宗 劍,江 穩(wěn),李雨林

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134;2.華中科技大學(xué) 航空航天學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.山東交通學(xué)院 航空學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

根據(jù)航空行業(yè)規(guī)定[1],把最大起飛重量小于5.75 t的固定翼飛機(jī)稱為輕型固定翼飛機(jī),輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)屬于其中一種,它是發(fā)展現(xiàn)代化航空農(nóng)業(yè)的重要組成部分[2]。相比傳統(tǒng)有人駕駛的輕型農(nóng)用飛機(jī),輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)具有設(shè)計(jì)制造要求低、飛行作業(yè)效率高、使用維護(hù)成本低廉、對(duì)起降場(chǎng)地要求較低等優(yōu)勢(shì),因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)播種、施肥、田地信息監(jiān)測(cè)和植保等方面[3]。雖然目前其部分用途已被成本更加低廉且易操縱的多旋翼類無(wú)人植保機(jī)替代[4],但在現(xiàn)代化大面積承包農(nóng)業(yè)高效作業(yè)方面暫時(shí)無(wú)法被取代,所以輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)具有廣闊的發(fā)展空間。本文主要介紹輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的主要發(fā)展方向、設(shè)計(jì)要求、布局形式,對(duì)其設(shè)計(jì)的主要參數(shù)進(jìn)行假設(shè),采用漸近法對(duì)設(shè)計(jì)重量進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)性能分析,所得結(jié)論可為后續(xù)從事輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 發(fā)展方向

早期為提高大規(guī)模承包農(nóng)業(yè)的作業(yè)效率和年產(chǎn)量,美國(guó)和西歐等一些國(guó)家和地區(qū)在設(shè)計(jì)專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼飛機(jī)方面走在世界前列[2]。但至今為止它們所設(shè)計(jì)制造的各型號(hào)農(nóng)用固定翼飛機(jī)基本以有人駕駛為主,例如美國(guó)AT-802F和波蘭PZL-M18。我國(guó)在設(shè)計(jì)專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼飛機(jī)方面起步較晚,二十世紀(jì)九十年代之前一直使用蘇聯(lián)有人駕駛的安-2雙翼飛機(jī)改裝的運(yùn)-5乙為農(nóng)用飛機(jī),后期部分使用的是由航空工業(yè)320廠研制的我國(guó)第一種專業(yè)性輕型農(nóng)用固定單翼飛機(jī)農(nóng)-5飛機(jī)，有A和B兩種機(jī)型,農(nóng)-5A、B型飛機(jī)的出現(xiàn)填補(bǔ)了我國(guó)無(wú)專業(yè)性輕型農(nóng)用固定單翼飛機(jī)設(shè)計(jì)的空白。為了能和近些年出現(xiàn)的多旋翼類無(wú)人植保機(jī)搶奪農(nóng)業(yè)市場(chǎng)利潤(rùn)，降低傳統(tǒng)農(nóng)用固定翼飛機(jī)的使用成本,這幾年,國(guó)內(nèi)部分單位率先開始將運(yùn)-5乙飛機(jī)改裝為運(yùn)-5無(wú)人機(jī)。

雖然如此,但其改裝的效能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能充分發(fā)揮出來(lái)。研究資料顯示,單獨(dú)設(shè)計(jì)的專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)比改裝后的經(jīng)濟(jì)效益高50%～80%,因此設(shè)計(jì)專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)是現(xiàn)代航空農(nóng)機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一[5-8]。輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展方向主要有[9-12]：(1)低速、高升阻比翼型的設(shè)計(jì)；(2)低阻力系數(shù)氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)；(3)最簡(jiǎn)單、可靠、便于維護(hù)、高性價(jià)比和壽命的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(4)設(shè)計(jì)可考慮采用新型動(dòng)力,比如純電動(dòng)或油電混合動(dòng)力；(5)地面先進(jìn)導(dǎo)航控制技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)要求

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)主要設(shè)計(jì)要求包括：氣動(dòng)要求、結(jié)構(gòu)要求、動(dòng)力要求和機(jī)載設(shè)備,具體如下[13]。

(1)保證非收放起落架可利用土質(zhì)跑道進(jìn)行起降,土質(zhì)地面比強(qiáng)度不小于30 N/cm2。

(2)采用非收放后三點(diǎn)式起落架氣動(dòng)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該保證飛機(jī)在應(yīng)急著陸時(shí)不出現(xiàn)“拿大頂”現(xiàn)象。

(3)燃油箱或動(dòng)力電池和化學(xué)制劑箱應(yīng)最大限度地安置在空機(jī)的重心附近,并且對(duì)進(jìn)入艙內(nèi)的空氣要徹底過(guò)濾。

(4)對(duì)飛機(jī)的零部件和農(nóng)用設(shè)備采取防銹設(shè)計(jì)措施。

(5)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要有可靠的防護(hù),以防止在滑行或起降時(shí)吸入砂石和塵埃以及裝載時(shí)的化學(xué)制劑。

(6)采用非電動(dòng)動(dòng)力應(yīng)該可靠地保證整個(gè)飛行日發(fā)動(dòng)機(jī)有起動(dòng)自備電源。

(7)采用純電動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí),動(dòng)力電池要求可靠,動(dòng)力電池艙與易燃農(nóng)業(yè)化學(xué)劑艙隔離設(shè)計(jì),無(wú)人控制無(wú)線電控制導(dǎo)航設(shè)備應(yīng)可靠。

(8)機(jī)載設(shè)備要求小體積、高可靠和安全。例如,遠(yuǎn)距化學(xué)制劑測(cè)量?jī)x、流量指示器、水平飛行和轉(zhuǎn)彎的極限速度信號(hào)裝置、起飛著陸次數(shù)記錄器、發(fā)動(dòng)機(jī)地面與空中飛行小時(shí)記錄器、低空飛行自記計(jì)，完成播種、撒顆粒狀和粉末狀化學(xué)制劑、撒有毒誘殺物、噴灑液體溶液(或乳狀液、懸浮液)及液體攪拌等農(nóng)用設(shè)備。

3 布局形式

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的布局形式與使用要求相關(guān),參照傳統(tǒng)有人駕駛的輕型農(nóng)用飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù),輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的作業(yè)飛行速度vp的取值范圍為120～230 km/h,通常取120～180 km/h;作業(yè)飛行高度HP的取值范圍為5～50 m(國(guó)外允許HP≥1 m),起飛滑跑距離LP取120～170 m[14]。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性、飛行穩(wěn)定性、降低研制成本,輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)以無(wú)后掠角機(jī)翼倒T形垂尾為主[15]。

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)常規(guī)布局機(jī)翼的設(shè)計(jì)可有多種形式,機(jī)翼可選用無(wú)后掠角矩形單翼或雙翼設(shè)計(jì),其中單翼比雙翼?yè)碛懈偷臍鈩?dòng)外形阻力系數(shù),但雙翼低空、低速性能較好,如美國(guó)羅克韋爾國(guó)際公司研制的S2R-H80為單翼設(shè)計(jì),而蘇聯(lián)農(nóng)用主力飛機(jī)安-2則為雙翼設(shè)計(jì)。單翼機(jī)又分為上單翼和下單翼,其中下單翼的設(shè)計(jì)具有改善航空化學(xué)作業(yè)質(zhì)量,容易安裝起落架，可有效減輕機(jī)翼與機(jī)身結(jié)構(gòu)重量,容易安裝全翼展噴灑管，便于使用維護(hù)保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)[16]。

機(jī)翼翼型可考慮選用升阻比較大的GA(W)-1、NACA44、NACA230、NACA63、NACA65系列[17]。其中GA(W)-1與其他系列相比較,機(jī)翼最大厚度位于距前緣40%弦長(zhǎng)處,帶增升裝置時(shí)可使Cya最大值約增大30%,獲得最大值襟翼最佳偏轉(zhuǎn)角為40°[18]。

動(dòng)力系統(tǒng)一般采用單發(fā)動(dòng)機(jī)+拉進(jìn)式定槳距螺旋槳,安裝在機(jī)身最前面發(fā)動(dòng)機(jī)艙室。目前可選用發(fā)動(dòng)機(jī)種類有：多缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、純電動(dòng)機(jī)或油電混合動(dòng)力。其中受動(dòng)力電池儲(chǔ)能密度較低的影響,相比純電動(dòng)和油電混合動(dòng)力,裝備多缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)人機(jī)續(xù)航能力較強(qiáng)。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)比活塞發(fā)動(dòng)機(jī)功重比高、體積小,但價(jià)格稍高,因此在要求較高的輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)上可選用。純電動(dòng)適合輕型小型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)的動(dòng)力選擇,而油電混合動(dòng)力適用于輕型中小型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的動(dòng)力選擇[9-10]。拉進(jìn)式定槳距螺旋槳應(yīng)選擇最大效率系數(shù)直徑和系列。選擇螺旋槳直徑時(shí),必須考慮無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)限制,即槳葉端部到地面距離不小于250 mm,從螺旋槳端部到螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的飛機(jī)任何部分的距離不得小于200 mm。

起落架布局設(shè)計(jì)采用非收放構(gòu)架后三點(diǎn)式,主起落架安裝在機(jī)翼下面,主起落架輪胎一般選用低壓輪胎。

4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)假設(shè)和性能計(jì)算分析

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)同它的用途最佳化的任務(wù)一樣具有綜合性和系統(tǒng)性,設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要內(nèi)容如下。

4.1 使用情況的主要參數(shù)和飛行作業(yè)方法

使用情況的主要參數(shù)包括作業(yè)土地面積、單程作業(yè)長(zhǎng)度、跑道種類和長(zhǎng)度、作業(yè)工種和規(guī)模以及10～15年工作變化動(dòng)向。

飛行作業(yè)方法有梭式和地段式兩種,如圖1(a)和圖1(b)所示,圖中虛線為輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行軌跡。

(a)梭式飛行作業(yè)法

(b)地段式飛行作業(yè)法圖1 農(nóng)業(yè)飛機(jī)飛行作業(yè)示意圖

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的最佳作業(yè)飛行速度與發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)幾乎無(wú)關(guān),但卻與單程長(zhǎng)度和作業(yè)方法有關(guān)。在一定單程長(zhǎng)度作業(yè)范圍內(nèi),地段式飛行作業(yè)速度要比梭式飛行作業(yè)速度高。

4.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)假設(shè)和性能計(jì)算分析

輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)型式與機(jī)翼增升裝置的種類、發(fā)動(dòng)機(jī)型別、化學(xué)制劑的計(jì)算重量、飛行各階段的時(shí)間分配情況、安全飛行、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命要求都有關(guān)。

設(shè)計(jì)的輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)采用無(wú)后掠角下單翼布局,起落裝置采用高強(qiáng)度金屬主支柱安裝機(jī)翼下面非收放式無(wú)內(nèi)胎機(jī)輪無(wú)整流罩起落架,動(dòng)力系統(tǒng)為一臺(tái)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī),機(jī)翼承力構(gòu)件采用復(fù)合材料,其增升裝置采用滑動(dòng)式襟翼和前緣襟翼、襟副翼；假設(shè)化學(xué)制劑重量(有效載荷)mx=800 kg,最小允許垂直速度vy=4 m/s；年飛行時(shí)間為825 h；航空化學(xué)作業(yè)的主要形式為噴灑。無(wú)人機(jī)及其部件的各種不變參數(shù)如表1所示。

表1 輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)及其部件參數(shù)

假設(shè)輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)一次加油作業(yè)時(shí)間分配如下:起飛,0.045 h,占比3%;作業(yè)，轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行0.75 h,占比50%;轉(zhuǎn)變0.675 h,占比45%;著陸0.03 h,占比2%;總計(jì)1.5 h,其中不包含裝填化學(xué)制劑時(shí)間。

采用漸近法求出起飛質(zhì)量：

(1)

(2)

查閱輕型飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè),式中:

(3)

式中,pH為最大飛行高度上密封艙內(nèi)余壓,無(wú)人機(jī)為0。

(4)

(5)

式中,hzj為主起落架由跑道表面到支柱轉(zhuǎn)動(dòng)接頭或固定接頭的長(zhǎng)度,pzty為主機(jī)輪輪胎胎壓。

(6)

式中,kc=0.22～0.25。

由起飛滑跑條件求得

(7)

式中,P0為發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力,g=9.81,ρ0=0.125,土質(zhì)跑道fk=0.1。

不計(jì)噴灑桿的氣動(dòng)阻力,由作業(yè)速度的保證條件求得

(8)

式中,螺旋槳的效率系數(shù)ηB=0.72。

由給定的vy=4 m/s的計(jì)算求得

(9)

相對(duì)燃油質(zhì)量按照飛行的各階段求出。對(duì)每階段的求法為

(10)

式中,kjl為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流系數(shù)：起飛時(shí),kjl=1.0；著陸時(shí),kjl=0.25；裝填時(shí),kjl=0.20；轉(zhuǎn)場(chǎng)、噴灑和轉(zhuǎn)彎時(shí),kjl=Ni/N0(Ni需用功率)。ceo=0.34 kg/(kW·h)。ti取值4.2中農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)一次加油作業(yè)時(shí)間分配。

用計(jì)算機(jī)求解公式(1)～(10)的結(jié)果示于圖2～5。

圖2 作業(yè)飛行速度對(duì)無(wú)人機(jī)起飛質(zhì)量的影響關(guān)系圖

圖3 無(wú)人機(jī)翼載與化學(xué)制劑的相對(duì)質(zhì)量關(guān)系圖

圖4 渦槳無(wú)人機(jī)翼載和展弦比關(guān)系圖

圖5 無(wú)人機(jī)滑跑距離與起飛質(zhì)量關(guān)系圖

從圖2可以得出,當(dāng)翼載取80 kg/m2、展弦比取6時(shí),設(shè)計(jì)輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的飛行速度接近140 km/h時(shí)可獲得最優(yōu)的作業(yè)飛行速度。但是按照最優(yōu)作業(yè)飛行速度所獲得的m0的最優(yōu)值并不理想,進(jìn)一步提高m0的設(shè)計(jì)值,會(huì)提高作業(yè)飛行速度。

在一定范圍內(nèi)提高設(shè)計(jì)作業(yè)飛行速度,可有效減少飛行作業(yè)時(shí)間、降低油耗和使用費(fèi)用。但設(shè)計(jì)作業(yè)飛行速度提高超過(guò)某個(gè)值,會(huì)增加作業(yè)過(guò)渡轉(zhuǎn)彎半徑,導(dǎo)致其他良性指標(biāo)會(huì)下降。

從圖3可以得出,起飛滑跑距離取150 m、作業(yè)飛行速度取140 km/h時(shí),在一定設(shè)計(jì)翼載范圍內(nèi),無(wú)人機(jī)的有效負(fù)荷化學(xué)制劑的相對(duì)質(zhì)量隨著設(shè)計(jì)翼載的增大而增大；當(dāng)設(shè)計(jì)翼載超過(guò)一定值,其有效負(fù)荷化學(xué)制劑的相對(duì)質(zhì)量隨著設(shè)計(jì)翼載增大而減?。晦r(nóng)用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)翼載較佳取值范圍為70～90 kg/m2,設(shè)計(jì)翼載最佳取值接近80 kg/m2。

輕型農(nóng)用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)翼展弦比取值越小對(duì)增加無(wú)人機(jī)的有效負(fù)荷化學(xué)制劑的相對(duì)質(zhì)量越有利。 從圖4可以得出,當(dāng)起飛滑跑距離取150 m、作業(yè)飛行速度取140 km/h、化學(xué)制劑負(fù)荷質(zhì)量取800 kg時(shí),隨著設(shè)計(jì)翼載的增大,其展弦比也在增大。小展弦比不僅可有效減小研制機(jī)翼和飛機(jī)的起飛質(zhì)量,而且在作業(yè)飛行時(shí)會(huì)增加機(jī)翼后方產(chǎn)生的下洗流強(qiáng)度,有利于提高作業(yè)質(zhì)量。但小展弦比會(huì)減小單程噴幅的寬度,增加作業(yè)頻率,所以設(shè)計(jì)機(jī)翼展弦比取6～8是比較理想的。

從圖5可以得出,當(dāng)設(shè)計(jì)翼載取80 kg/m2、展弦比取6、化學(xué)制劑負(fù)荷質(zhì)量取800 kg時(shí),無(wú)人機(jī)起飛滑跑距離小于150 m時(shí),會(huì)大大增加飛機(jī)的起飛質(zhì)量。但起飛滑跑距離大于170 m時(shí),雖可有效減少起飛質(zhì)量,但會(huì)增加跑道長(zhǎng)度,提高對(duì)跑道的要求,降低設(shè)計(jì)的輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)使用范圍。因此,設(shè)計(jì)的輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)起飛滑跑距離的合理值在150～170 m。

5 結(jié)論

本文主要通過(guò)介紹輕型農(nóng)用固定翼無(wú)人機(jī)的主要發(fā)展方向、設(shè)計(jì)要求、布局形式,對(duì)設(shè)計(jì)主要參數(shù)進(jìn)行假設(shè),并對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,得出在一定范圍內(nèi)提高設(shè)計(jì)作業(yè)飛行速度,可有效減少飛行作業(yè)時(shí)間、降低油耗和使用費(fèi)用，但設(shè)計(jì)作業(yè)飛行速度提高超過(guò)某個(gè)值,會(huì)增加作業(yè)過(guò)渡轉(zhuǎn)彎半徑,導(dǎo)致其他良性指標(biāo)會(huì)下降,輕型農(nóng)用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)翼展弦比取值越小對(duì)增加無(wú)人機(jī)的有效負(fù)荷化學(xué)制劑的相對(duì)質(zhì)量越有利,但小展弦比會(huì)減小單程噴幅的寬度,增加作業(yè)頻率,設(shè)計(jì)機(jī)翼展弦比取6～8和起飛滑跑距離的合理值在150～170 m是比較理想的。