一种固定翼垂直起降飞行器的设计与制作

叶振环+袁刚+袁得永

摘 要：垂直起降飞行器在起降过程和巡航过程中的性能要求不同，为更好地兼顾两种状态下的性能，文章设计了由两个主涵道风扇和一个前涵道风扇组成三角形动力布局垂直升力部件的垂直起降固定翼无人机，通过风力计测出涵道电机喷出的喷流来调整前涵道风扇电机的转速和两个主涵道风扇电机的倾角以达到与该系统相匹配的输出动力，使固定翼无人机从垂直起降过渡到稳定平飞的一个过程。

关键词：固定翼；垂直起降；涵道式；设计与制作

中图分类号：V275 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0099-02

1 概述

垂直起降飞行器是近年来发展迅速的一类新型航空器，同时具备直升机的垂直起降能力，与固定翼飞机的高速平飞能力，具有较好的经济和军事价值。和有人驾驶飞机相比，垂直起降无人机尺寸及需用功率较小，飞行速度低，故目前动力装置根据适用范围可选用电动力装置或者油动装置提供动力。动力系统决定了目前绝大部分垂直起降无人机属于旋翼类飞行器。按推力的实现方式可将目前具有垂直起降能力的旋翼类飞行器分为推力定向式和推力换向式两大类。其中，推力换向式是目前垂直起降无人机广泛采用的形式，起飞时推力向上，转入水平飞行时推力向前倾转，同时由机翼承担部分或全部升力。目前常见的推力换向类无人机包括倾转旋翼式、倾转机身式、倾转涵道式几种。

2 设计方案

本文设计的垂直起降固定翼飞行器采用三个涵道三角形布局式设计并在其基础上加上二维矢量喷口和舵机连杆机构实现垂直起降。在垂直起降和悬停状态，三个涵道电机满负荷工作，舵机连杆机构控制二位矢量喷口与地面形成90度夹角；在变为固定翼飞行器状态，舵机连杆机构控制二位矢量喷口与地面形成的夹角逐渐变为180度，同时放置在机头前的涵道电机转速逐渐减少，直至该涵道电机没有推力输出。在此状态下動力由两个置于机翼下方的涵道电机提供，能耗相对较小，并具有较高的飞行速度和较大的飞行半径。

2.1 飞行器的总体设计方案

飞行器主要由机翼、机身、动力装置、起落架、副翼构成。整机机翼采用三角翼、双垂尾、三发动机布局方案。如图1所示，三个发动机分别布置于机头前端，和机翼下方左侧和右侧。涵道2和涵道3气流喷口处采用二维矢量喷口技术，以控制气流方向，达到垂直起降顺利过渡到平飞状态。其中二维矢量喷口的角度控制采用舵机以及一套简单的连杆机构，使喷口在二维空间内能在0～120度范围内转动，以控制飞机起降或者仰附等姿态。

机身设计采用翼身融合设计，加之双垂尾使得飞机本身有良好的气动布局，加强飞机本身的抗风性能。机翼采用三角翼设计，减少了飞机在平飞状态时的空气阻力，降低了在这个过程中的能量损耗，同时也增加了飞机在此过程中的滞空时间。在机翼左右侧分别设计了两片副翼，用舵机控制以调整飞机的姿态，并通过副翼的升降控制飞机转向。图2为solidworks 3D设计渲染图。

由于机身较轻，为了加强机身强度，在设计中采用加强梁结构。同时，在考虑到零件组装过程简单化，设计中加入了榫卯结构。如图3所示。

2.2 起落架设计

人造飞行器都有离地升空的过程，飞行器需要起落架在飞机停放、滑行、起飞、着陆、滑跑时用于支撑飞机重力，承受相应载荷。本设计采用目前航模普遍的起落器收放技术，即用舵机驱动起落架收放。飞机飞行时将起落架收到机翼或机身之内，以期获得良好的气动性能，飞机着陆时再将起落架放下来。

2.3 二维矢量喷口设计

如图5所示，二维矢量喷口由以下部分组成：舵机、推杆1、推杆2、辅助推杆、气流喷口。在初始状态，气流喷口与地面夹角为0度，在切换垂直起降状态时舵机驱动舵盘向X正半轴旋转推动连杆机构使气流喷口与地面成90度夹角。启动发动机后，通过桨叶高速旋转将飞行器托到安全高度。此时通过旋转遥控器上的旋钮，从而控制舵机旋转，使舵盘居中，继而控制气流喷口与地面平行。与此同时，由于舵机的旋转的扭矩旋转电位器，调节电位器的阻值使得控制置于机头上的电机的转速逐渐减少，直至该电机产生的推力为零。这个过程结束后即顺利完成垂直起飞和过渡飞行过程。飞机顺利由垂直起降转变为固定翼状态，置于机翼下方的两个涵道电机满负荷工作，为飞机提供平飞时的推力，让飞行器实现高速巡航。在此过程中若想实现悬停状态、降落、大仰角爬升、大仰角俯冲都可以通过舵机控制气流喷口的角度和加上副翼的配合来实现。

2.4 控制部分的设计

选择六通道的2.4G无线遥控器作为飞行器的控制模块。遥控器可控制舵机转动的角度和电机的转速，通过这两部分的组合即可控制飞行器完成基本功能。控制示意图如图6所示，由2.4G无线遥控器发出控制命令，接收机接收到命令后向飞控传输电信号以达到控制飞行器的目的。飞控作为整个飞行器的控制核心，分别控制4个舵机和三个涵道电机。

3 材料选择与制作

考虑到飞行器的经济性和易操作性，选择了轻质KT板作为飞行器的机身及翼面制作材料。结构方面，使用质量轻硬度高的碳杆作为机翼的横梁，其中翼梁和相关零部件采用3D打印制作。在电机选型方面，由于涵道扇叶小，要产生足够强大的推力的话就要求电机的转速要高。因此选用3500kV无刷电机作为涵道电机。由于二维矢量喷口的制作对舵机的稳定性和拉力要求较高，所以我们选用9g金属舵机。

虽然具有垂直起降功能，但是为了迎合在不同场合下不同的起降方式，在起落架的选材上仍然要求其具有高强度。起落架采用硬度较大的钢丝，具有一定的减震性。轮胎外侧包裹一层厚海绵，使飞机在以固定翼方式降落时能具有良好的减震性能。

4 结束语

本文通过分析目前的垂直起降飞行器的现状，提出了采用两个主涵道风扇和一个前涵道风扇组成三角形动力布局垂直升力部件的垂直起降固定翼无人机总体设计方案，并就起落架、二维矢量喷管、控制系统等主要模块进行了分析设计。最后对无人机的制作材料和要求进行了阐述。

参考文献：

[1]王冠林.垂直起降无人机总体方案及控制策略综合研究[D].北京：北京航空航天大学，2006.

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[4]David L K. Introduction to V/STOL airplanes[M].Iowa State University Press，1981.