摘 要：針對現(xiàn)有直升飛機存在的問題，綜合考慮四旋翼可以垂直起降，并且能夠進行長距離飛行的特點，在這個基礎(chǔ)上添加了渦扇推力電機與一對固定翼的無人飛行器，對其進行三維建模，在保證水平飛行的同時，機身兩側(cè)的機翼與渦扇能夠共同向前傾斜產(chǎn)生向上的升力與向后的推力。通過開發(fā)小型多旋翼無人飛行器，整個機翼升力能夠滿足設(shè)計要求，對小型多旋翼飛行器發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：小型多旋翼 無人飛行器 變結(jié)構(gòu) 固定翼

小型多旋翼無人機作為微小型無人機中的一種，近年來受到世界的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。已經(jīng)逐漸應(yīng)用到航空攝影、交通監(jiān)視、勘察等多個領(lǐng)域，并且在應(yīng)對突發(fā)事件與生態(tài)環(huán)境保護方面有著廣泛的應(yīng)用前景。盡管無人機有上述諸多優(yōu)點，同樣也存在不足問題。與固定翼相比，其自重條件與動力明顯不足，這就使得其留空時間與載荷能力受到束縛。

一、方案的提出

小型多旋翼無人飛行機的設(shè)計方案，是在四旋翼無人飛行器的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，在機身兩側(cè)的延長線上安裝一對可向前傾斜的渦扇動力系統(tǒng)與一對固定翼，渦扇轉(zhuǎn)速相同且方向相反，僅僅需要提供軸向推力，不能產(chǎn)生誘導(dǎo)轉(zhuǎn)矩。垂直起降過程中，兩個渦扇與四個旋翼電機朝上，可以提供垂直上升力。在水平飛行過程中，機身的兩側(cè)機翼與雙涵道渦扇會產(chǎn)生向上和向后的推力。機翼組成的X布局能夠?qū)︼w機的姿態(tài)進行控制。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡可能減輕機翼質(zhì)量，并且使兩側(cè)電機的機身與質(zhì)心橫向延長線盡可能靠近。在這個條件下，轉(zhuǎn)速相同、方向相反的兩個渦扇在不同模式下僅僅能夠提供向前推力與升力，這不會對自身姿態(tài)產(chǎn)生影響，以此能夠?qū)崿F(xiàn)平動控制與姿態(tài)控制分離，最終簡化控制機制。

新X布局包括量的優(yōu)勢：一方面在新的X布局基礎(chǔ)上，機翼與轉(zhuǎn)速相同但方向相反的渦扇產(chǎn)生推力與向上的升力就會直接作用于機身質(zhì)心部分，不論角度大小，都不會對機身產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)矩而影響系統(tǒng)仰視姿態(tài)。另一方面對飛行器進行姿態(tài)控制取決于X布局四旋翼子系統(tǒng)，左右旋翼為其提供推力，不對姿態(tài)產(chǎn)生影響，這就實現(xiàn)了速度與姿態(tài)控制的解耦，還能夠降低動態(tài)模型控制難度與復(fù)雜性。

二、固定翼設(shè)計

1.選擇翼型及相關(guān)參數(shù)

飛行器飛行速度為每秒十米左右，升力則為1200g，飛行器的翼型采用平凹型或是對稱性，由于無人飛行器體積較小，機翼尺寸不宜過大，這就需要結(jié)合固定翼模型飛行翼載荷要求，選取翼載荷為70g/dm2，翼載荷表達式為：k=m/s。在這個式子中，m表示質(zhì)量，s表示面積，根據(jù)計算公式可得出機翼面積為s=17dm2。

翼型升力計算公式為：W=0.5xpxl/2xSxCi中，空氣密度為p=1.22kg/m3能夠得到機翼升力系數(shù)公式，將其帶入?yún)?shù)進行計算可得出：ci=1.12。

根據(jù)一系列公式我們可以看出，CLARK Y翼型有較好的低雷諾數(shù)性能、較大的升力系數(shù)、升阻比，所以選用CLARK Y翼型。CLARK Y翼型在傾角升阻比最大，由此可知其航程最遠、飛行最省能量。

2.CLARK Y翼型設(shè)計

根據(jù)上述計算得到的參數(shù)，采用固定軟件profili軟件進行畫圖，能夠畫出CLARK Y二維圖形，其中單位為mm。

三、 可變結(jié)構(gòu)小型多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)固定方案，在機身的兩側(cè)質(zhì)心延長線上安裝一對固定翼與同步向前傾斜的雙涵道渦扇動力系統(tǒng)。該渦扇轉(zhuǎn)速相同但是轉(zhuǎn)動方向不同，所以只需提供軸向推力，而不產(chǎn)生誘導(dǎo)轉(zhuǎn)矩。對已經(jīng)采用的可傾斜渦扇電機所需的機翼與推動力進行分析，設(shè)計包括實驗樣機。該項目實施過程中，不斷對變結(jié)構(gòu)無人機設(shè)計方案進行探討，在機艙位置安裝自動駕駛艙，內(nèi)部安裝渦扇電機傾角調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)，通過軸承與舵機經(jīng)齒輪與機身相連接的方法，從而推動渦扇能夠向前方不斷前進。

四、機翼單項流固耦合分析

1.問題簡述

可以利用ANSYS去解決單向流固定耦合問題與分析翼的力學(xué)特征和升力。模擬飛行器能夠在常規(guī)飛行過程中機翼狀態(tài)為整體流體采用25度氣體，密度為p=1.22kg/m3、粘度為v=1.83x10-5kg/m.s，速度則為每秒十米，利用攻角為8度進行升力計算。固定翼的材料可以選取為聚乙烯，密度為p=943kg/m3、彈性為E=1.1X109Pa、泊松比為v=0.42。

2.固定翼的單向流固耦合計算

隨著三維模型的建立，整個模型中翼的尺寸為弦長178mm，長度為480mm，其中可導(dǎo)入solidworks軟件模型，利用Enclosure能夠使命令生成更加流暢。在建模完成后可以劃分為多個網(wǎng)格模塊，通過建立相關(guān)網(wǎng)格畫法，利用Genergyate Mesh命令，能夠獲得流體域整體網(wǎng)格與固定翼。在模型中的單元數(shù)為20024個，流暢為16956個單元，隨后進入CFX-Pre潔面后，可以設(shè)置多個類型，利用無熱傳遞，可以使得整個模型穩(wěn)定。經(jīng)過CFX計算后可以在處理中可以看到流場計算后的曲線。邊界處所產(chǎn)生的力，能夠看出流場中其固定翼所受到的最大壓力在固定翼的邊緣處，下緣壓力大于上緣壓力，這也是固定翼能夠產(chǎn)生升力的主要原因。通過所獲得的結(jié)果利用連線將Static Structure求解，在求解過程中，suppress能夠劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，不斷加載邊界條件，對固定翼左側(cè)斷面進行約束。與此同時還能夠?qū)FX所獲得壓力加載至耦合邊界FSI上。通過設(shè)置求解內(nèi)容，從而產(chǎn)生支反力與應(yīng)力應(yīng)變等。

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作者簡介

張帥（1982.07.10—），男，籍貫：遼寧，職稱：助教，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。