倾转旋翼无人机过渡姿态气动分析

卢沩宗 钟斌

摘 要：本文设计了一款新型倾转旋翼无人机，既能够垂直起降，又能够快速巡航飞行。使用Pro/e设计了无人机虚拟样机，通过SC/Tetra软件对无人机在倾转状态下螺旋桨不同转速时的气动性能进行了仿真研究，证明该无人机的结构设计的可行性和优越性。

关键词：倾转旋翼无人机；过渡姿态；结构设计；气动分析

倾转旋翼无人机是近年来无人机研究领域兴起的研究热点，类属于垂直起降飞行器范畴。倾转旋翼无人机飞行模式包括直升机飞行模式、空中过渡飞行模式和飞机飞行模式等，其中倾转过渡模式时该无人机极具代表性的一种飞行模式，对无人机的性能考验极大。本文设计了一种新型的无人机结构，并对该无人机的气动性能进行了仿真计算分析，验证了该结构的可行性和高效性。

1 确定设计指标

通过对比国内外现有倾转旋翼无人机设计指标，对无人机主要参数以及技术战术指标

进行确定。该型无人机需要确定的总体参数和技术战术指标包括：有效载荷 、起飞重量 、翼展长度 、巡航速度 ，最大巡航速度 。

表1无人机设计指标参数

参数类型 有效载荷 Wp 起飞重量W0 翼展长度L 巡航速度V 最大速度Vmax

参数大小 1.2Kg 3Kg 1.8m 30m/s 45m/s

无人机三维模型建立Pro/e中无人机结构模型如图1所示。此时无人机旋翼倾转的角度为45°。

图1旋翼倾转45°无人机总体结构图

无人机通过控制四个倾转旋翼的倾转角度和螺旋桨转速、转向，改变无人机的飞行姿态，实现无人机的垂直起降、悬停、前飞、偏转、翻滚等动作。

2 过渡状态气动性能CFD分析计算

倾转旋翼无人机旋翼倾转过渡状态是无人机飞行过程中最关键的飞行状态，本文使用SC/Tetra软件对这种状态进行数值分析研究。

2.1 网格划分

首先对计算域用八分木堆积，对无人机水平方向进行加密。然后插入边界层，边界层第一层高度为2e-5m，增长率为1.1，为确保计算精度，设置8层边界层。

2.2 计算域设置

在Sc tetra中加入流体计算域即模拟空洞实验，以无人机机身长宽作为一个尺寸单位，无人机前部空间为1个机身长度尺寸；后部空间为2个机身长度尺寸；无人机侧面因考虑气流对飞机的升力作用，故将侧面流体域的直径变为机身宽度的2倍，如图2所示。

图2无人机外流场设置

图3无人机旋转域设置

由于需要对无人机螺旋桨转动的状态进行计算，因此对无人机的的螺旋桨设置旋转域。在四个螺旋桨外围添加半径为0.105m，高度为0.15m的旋转区域，如图3所示。对螺旋桨转动区域设置为旋转域，且绕螺旋桨轴旋转。

2.3 边界条件确定

对于本文所研究的流场数值模拟计算，采用的湍流模型为S-A模型。进口边界（inlet）、出口边界（outlet）均设置为自由出入流；侧面圆柱面及机身均为壁面（wall）边界，无人机面（planer）为无滑移壁面，计算域侧面为自由出入流，计算结果收敛条件为1e-4。

2.4 计算结果分析

分别对该无人机在螺旋桨转速为800r/min、2000 r/min、3600 r/min、6000 r/min、8000 r/min时的升力进行计算，得到在不同转速下该无人机获得升力与螺旋桨转速之间的关系曲线如图4所示。

图4不同转速下升力、阻力曲线图

分析图4可以看出，在旋翼倾转角 等于45°时，无人机的升力及阻力都随着转速的增大而增大，此时旋翼拉力一部分提供无人机升力，一部分提供无人机前飞的推力，因此此时无人机的升力、阻力相差不大。当转速达到7000r/min后，无人机的升力与阻力基本相等，最后甚至阻力要大于升力，因此在倾转过程中，无人机旋翼转速不宜过大，否则会影响到无人机的飞行稳定性和高效性。

旋翼不同转速下无人机的纵向截面压强分布如图5所示：

（a） （b）

图5不同旋翼转速下无人机纵向截面压力云图

从图5可以看出，旋翼倾转角度 等于45°时，无人机纵向截面低压区主要集中在无人机的前上方，高压区主要集中在无人机的下后方。随着旋翼转速的增加，无人机纵向截面的高低压区域压力差也逐渐增大，高低压区域的面积也逐渐增大，无人机获得的升力及推力也在逐渐增大。

3结语

本文采用CFD方法对倾转旋翼无人机倾转过渡状态下的气动性能进行了计算。随着旋翼转速的增加，无人机获得的升力明显增大，在旋翼转速增大过程中，过渡状态下无人机升力要大于阻力，但是并不明显，这也是此时无人机飞行不够稳定的原因之一。

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