吳康明 李志軒 袁正明 肖光勇 鐘宏

摘要：本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)，并對改進(jìn)型鴨式布局飛行器的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該鴨翼無人機(jī)布局類似“彩虹3“無人機(jī)，采用前后雙翼設(shè)計(jì)。相較于常規(guī)布局，該無人機(jī)具有前后雙翼共同產(chǎn)生升力的優(yōu)點(diǎn)。但這也導(dǎo)致無人機(jī)在設(shè)計(jì)方面與常規(guī)布局飛機(jī)存在較大的差異。因此對飛行器的布局研究對無人機(jī)的設(shè)計(jì)制作具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電動；自主設(shè)計(jì)制作；改進(jìn)型鴨式布局；無人機(jī)

隨著炮火，空中發(fā)射，火箭發(fā)射和個(gè)人巡邏巡邏，個(gè)別士兵的巡邏需要在發(fā)射前折疊并安裝在筒內(nèi)。機(jī)翼區(qū)域受發(fā)射管尺寸的嚴(yán)重限制，傳統(tǒng)的無人機(jī)布局不能有效提高負(fù)載率。

串聯(lián)機(jī)翼布局提供前后翼對的升力，因此在有限的尺寸約束下，載荷比可以有效提高，并廣泛用于筒式發(fā)射器的最新開發(fā)。然而，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)翼“工”字布局在前翼和后翼之間存在相互干擾，并且前翼和后翼產(chǎn)生的氣動力存在很大差異。前翼的氣動效率高于后翼，翼角為0°。當(dāng)時(shí)，前翼必須位于后翼失速和其他問題之前。本項(xiàng)目改進(jìn)后的鴨式布局無人機(jī)在一定程度上克服了這些問題。

1 研究目標(biāo)

目前我們在改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)的設(shè)計(jì)中有以下目標(biāo)（1）翼型選擇。（2）鴨翼無人機(jī)的前后雙翼設(shè)計(jì)。前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對位置等都決定了飛機(jī)的升力配平和重心設(shè)置。（3）前后雙翼與機(jī)身的匹配設(shè)計(jì)，要求兩者之間相互協(xié)調(diào)，保證飛機(jī)的穩(wěn)定性和操作性，減少前后翼之間氣流的相互干擾。（4）將改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)的系列布局進(jìn)行分析研究，得出設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)成果。

2 工作基礎(chǔ)

我們已有該項(xiàng)目的前期制作探索和數(shù)據(jù)研究，探索性地制作過一款鴨翼無人機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。該技術(shù)驗(yàn)證機(jī)具備一定的穩(wěn)定運(yùn)行性能，并為以后整個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3 項(xiàng)目研究內(nèi)容

機(jī)翼結(jié)構(gòu)：基于正交試驗(yàn)法，采用雷諾平均 NS方程，并引入 SA 湍流模型，用數(shù)值方法模擬了改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)整機(jī)流場，通過計(jì)算分析后，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）改進(jìn)型鴨式布局在前后翼水平距離和翼差角固定不變的情況下，前后翼垂直距離對整機(jī)氣動性能有一定影響。當(dāng)前翼在上后翼在下時(shí)，無人機(jī)有較好的氣動性能。（2）通過分析表明，無人機(jī)前后翼安裝角對整機(jī)氣動性能有較大影響，兩機(jī)翼安裝角較大時(shí)，無人機(jī)有更高的氣動性能。（3）改進(jìn)型鴨式布局的前翼對后翼有一定干擾，前后翼氣動力存在一定差別。在迎角較小時(shí)，前翼的升力系數(shù)大于后翼，而阻力系數(shù)略小于后翼。當(dāng)迎角較大時(shí)，前翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)都大于后翼，總體來說，前翼的氣動性能優(yōu)于后翼。

因此前后雙翼在翼面積上的比例、安裝角以及相對位置的設(shè)置等問題是機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)：第一是改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)需要設(shè)計(jì)理想的飛機(jī)整體氣動外形，包括機(jī)身、機(jī)翼及其他操縱面的協(xié)調(diào)與平衡，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的滑翔性能和空中低速的操縱性，同時(shí)保證飛機(jī)在三軸的穩(wěn)定性和操縱性。第二是保證飛機(jī)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由于飛機(jī)需要實(shí)現(xiàn)日常任務(wù)和作業(yè)，所以飛機(jī)在實(shí)際操縱中降落過程的距離很短。因此要求飛機(jī)整體具備較高強(qiáng)度。第三是對飛機(jī)細(xì)節(jié)調(diào)整，減輕飛機(jī)重量，包括局部采用碳纖維復(fù)合材料，全機(jī)身防震等，保證飛機(jī)的穩(wěn)定操縱和飛行的方便性，實(shí)現(xiàn)飛行過程中的飛行穩(wěn)定，提高實(shí)用價(jià)值。

4 設(shè)計(jì)成果

（1）“1：1：2”的串列雙翼布局使飛行器的升力系數(shù)和升阻比有了顯著提高并減小了前翼展長，增加前后翼之間的距離，減小前翼對后翼的干擾。這些設(shè)計(jì)使飛機(jī)在低速時(shí)仍能保持足夠升力。

（2）串列翼安裝角分別為4度與2度，攻角差為2度 ，這使得飛機(jī)的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速，使得飛機(jī)在快速爬升或大角度滾轉(zhuǎn)時(shí)仍能保持良好的失速性能及機(jī)動性。

（3）飛機(jī)采用四副翼布局。通過混控控制，在爬升時(shí)四個(gè)副翼中前翼向下，后翼向上，極大提高了飛機(jī)的爬升性能和機(jī)動性，相較于常規(guī)布局有明顯的提高。

（4）采用半開放式云臺吊艙設(shè)計(jì)，可以根據(jù)任務(wù)需求加掛不同模塊，目前采用無刷增穩(wěn)云臺配高清8倍光學(xué)變焦攝像頭，適用于快速移動的低空偵察和靜態(tài)物體的高空偵察，并與投彈倉配合實(shí)現(xiàn)精確打擊。

（5）飛機(jī)采用合頁轉(zhuǎn)軸與卡扣的折疊緊固方式，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的小型化便攜化，手拋起飛，擺脫了起飛場地限制，運(yùn)用范圍更加廣泛。

5 主要創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)布局的研究，通過設(shè)計(jì)較理想的前后翼面積比例、安裝角以及相對位置的設(shè)置，在一定程度上克服常規(guī)串列翼存在的問題。（2）研究改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)制作的模塊化，提高無人機(jī)實(shí)用性。（3）提高無人機(jī)的功能性，爭取應(yīng)用于軍事和民用。

6 實(shí)用性調(diào)研

增加對改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)實(shí)用性的研究，通過解決以上問題從而真正開發(fā)出改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)的可行性與實(shí)用性，將改進(jìn)型鴨式布局無人機(jī)真正參與到民用或者軍用中去。