尹 虎，周欣昱，陳少?gòu)?qiáng)，陳 路

（北京航空航天大學(xué) 機(jī) 械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

小型航拍直升機(jī)作為一種理想的無(wú)人駕駛飛行器，有著垂直起降、懸停、巡航以及快速轉(zhuǎn)變航向等特性，使得它成為一種理想的航拍飛行器，近年來(lái)人們開(kāi)始重視小型無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展，其功重比、穩(wěn)定性、安全性、靈活性等性能被不斷提高。

目前小型無(wú)人航拍直升機(jī)多配置下掛式云臺(tái)或前置兩軸云臺(tái)。為了解決云臺(tái)震動(dòng)大、不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文提出了三軸精確定向云臺(tái)的方案。云臺(tái)系統(tǒng)配置三軸陀螺，分別控制俯仰、橫側(cè)、航向，保證飛機(jī)在晃動(dòng)、俯沖等任何飛行狀態(tài)下云臺(tái)系統(tǒng)的水平穩(wěn)定；此外，懸浮式發(fā)動(dòng)機(jī)架及云臺(tái)柔性裝配也能將云臺(tái)的震動(dòng)水平降到最低。上述結(jié)構(gòu)支撐對(duì)直升機(jī)的造型有一定影響，本文針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)小型航拍直升機(jī)的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1 航拍直升機(jī)的功能設(shè)計(jì)要求

1.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

小型旋翼飛行拍攝平臺(tái)傳統(tǒng)上采用下掛云臺(tái)的設(shè)計(jì)，這樣增加了飛行器的重量、體積和維護(hù)難度，還造成飛行器的廢阻提高、續(xù)航時(shí)間減少。本設(shè)計(jì)中將攝像設(shè)備置于飛機(jī)前端，固定在一個(gè)三軸云臺(tái)上。前置云臺(tái)優(yōu)點(diǎn)突出，可縱向俯仰45°，橫向180°轉(zhuǎn)動(dòng)，更適合航拍和圖像識(shí)別。同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)置于機(jī)體重心平衡點(diǎn)，以保持機(jī)體穩(wěn)定性，將干擾程度降到最低。

1.2 直升機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)殼造型設(shè)計(jì)的限制因素

直升機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)殼造型設(shè)計(jì)的限制因素主要包括：①小型航拍直升機(jī)每次飛行時(shí)要進(jìn)行電池的裝配，由于機(jī)殼很少拆卸，要求機(jī)身在中部、后部位置不能有遮擋；②直升機(jī)上部最高點(diǎn)為機(jī)殼設(shè)計(jì)的最高點(diǎn)，該零件前后移動(dòng)不能超過(guò)10 mm；③機(jī)身尾桿處有螺旋槳支架，為平時(shí)靜止時(shí)使用，所以尾桿處不應(yīng)包裹外殼；④在保證三軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度的基礎(chǔ)上，為了便于外殼加工成型，要求外型設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，視覺(jué)效果整體和諧、易于識(shí)別。

2 直升機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)設(shè)計(jì)草圖繪制二維效果圖，并進(jìn)行配色方案設(shè)計(jì)，通過(guò)方案價(jià)值分析最終選擇一個(gè)方案建立三維數(shù)字模型，繪制效果圖，并進(jìn)行細(xì)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 航拍直升機(jī)結(jié)構(gòu)

本航拍直升機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。與外形設(shè)計(jì)有關(guān)的部分為云臺(tái)部位、電池裝配部位和機(jī)尾螺旋槳部位。云臺(tái)用于搭載單反照相機(jī)，要求水平180°旋轉(zhuǎn)，俯仰角度均可以達(dá)到45°角。機(jī)殼要求在不被拆除的前提下能夠裝卸電池，造型設(shè)計(jì)應(yīng)考慮人機(jī)工程的合理性。

2.2 現(xiàn)有航拍直升機(jī)相機(jī)放置形式分析

主流設(shè)計(jì)是將航空拍攝相機(jī)放置在起落架上，這種形式造成起落架很高，并且拍攝角度的改變完全依靠操作機(jī)身的俯仰角，增加了操作難度，如圖2（a）所示；另一種設(shè)計(jì)是將相機(jī)搭載在機(jī)頭的部位，盡管機(jī)頭采用了全透明的設(shè)計(jì)，由于機(jī)頭覆蓋材料和角度問(wèn)題會(huì)造成畫面效果失真，如圖2（b）所示。

現(xiàn)有的兩種照相機(jī)與機(jī)體的結(jié)合方式缺陷是明顯的?？偨Y(jié)直升機(jī)外殼設(shè)計(jì)需要考慮的因素如下：①保證核心功能，即不影響拍攝；②材質(zhì)選擇時(shí)不能過(guò)多加重負(fù)載；③機(jī)殼要易于裝配，不能影響螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，易于相機(jī)和電池的拆卸；④ 視覺(jué)設(shè)計(jì)上機(jī)殼外形考慮仿生設(shè)計(jì)理念，配色方面要考慮色彩工學(xué)的配色原則。

圖1 直升機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 現(xiàn)有航拍直升機(jī)相機(jī)與機(jī)體結(jié)合方式

3 造型方案的衍生

生物形態(tài)是經(jīng)過(guò)自然進(jìn)化選擇的形態(tài)，將仿生設(shè)計(jì)用于飛機(jī)外殼的設(shè)計(jì)可以極大地避免機(jī)殼因空氣因素對(duì)飛行產(chǎn)生的阻力和不穩(wěn)定氣流的影響。

3.1 仿生設(shè)計(jì)理念在造型中的應(yīng)用

通過(guò)以上綜合因素分析，繪制了飛機(jī)外殼的仿生造型二維效果圖，見(jiàn)圖3。其中，海豚仿生造型采用了海豚嘴部與頭部的連接位置作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，形狀簡(jiǎn)約而有層次感，機(jī)殼的尾部微微揚(yáng)起，使得整體造型更富動(dòng)感，機(jī)殼下方的線條富于變化，主要功能是遮擋機(jī)身，保護(hù)直升機(jī)主要部件。圖3（b）和圖3（c）均為仿生魚設(shè)計(jì)，不同之處在于圖3（b）的機(jī)殼尾部設(shè)計(jì)與圖3（a）相似，其設(shè)計(jì)目的是增加外形的動(dòng)感；圖3（c）的設(shè)計(jì)采用了另一種裝配形式，安裝時(shí)，不需要卸下螺旋槳，只需從前向后插入并用幾個(gè)銷釘固定位置即可，這種裝配方式減少了不必要的拆卸，也因此可以延長(zhǎng)一部分零件的使用壽命，缺點(diǎn)是造型有不完整感，從外部留下裝配痕跡。

圖3 飛機(jī)外殼的仿生造型

3.2 配色方案分析

依據(jù)直升機(jī)造型特點(diǎn)，配色方案有兩種選擇：

（1）以對(duì)比色為主題，色相方面選取色相環(huán)上角度大于90°的顏色，如高純度藍(lán)色系與橙黃色系搭配。這樣的配色方案視覺(jué)效果強(qiáng)烈，富于動(dòng)感，在藍(lán)色天空的背景下形成色彩的強(qiáng)對(duì)比關(guān)系，易于識(shí)別。

（2）以鄰近色為主題，選擇一個(gè)主色系，如藍(lán)色，其他顏色在藍(lán)色系里做明度和純度的變化，再搭配小面積的對(duì)比色。此配色方案突出整體效果，同時(shí)兼顧變化，色彩搭配既和諧統(tǒng)一，又有適度的變化。

通過(guò)造型、色彩分析和視覺(jué)效果考慮，綜合改進(jìn)了方案。色彩選用冷色調(diào)，以白色為底色，增加機(jī)體的色彩明度，搭配大面積鈷藍(lán)色，與白色形成高長(zhǎng)色調(diào)，使用低純度而小面積的桔紅色增強(qiáng)色彩對(duì)比，配色設(shè)計(jì)既和諧統(tǒng)一又富于變化，整體效果得到了提升。圖4為直升機(jī)外觀價(jià)值分析選定方案。

圖4 直升機(jī)外觀價(jià)值分析選定方案

4 航拍直升機(jī)模型的建立

建立航拍直升機(jī)模型之前應(yīng)得到準(zhǔn)確的機(jī)身參數(shù)。因?yàn)楹脚闹鄙龣C(jī)基本是保持低速飛行，風(fēng)阻對(duì)直升機(jī)的影響比較小，幾乎可以忽略不計(jì)，比較有影響的是直升機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的壓差力，螺旋槳運(yùn)動(dòng)對(duì)直升機(jī)外殼的影響見(jiàn)圖5。升力螺旋槳是直升機(jī)的主要部件，旋翼由槳轂和槳葉構(gòu)成。槳轂安裝在旋翼軸上，形如細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼的槳葉則連在槳轂上。槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)與周圍空氣相互作用，產(chǎn)生沿旋翼軸的拉力，如果氣流的方向或各片槳葉的槳距不對(duì)稱于旋翼軸，會(huì)產(chǎn)生垂直于旋翼軸的分力。在直升機(jī)上，旋翼軸方向近于垂直，因此旋翼首先具有機(jī)翼的功能，產(chǎn)生向上的力；其次還具有類似于飛機(jī)推進(jìn)裝置的功能，產(chǎn)生向前的力；此外，它還具有類似于飛機(jī)操縱面的功能，產(chǎn)生改變機(jī)體姿態(tài)的俯仰力矩或滾轉(zhuǎn)力矩。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算，直升機(jī)外殼要承受住最大壓差力要求厚度＞3 mm，并在機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上設(shè)置加強(qiáng)筋。經(jīng)分析最后確定了航拍直升機(jī)的機(jī)身模型尺寸，建立的航拍直升機(jī)涂裝模型見(jiàn)圖6。

圖5 螺旋槳運(yùn)動(dòng)對(duì)直升機(jī)外殼的影響

圖6 航拍直升機(jī)涂裝模型

5 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)方法使小型航拍直升機(jī)的結(jié)構(gòu)布局更加合理，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于拍攝角度變化而造成的直升機(jī)操作難度較大、拍攝效果不清晰的問(wèn)題。運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)理念構(gòu)建直升機(jī)外形，使其美觀生動(dòng)、和諧統(tǒng)一。運(yùn)用設(shè)計(jì)色彩理論，使直升機(jī)視覺(jué)傳達(dá)系統(tǒng)合理，在靜態(tài)及飛行狀態(tài)下都能達(dá)到較好的視覺(jué)識(shí)別性。

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