(yīng)力都相等。
計(jì)算得出正應(yīng)力,若暫取b,d,W=2I/h=4.6×10-7m3此時(shí)σ=38MPa,這個(gè)值并不算太大。然而這只是處于沒(méi)過(guò)載情況下,而實(shí)際上根本不可能忽略這個(gè)因素。
假定過(guò)載系數(shù)SG=2.0,與氣動(dòng)力相乘,得到正應(yīng)力為76MPa。木材的許用應(yīng)力一般在5~7MPa之間,明顯不足。而碳纖維許用應(yīng)力一般在2~7GPa之間,完全充足。另外碳纖維比強(qiáng)度很高,適合運(yùn)用在重量極限的飛機(jī)上。盡管此次試驗(yàn)并未使用碳纖維,然而其緣條尺寸更小,厚度更薄,只有1mm。即便梁和翼肋之間結(jié)合緊密,兩端都取固定情況下,肋間距取小值0.1m,碳纖維的彈性模量E=200GPa,但是緣條的慣性積很小,。綜合得N
。
在之前計(jì)算出來(lái)的正應(yīng)力基礎(chǔ)上,根部所受壓力大概為,也就是說(shuō)過(guò)載系數(shù)為2這種情況下,梁依然會(huì)失穩(wěn)。預(yù)防失穩(wěn)效果最顯著的方法就是對(duì)支撐條件進(jìn)行改善,做到極致就是實(shí)心梁。如此一來(lái),便不會(huì)有失穩(wěn)情況產(chǎn)生。填芯所用材料一般就是泡沫,它與輕木、碳板之間利用泡沫膠結(jié)合。如果機(jī)翼?yè)隙冗^(guò)大,會(huì)產(chǎn)生很多危害,比如:(1)蒙皮褶皺,氣動(dòng)性能降低;(2)木結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大,容易斷裂,特別是蒙版;(3)造成不必要的上反,可能造成未預(yù)見(jiàn)的氣動(dòng)效應(yīng);4、副翼轉(zhuǎn)向不靈活,容易造成舵機(jī)短路引起掉電。
2 結(jié)論
本文通過(guò)具體分析,對(duì)各種方案進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試,同時(shí)在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的情況下,盡可能地采用新型材料,該機(jī)架優(yōu)點(diǎn)如下:(1)與同重量飛機(jī)相比翼展增加60%,飛行器極限載運(yùn)重量增加100%;(2)定點(diǎn)續(xù)航時(shí)間比同類(lèi)飛行器增加16%,在電池12.6V情況下,電機(jī)與減速組拉力峰值達(dá)到4.3kg,是同類(lèi)的1.6倍,另外飛機(jī)器的總運(yùn)載量增加20%以上。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬遠(yuǎn)超.多旋翼飛行器導(dǎo)航及控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2013.endprint