鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院

為解決山區(qū)物流需求，本文提出“云燕”可變翼貨運無人機總體設(shè)計方案。該無人機在低速起降時，使用大縫道三翼布局，升力系數(shù)為單翼的2.4倍，縮短了起降距離；巡航時三翼收縮合并，切換為傳統(tǒng)單翼布局，保證了飛行效率。同時采用大容量貨艙和雙尾撐結(jié)構(gòu)，提高了貨物裝載效率和飛行穩(wěn)定性，可為山區(qū)末端物流應(yīng)用提供參考。

2018年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018－2022年）》。規(guī)劃指出，要積極培育新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，深入實施電子商務(wù)進農(nóng)村綜合示范，建設(shè)具有廣泛性的農(nóng)村電子商務(wù)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施，加快構(gòu)建農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施骨干網(wǎng)絡(luò)，鼓勵商貿(mào)、郵政、快遞、供銷、運輸?shù)绕髽I(yè)在農(nóng)村地區(qū)擴大設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局。加快完善農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施末端網(wǎng)絡(luò)，逐步完善以農(nóng)村物流樞紐站場為基礎(chǔ)，以縣、鄉(xiāng)、村三級物流節(jié)點為支撐的農(nóng)村物流基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系。山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟具有規(guī)模分散、物流成本高、運輸安全性要求高等特點，建設(shè)針對性的物流配送服務(wù)體系是現(xiàn)實需求。

作為新型運輸工具，無人機為山區(qū)物流提供了一種可行性解決方案。2019年7月，百余架無人機參與松茸“第一公里”運輸，用高科技為四川甘孜藏族自治州的特產(chǎn)松茸出山提速。無人機可直接搭載貨物從無陸運條件的山頭運往有道路的無人機機場，單程僅需30min，與傳統(tǒng)運輸方式相比，運輸效率提升4倍，改變了甘孜菌農(nóng)“摸黑上山采松茸，下午背松茸下山，來回半天”的低效又危險的局面。

河南省包括太行山、崤山、桐柏山和大別山等山區(qū)，河南省人民政府網(wǎng)站信息顯示，山區(qū)面積約占全省總面積的44%。山區(qū)有天麻、石斛、茶葉、何首烏等高價值農(nóng)作物和中草藥。研制適合山區(qū)環(huán)境的貨運無人機具有重要應(yīng)用價值。

貨運無人機構(gòu)型與特點

常規(guī)固定翼作為最常見的布局形式，得到廣泛關(guān)注，最常見的傳統(tǒng)固定翼無人機由機身、機翼、平尾、單垂尾等組成，其特點是技術(shù)成熟、可靠性高、研發(fā)周期較短。多旋翼無人機結(jié)構(gòu)相對簡單，但巡航升阻比較低。在山區(qū)運營的貨運無人機，其性能和有人機有較大區(qū)別，需滿足以下要求。

第一，山區(qū)不宜修建專用機場跑道，可對簡易空地進行適當(dāng)改造供無人機起降，同時要求無人機具備垂直起降或超短距起降特性，是較為合適的解決方案；

第二，為防止起降場地上人員和雜物對無人機發(fā)動機系統(tǒng)、螺旋槳的侵入和干擾，可考慮將動力裝置部件進行包裹；

第三，為提高運輸效率，研制有別于常規(guī)有人機或多旋翼無人機的貨艙非常必要。直接將貨物掛載于腹部，飛行阻力大，且有脫落風(fēng)險；多旋翼無人機一般在機身中央位置設(shè)置貨艙，但貨艙體積與旋翼尺寸有關(guān)。

總體來看，目前多旋翼無人機的優(yōu)勢在于可垂直起降，缺點是巡航升阻比較低。為提高無人機巡航升阻比，并兼顧短距起降需求，本文提出“云燕”可變翼貨運無人機。

外形與設(shè)計指標(biāo)

“云燕”無人機概念圖及其起飛過程示意圖，詳見圖1和圖2。該無人機的突出特點是，采用了可變翼布局設(shè)計，即飛行時機翼可在三翼與常規(guī)單翼之間切換，如圖3所示。此外，使用了高裝載效率機身和雙尾撐結(jié)構(gòu)。保證巡航速度和飛行穩(wěn)定性的同時，縮短了起降距離。設(shè)計最大起飛重量65kg，最大任務(wù)載荷重量30kg，航程140km，起降距離不超過常規(guī)固定翼無人機的40%。

圖1 “云燕”貨運無人機概念圖。

圖2 “云燕”貨運無人機起飛過程示意圖。

圖3 大縫道多段翼在合并（上）和展開（下）狀態(tài)的外形。

無人機創(chuàng)新設(shè)計

基于大縫道多段翼的可變翼布局設(shè)計

可變翼的三段翼型和整體翼型均選用通航飛機常用的GA(W)-1翼型。使用數(shù)值模擬方法分析不同翼間參數(shù) G1，G2和翼間夾角θ(見圖4)下機翼的氣動特性。計算軟件為 ANSYS FLUENT，計算時使用二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程;針對低速不可壓來流，使用壓力和 速度耦合的 SIMPLE 算法。已有研究表明，S-A 模型較適合用于增升裝置的計算，低速條件 時多段翼流場結(jié)構(gòu)與增升裝置有一定相似性，因此使用 S-A 湍流模型。

圖4 大縫道多段翼翼間參數(shù)。

針對典型算例Ma=0.2，Re= 9 ×106，θ= 30°，由疏到密設(shè)計了4套網(wǎng)格，第3 套和第4 套計算升力系數(shù)和阻力系數(shù)相對誤差分別為 0.2%和 1.0%，可認為第 3 套網(wǎng)格(總規(guī)模 33 萬)滿足收斂要求，以其作為后續(xù)網(wǎng)格劃分和計算基礎(chǔ)。

圖5 不同迎角時升力系數(shù)隨夾角變化的曲線。

圖6 翼型流場壓力等值線分布。

圖7 不同機翼間距下翼型流場壓力等值線分布。

圖8 “云燕”貨運無人機機身和貨艙艙門。

圖5給出了不同迎角時升力系數(shù)隨夾角的變化曲線?？梢姡谌N迎角下，升力系數(shù)CL隨翼間夾角θ的變化趨勢一致，最大值均在θ=20°附近。升力系數(shù)隨機翼間距參數(shù)G1和G2的變化趨勢與翼間夾角類似，不再贅述。

和機翼間距時，機翼繞流流場壓力分布的對比。對比圖5～7可知，當(dāng)翼間參數(shù)合適時，第1段翼和第2段翼將產(chǎn)生有利干擾，翼面上下翼面壓差變大，此時機翼整體氣動特性最優(yōu)。設(shè)計時選取最優(yōu)值對應(yīng)的翼間參數(shù)作為巡航飛行時的鎖定狀態(tài)。

高裝載率機身和雙尾撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高機身裝載率，使用接近長方形的機身，并做倒圓角處理。借鑒大型運輸機設(shè)計技術(shù)，在機頭部設(shè)立艙門，便于貨物裝卸。考慮到常規(guī)機身后端有較大收縮過渡段，空間利用率不高，采用了小長細比機身，搭配雙尾撐設(shè)計方案，形成結(jié)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)，提升機身有效裝載空間，使氣動和操穩(wěn)特性體現(xiàn)出一定優(yōu)勢。該布局還將螺旋槳包裹在雙尾撐之間，提高無人機地面滑跑時的安全性。

設(shè)計方案優(yōu)化

“云燕”可變翼貨運無人機總體設(shè)計方案后續(xù)將圍繞兩方面進行改進。

（1）機身氣動外形和機身裝載率的多目標(biāo)優(yōu)化

圓柱形機身氣動阻力小，而長方形機身裝載率高，兩者之間存在最優(yōu)外形，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計是一種有效解決方案；

（2）地面裝卸和操作流程優(yōu)化

對地面人員操作流程、貨艙分區(qū)及貨物放置位置等進行優(yōu)化，盡可能減小貨物重量和尺寸對無人機重心的影響，并提高地面人員操作效率。