涵道无人机的结构设计

戴铭泽 任正豪 黄思远 伊楠

摘 要：现如今涵道无人机的研发和发展备受注目，但是与之相对应的气动、结构等理论和方法还都有待深入化的研究，涵道式飞行器尚有极大的研发空间。涵道无人机是以涵道为飞行器主体的、涵道内装有旋翼或螺旋桨装置的一类新型结构的飞行器。该飞行器可以垂直起降，也可悬停航行。该飞行器结构和气动方面的设计独具特色，本文对此进行了系统的描述和综合的分析。并围绕目前涵道无人机仍存在的问题提出了见解。且对涵道无人机的未来发展进行了展望。

关键词：涵道无人机 结构设计 空气动力学

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0015-02

涵道式无人机，为涵道式单旋翼无人机的简称，是以涵道为飞行器主体的，涵道内装有旋翼或螺旋桨装置的一类新型结构的飞行器。该飛行器可以垂直起降，也可悬停航行。相比较于传统形式的旋翼无人机，涵道无人机具备优势如下：

（1）低空、低速、耐低温。

（2）可空中悬停。

（3）超大外载。

（4）自主导航。

（5）随机起降。

（6）噪音低，隐蔽性更好。

1 涵道无人机总体布局和结构特点

1.1 涵道无人机的总体布局

涵道无人机由涵道主体、尾部导流板和螺旋桨三大部分的构造共同组成。本文以i-STAR为代表进行介绍，如图1所示。该机体可大致划分为上部中间体、下部中间体、涵道壳体和起落架四部分构造。上部中间体是圆柱形外形的机体撑持构造，内部包含活塞式发动机、螺旋桨及有效载荷等。发动机使用OS-32SX引擎。螺旋桨是直接由发动机驱动的定距桨。由8个固定翼板将下部中间体稳固于涵道中间，下部中间体内安装了传感器板。经过固定翼板中的导线将数据传递给位于涵道壳体中的管制计算机。涵道外径宽为228mm，其腔体具备充足的空间，油箱、变压器、电池、飞控计算机、伺服电机和指令接收器都安装于涵道壳体内。涵道的内部为8个固定片，固定片会具有一定的转角以使经过气流产生反转的运动，克服发动机产生的转矩。固定片下方装有的控制翼能够产生不同航行方式所需的力矩。其他种类的涵道无人机结构与上述形式相近，不过会有不同的涵道构造、转矩对消的方式和姿态控制机构。

1.2 涵道结构的设计技术

涵道作为一种可类比于环形的机翼在低空速下增加了推动力。且在各种航行倾角都能够提供气动升力。并且将飞行器升力系统和推进系统联结了起来。涵道式旋翼除了有与普通旋翼一样产生的拉力外，涵道内壁也会产生附加的升力。孤立的螺旋桨会因产生滑流损耗很大一部分的功率，但是涵道内壁可将有损耗的滑流也转换成推动力。这也是螺旋桨的效率小于等同直径的涵道风扇的效率的缘由之一。

涵道升力系统的效率是涵道气动构造决定的，欲提高涵道无人机的气动效率需关注以下结构参数：（1）螺旋桨的桨盘面积与涵道出口面积之比；（2）涵道剖面翼型的抉择；（3）涵道截面的长与宽之比。

螺旋桨位于涵道内壁入口的1/3处的时候，涵道产生的升力为最大值。通过缩小螺旋桨的桨盘与涵道内壁的间距能够用来增加涵道的增升效率，因此涵道飞行器应选择与涵道内壁直径尺寸比较接近的螺旋桨。

1.3 动力系统的选择

实验数据表明，3kg以上的涵道无人机的主要动力装置应选择燃油发动机。主要原因为燃油发动机具有较高的功重比的优点。而燃油发动机排放热空气、噪音大、易被侦查设备发现的缺点也可以通过涵道的构造实现优化或应用其它措施加以改进。但需要考虑以下3点。

（1）飞行器质心会因燃油的耗费而发生偏移，所以设计时应尽量减小因燃料量变化对质心的影响。

（2）活塞发动机发出噪音大，应采取降噪的构造。

（3）应将废气进行降温处理后再排放。

1kg以下的微型飞行器的动力装置多数采用电机，且一般用拖缆进行供电。

1.4 涵道无人机转矩平衡方式

涵道无人机平衡螺旋桨旋转产生转矩的两种主要方式如下：

（1）共轴双桨对转。为抵消螺旋桨旋转产生的转矩，采用了共轴的双旋翼等速对转来相互抵消，一般需要复杂的传动构造或者应用两套动力系统来完成双旋翼的对转。

（2）单旋翼加导流翼板。在涵道尾部出口安置数片导流翼板（见图2），翼板与下洗气流间有一定的攻角，故飞行过程中翼片会产生一定的力矩来抵消螺旋桨产生的转矩。

因为轴双桨构造比较复杂，而单旋翼加导流翼板的方式构造简单且容易实现，所以如今涵道式无人机多数采用单旋翼加导流翼板的方式。

1.5 涵道无人机姿态控制

涵道无人机具备6个航行的自由度，为s、y、z轴三个方向的运动和围绕此三轴的转动。

通过旋转斜盘来控制航行姿态在实际应用中使用较少。多数为利用翼片（导流板）来控制航行姿态。主要由涵道风扇来提供升力。运用涵道下洗流对固定或可调翼板的作用力来实现姿态的控制和周向转矩的抵消。故可悬停，也可近似地高速度水平航行，如图3所示。

2 涵道无人机结构设计上存在的问题

（1）仍有部分涵道风扇技术问题。例如：作为飞行器主体的涵道风扇的构造特点、在低速大攻角情况微小型的涵道风扇的气动特性理论等，至今均还没有成熟的理论和牢靠的论断。

（2）涵道式飞行器会在涵道本体的尾部安装有姿态控制组件，其构造的组合方法有很多种；处于涵道与姿控组件复合流场中会有舵片，飞行器灵活机动的关键就在于其组合的气动性能的好坏，故如何克服并解决此类技术问题依然是涵道无人机研究范畴的重点内容。

3 结语

涵道无人机拥有多种独特的优势。所以现如今的研发和发展备受注目，但是与之相对应的气动、结构等理论和方法还都有待深入化的研究涵道式飞行器尚有极大地研发空间。涵道无人机亦可作为开发平台，通过与其他各种机械结构进行组合而开发出新型产品。随着研究深入化，在不远的将来以涵道式无人机为主体的相关产品必将得到大力推崇。

参考文献

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