付東金 劉吉順 姜鵬 瀚加娜?玉山江

摘要：針對串列翼布局飛行器的獨(dú)特氣動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款無人飛行器。主要確定串列翼飛機(jī)氣動(dòng)部局的三個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)①前后翼的機(jī)翼安裝角；②前后翼的水平距離；③前后翼的垂直距離。實(shí)現(xiàn)串列翼布局的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。繪制該型飛行器的設(shè)計(jì)圖紙，并進(jìn)行制作。為其選裝相應(yīng)的動(dòng)力裝置，飛行控制裝置，進(jìn)行試飛。通過試飛該機(jī)型表現(xiàn)出了良好的飛行狀態(tài)，具有滯空時(shí)間長，機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：串列翼布局；飛行器；試飛

串列翼布局具有飛行高度高，滯空時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)。在偵察、監(jiān)視及航空測繪等領(lǐng)域會(huì)存在較大運(yùn)用前景。在參考面積、翼展等機(jī)翼主要參數(shù)相同的情況下，串列雙翼布局無人飛行器的升力系數(shù)和升阻比較單機(jī)翼布局的大。其氣動(dòng)性能要優(yōu)于單機(jī)翼布局，且?guī)缀纬叽缫?，?shí)用性更強(qiáng)，氣動(dòng)性能的提升空間較大。

串列翼布局飛行器有一個(gè)前翼一個(gè)后翼。前翼與鴨翼很相似，但鴨翼主要用于配平和產(chǎn)生俯仰控制力矩，而串列翼的前翼主要用于產(chǎn)生升力。串列翼的前后機(jī)翼通常不處于同一平面，可以前翼在下，這樣前翼的下洗氣流不至于對后翼造成不利影響；也可以前翼在上，這樣可以利用前翼的下洗氣流為后翼上表面的氣流加速，增強(qiáng)后翼的升力。同時(shí)由于串列雙翼布局重心分布于兩翼之間，相對容易在產(chǎn)生升力時(shí)維持飛機(jī)的平衡其巡航氣動(dòng)性能要略優(yōu)于單機(jī)翼布局。[1]不論是哪種配置形式，其目的都是盡量減少串列翼布局的飛行器前后翼之間相互干擾。這一問題會(huì)導(dǎo)致后翼的升力減小，從而影響飛行品質(zhì)。為此我們針對前后翼的三個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 前后翼關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 前翼與后翼的安裝角

常規(guī)布局的單翼機(jī)其安裝角是影響機(jī)翼氣動(dòng)特性的參數(shù)之一，對升力系數(shù)、零升力角、失速迎角和巡航阻力均有所影響，并且影響到飛機(jī)的起飛滑跑距離和機(jī)艙內(nèi)的地板在巡航時(shí)的姿態(tài)。對于串列翼布局，前翼的安裝角可以影響氣流相對于后翼的下洗角度，從而影響后翼的壓力分布。為了盡量減小前翼對后翼的氣動(dòng)干擾，使飛行器在大仰角爬升或者大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)不易進(jìn)入失速掉高或者失速尾旋的不受控狀態(tài)。前后翼安裝角分別為4度與2度，前后翼安裝角之差為兩度 ，這一設(shè)計(jì)使得飛機(jī)的前翼先于后翼失速，前后翼不同步失速。

1.2 前后翼之間的水平相對距離

前后翼之間的距離與飛行器的俯仰配平有關(guān)。單翼機(jī)的平尾一般會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)升力用于配平，這樣會(huì)造成一定的升力損失。串列翼前后翼均產(chǎn)生正升力，飛機(jī)的重心在前后翼之間，可以將其形象的理解為“抬式”。為了提高了雙翼系統(tǒng)的氣動(dòng)效率，我們采用前翼展長：前后翼焦點(diǎn)的距離：后翼展長=1：1：2這樣一個(gè)比例，如圖1。這樣設(shè)計(jì)，一方面減小前翼翼展長度，從而在翼展方向減小對后翼的干擾面積；另一方面增加前后翼之間的距離，從而增加了前翼下洗氣流到到后翼的最小距離，減小了下洗氣流對后翼下表面壓強(qiáng)的影響，增加后翼升力。

1.3 前后翼之間的垂直相對距離

串列翼布局之中，前后翼之間的垂直距離會(huì)對全機(jī)的升阻比帶來顯著的影響。前后翼之間垂直相對距離越大，后翼受前翼下洗氣流的影響越小[2]。同時(shí)考慮到利用前翼的下洗氣流為后翼增加升力。我們選取前翼上置，后翼下置的設(shè)計(jì)方案，如圖二。前翼的下洗氣流為后翼上表面氣流加速，減小后翼上表面壓強(qiáng)。通過XFLR5軟件對我們設(shè)計(jì)的串列翼布局進(jìn)行流場分析得到如圖三所示前后翼壓強(qiáng)分布圖?？梢钥吹胶笠砩媳砻媸艿角耙須饬饔绊懙哪且徊糠?，機(jī)翼上表面的壓強(qiáng)明顯減小。這與我們之前的設(shè)想相符合。

2 總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)與研制的飛機(jī)為一款電動(dòng)型固定翼飛機(jī)如圖四。飛機(jī)主翼翼展1.5米，空重2Kg。使用2814交流無刷發(fā)動(dòng)機(jī)，在動(dòng)力電池16.8v電壓下，該型號電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速21000r/min，電機(jī)輸出軸配備9寸的櫸木螺旋槳螺距為6寸。

飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)的巴爾沙輕木制作，外部蒙皮采用超輕熱縮膜，機(jī)翼的根部翼肋和機(jī)身主要承力梁結(jié)構(gòu)使用了單向碳纖維復(fù)合材料，這樣具有空重小，結(jié)構(gòu)重量輕，業(yè)載大，制造成本低，加工工藝簡單等特點(diǎn)。

采用察打一體化設(shè)計(jì)。半開放式云臺(tái)吊艙設(shè)計(jì)，可以根據(jù)任務(wù)需求加掛不同模塊。采用兩軸增穩(wěn)云臺(tái)，配合機(jī)載攝像頭與高清圖傳可實(shí)時(shí)傳回飛行畫面，偵查地面目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后投放掛載物進(jìn)行打擊。

3 試飛驗(yàn)證

我們選取的一個(gè)微風(fēng)的天氣，進(jìn)行試飛。在空載的情況下，滑跑起飛距離僅為6.4m，第二次起飛嘗試了手拋的方式，依然成功起飛。手拋起飛的方式使得該型飛機(jī)具有野外簡易場地起飛的能力。

首先測試了該機(jī)的最大飛行時(shí)間。在空中通過飛控我們設(shè)置了半徑為40m的繞固定點(diǎn)飛行的航線。電池電壓在16.8v的時(shí)候起飛，到電壓為14.8v時(shí)降落，共在空中飛行了46分32秒，表現(xiàn)出了良好的飛行特性。相較于常規(guī)布局幾何尺寸和動(dòng)力裝置相近的無人機(jī)飛行時(shí)間有一定程度的提升。

其次測試了該機(jī)的機(jī)動(dòng)特性。在空中大仰角爬升時(shí)，不會(huì)像常規(guī)布局的飛機(jī)一樣會(huì)有明顯的失速掉高情況。能發(fā)現(xiàn)前后翼不同步失速這一現(xiàn)狀，當(dāng)前翼先失速時(shí)，后翼并沒有失速，飛機(jī)爬升角會(huì)自動(dòng)變低，從而進(jìn)入一個(gè)新的平衡狀態(tài)。同時(shí)該飛機(jī)還能完成筋斗，橫滾這樣的特技動(dòng)作，更加反映了該飛機(jī)優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能。

4 結(jié)語

通過對串列翼這一布局的研究，我們設(shè)計(jì)制作并成功試飛了這樣一款串列翼布局的無人飛行器。通過對串列翼三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化①前后翼的各自機(jī)翼安裝角為4度和2度；②前翼展長：前后翼焦點(diǎn)的距離：后翼展長=1：1：2這樣一個(gè)比例；③前翼與后翼之間一個(gè)合適的垂直距離，使前翼下洗氣流流過后翼上表面。這樣的三種方式能夠盡量減少前翼與后翼之間相互干擾影響的問題，同時(shí)增加后翼升力。通過試飛，該機(jī)表現(xiàn)出的飛行特點(diǎn)，與我們的設(shè)計(jì)基本符合。具有滯空時(shí)間長，操作性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李涵.淺談國內(nèi)外串列雙翼無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀[C].（第五屆）中國無人機(jī)大會(huì)論文集，20140915.

[2]李永澤，孫傳杰，盧永剛.串列翼布局前后翼相對位置對氣動(dòng)特性影響研究飛機(jī)設(shè)計(jì)[J].2016，36（6）： 3236.

[JP3]基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（IECAUC2017001）資助[JP]