可矢量控制姿态的旋翼机设计

谢良伟 杨哲毅 盛涛 肖刘鑫

摘 要：旋翼机是一种通过螺旋桨驱动，并利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器。本文采用一种矢量控制结构，通过对旋翼机旋翼角度与舵面相互作用的研究，设计一套具备矢量控制能力的旋翼控制装置与旋翼机，最终实现旋翼机在转弯时具有更好的飞行稳定性。

关键词：旋翼机；矢量控制；飞行稳定性

自转旋翼飞行器（以下简称旋翼机）是一种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推/拉力或其它供能方式为前进动力的旋翼类飞行器。旋翼机的旋翼在前方气流的作用下保持自转，当发动机出现问题造成空中停车，旋翼自转任可使它安全着陆，具有良好的低空、低速性能和安全性，随着起降和飞行性能的稳定性不断提高，近十几年来该类飞行器再次成为航空领域关注的热点。

本文主要设计能更好的保证飞机在空中转弯时具有良好稳定性的一架模型旋翼机，使旋翼机在转弯时不至于发生较大振动及调节难度较大的现象，具有更好的稳定性。

一、总体参数确定

旋翼机采用面对称的基本布局形式：主要由旋翼、螺旋桨、带短翼机体、平尾、双垂尾、起落架、发动机、带离合器的传动机构等主要部件组成，旋翼机三维实体图如图1：

旋翼机主要技术参数如下：

正常起飞重量：500g；

旋翼半径：400mm；

螺旋桨半径：90mm；

机身长宽高： 520 /340 / 420（mm）；

机身离地高度：空机状态 20mm、起飞状态 15mm；

起落架：前后轮距 330mm、左右主轮距 280mm；

平尾：NACA4412翼型，长宽为100*60*2（mm）；

大垂尾：NACA0012 翼型，长高为 85*110（mm）（其中舵面为 40*110）；

小垂尾：NACA0012翼型，长高为 50*60（mm），展弦比为 1.2。

旋翼机的旋翼气动原理与直升机的相似，参照直升机空气动力学和飞行动力学原理设计旋翼机，结合matlab软件进行计算分析。

自转旋翼机桨叶片数，旋翼机桨叶片数k暂取为3，三叶的效率更好。自转旋翼机旋翼实度，Vmax随实度δ的减小而减小，低速飞行时需用功率减小，可用功率增加；实度δ大对飞机跳飞有利，降低对预转速度的要求。

自转旋翼机桨盘载荷，旋翼机桨盘载荷p对前飞最大速度Vmax影响很小，但对最小速度Vmin影响很大，p减小，Vmin减小，也使经济速度、有利速度增大。

自转旋翼机旋翼总距角，一般是固定的，采用总距角为4°。

二、旋翼机机翼的布置

对于小型无人旋翼机，若通过增加机翼使起飞速度降低、巡航速度变大。取5m/s的巡航速度时，机翼大概承担60%的升力，对于飞行速度为5m/s，计算雷诺数Re，利用Profili软件选择合适的机翼翼型，旋翼尺寸：40*395mm（直径约800mm）。如图2所示，旋翼与桨盘连接处采用保险连杆连接，防止飞机起飞过程中由于侧翻破坏机翼，起到保护机翼的作用。

三、尾面布置及参数选择

本文旋翼机采用固定平尾，旋翼机和直升机的平尾具有增加全机的纵向稳定性和速度稳定性的作用，可以选用直升机的统计数据来初步确定平尾面积。如图3所示，初步选择平尾面积为0.012m2。平尾气动力中心距重心0.35m。

垂尾能增加航向稳定性。如果安装允许、旋翼后倒不会发生碰撞，垂尾面积尽量取大一些。如图4所示，垂尾安定面面积选择0.00935m2，方向舵面积为0.0044m2。

四、总体布置设计

整机尺寸520*340*420mm（长、宽、高），旋翼机桨叶片数k取为3螺旋桨后置，杆身主横杆为碳纤管，机身架构为椴木层板，采用前三点式起落架，主轮位于重心之后，小尾轮位于机身最后端，平尾略比垂尾靠前。旋翼头为尼龙材料。起落架为直径2mm钢丝，三点支撑，三个9g舵机，在机身处加装小翼，通过对小翼的机动控制，达到减小由于飞机在转弯过程中由于力矩耦合作用出现的不稳定。

如图5所示，将普通的旋翼机电机换成矢量电机，通过控制电机的角度达到提高转弯稳定性的目的。

五、总结

本文设计的旋翼机创新点包括有：

采用方形碳杆作为机身龙骨，增大与各部件的接触面积，提高稳定性与安全度，并因此解决了圆形碳杆不易安装的问题。将前轮与碳杆的连接结构结合伞夹进行改进，使之能够灵活地拆装更换，减少了钻孔连接的步骤，保护了碳杆的整体稳固性。

机身两侧的小翼。在转弯时，它们能够提供一个力矩，平衡旋翼作用在机身上的力矩，使之实现无侧倾转弯；在起飞过程中，还能提供一部分升力，缩短滑跑距离；在巡航过程中，类似于平衡杆，能起到提高飞机稳定性的作用。

参考文献：

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作者简介：

谢良伟（1995-），男，本科，飞行器制造工程。