一种多功能低空固定翼无人飞行器

李云飞

摘 要：近年来，我国低空空域开放政策秉承“最大程度利用，最小程度限制”的理念，允许私人飞机不需军方批准即可在一千米以下的空域飞行，至此，低空无人飞行器，势必将成为研究热点。本研究适当依托较为先进的飞行器设计技术、结构总体优化技术，充分采用新材料和现有成熟技术，设计了一款“小型多功能低空固定翼无人飞行器”，既能承担通用航空航拍、广告、气象探测等常规任务，又能完成电子干扰、靶机、诱敌、空中布雷等军用航空简单任务。

关键词：多功能;气动布局;靶机悬停;隐身悬停

1 设计理念

“一种小型多功能低空固定翼无人飞行器”，以“多功能”和“微型”为目标，既能承担通用航空的赋予的常规任务，又能满足军用航空提出的简单要求。为了实现“微型化”和“轻量化”的设计目标，在设计时突破传统思维定势，恪守“结构尽量简单，系统高度集成，新型材料首选，军用民用兼顾”设计原则，充分采用新材料和现有成熟技术，适当依托较为先进的飞行器设计技术、结构总体优化技术，拓宽视野，精心设计一款多功能、高效能、低成本、应用广的小型无人飞行器。

2 作品简介

“一种小型多功能低空固定翼无人飞行器”，采用中等展弦比下单翼与水滴形笼式机身融合而成，在机翼翼尖采用翼稍帆片设计，尾翼采用高水平尾翼双垂尾布局;整个飞机采用隐身外形设计，下翼面喷涂吸波油漆;上翼面敷设高效太阳能电池板，动力装置采用前拉后推的双动力、双能源模式;起落架采用带有机械减振装置的固定式后三点方式。根据所担负任务的不同，飞机可选用机翼升力飞行和氦气球浮力悬停两种工作模式。飞机的放飞分滑跑起飞与机载投放两种方式;回收方式分水平滑跑回收与浮力垂直回收两种方式。“一种小型多功能低空固定翼无人飞行器”技术数据：翼展：900mm;展弦比：2.14;机长：810mm;正常起飞重量：6kg;翼载荷：20kg/m2;最大飞行速度：120km/h;巡航速度：90km/h;最大升限：4km;悬停时间：4小时以上（3级风力以下）;续航时间：25分钟（机载电池）;45分钟（太阳能电池）。

（1）气动布局。为了突出飞机的低速性能和、高升阻比，采用流线型机身与中等展弦比梯形机翼以下单翼的方式融合，尾翼采用雙垂尾形式。为了隐身，飞机在外形上做了以下设计：在全机各面之间不出现直角，不产生直角反射[1]，利于减小飞机的RCS。机翼及水平尾翼前缘后掠35°，机翼及水平尾翼后缘前掠35°;机翼采用下单翼设计，下表面与机身底部融合成一个平面。机体下方除起落架外，没有其他外挂，设备舱门前后方向的边缘为锯齿形。机翼中翼采用升阻性能好的NACA230翼型，外翼采用失速性能好的NACA44翼型，外翼上反8°。右翼翼尖前部安装有全、静压管（空速管）。机翼端部采用翼稍翻片设计，可以利用侧风提供推力，也可将翼尖的来流“梳理”成均匀的气流，将集中的翼尖涡流分割的更加细小[2]。翼稍帆片的几何参数：长度50mm;根弦弦长16mm;稍弦弦长8mm;翼稍帆片翼型：NACA63012翼型;扭角：15°;帆片与翼尖弦线的上反角（自前往后）依次为30°、15°、0°。安装翼稍帆片，降低了翼尖处的旋涡阻力，全机诱导阻力约降低29%，升阻比可提高25%。

（2）飞机遥控通道设计。全机遥控通道分为运动遥控通道与任务遥控通道两大类，共计以下11个遥控通道。飞机的运动与任务指令由地面遥控器发给机上接收天线，经过CPU最后传给相应的舵机，从而控制飞机的运动和执行预期的任务。

（3）动力与能源系统设计。前发动机：电机选用4250kv780电机，搭配14.8v电池;螺旋桨选用14×7固定距双叶弹性复合材料螺旋桨，提供拉力3kg。后发动机：由钛太阳能电池阵列供电[5]。电机选用B20-15-8型无刷太阳能电机;螺旋桨选用11×7固定距双叶弹性复合材料螺旋桨，提供拉力2kg。

（4）悬停系统。隐身悬停：当执行侦察类任务时，释放隐身轻质氦气球。隐身轻质氦气球表面喷涂一层灰黑色吸波涂层[3]，以减小RCS。悬停系统的核心控制部件是膜盒组件，膜盒是密封的，随着外界气压的下降而伸长。膜盒组件的工作原理是，当飞机高度低于规定高度时，膜盒收缩，将电磁充气阀控制电路接通，高压氦气瓶中的气体充入隐身氦气球，随着氦气球体积的增大，升力逐渐增大，飞机高度逐渐上升，当到达规定高度时，膜盒膨胀使电磁阀控制电路断开，隐身氦气球停止充气，飞机便悬停在规定高度;当飞机高度下降时，膜盒收缩，将电磁充气阀控制电路接通，再次给隐身氦气球充气，使飞机上升到规定高度。靶机悬停：当执行靶机、诱敌类任务时，释放靶机轻质氦气球。靶机轻质氦气球的表面镀有一层亮光金属薄膜，且布满顶角为直角三棱锥的小坑将雷达反射波原路反射回去，以增大RCS[4]。膜盒组件工作原理同隐身悬停。

（5）飞机的回收。飞机的回收方式分水平滑跑回收与浮力垂直回收两种。当有开阔平坦的道面场地可供使用时，宜采用水平滑跑回收方式;当回收场地狭小或不平整时，宜采用浮力垂直回收方式。

3 创新设计

（1）隐身设计。①气动隐身。在全机各面之间无直角;机翼下表面与机身底部融合为一个平面;机体下方除了起落架外，没有其他外挂，设备舱口前后方向的边缘为锯齿形，以上设计均有效减小了飞机的RCS。②材料隐身。除了机身承力梁外，全机其余承力部件及蒙皮材料均为轻质高强度复合隐身材料。③涂料隐身。在机翼、水平尾翼下表面、机身表面均喷涂吸波油漆，隐身氦气球表面也喷涂吸波涂层。

（2）氦气球浮力悬停系统设计。遥控操纵飞机由飞行状态进入悬停状态;飞机高度在膜盒装置的控制下能够自动调整，确保飞机在预订的高度上工作;飞机悬停任务结束后，投放氦气球使飞机转入飞行状态。

（3）翼稍帆片设计。在机翼翼尖处设计三片翼稍帆片，改善翼尖流场，使全机诱导阻力约降低29%，升阻比可提高25%。

（4）双能源、双动力设计。双动力可以提高飞机的飞行性能和可靠性，可以根据具体情况灵活使用电能或太阳能能源。①前发动机牵引。位于机头的前发动机由机载电池供电，产生向前的牵引力，发动机只能单向旋转。②后发动机推进。位于机身尾部的后发动机由太阳能电池供电，既可产生向前的推力，也可产生着陆滑跑时所需的向后的制动力，发动机可以双向旋转。

（5）双放飞方式设计。①滑跑起飞。从地面场地自行滑跑起飞升空，此时前、后发动机同时工作。②机载空投。由其他飞机挂载飞行到预定高度后，在空中投放。打开发动机使飞机进入飞行或悬停状态。

（6）双回收方式设计。①水平滑行回收。飞机在地面遥控下在跑道上着陆滑行，然后回收。②垂直浮力回收。飞机在地面遥控下在回收场地释放机载氦气球，沿垂直方向缓慢下降到地面，然后回收。

（7）空中布雷。将自带旋翼和电池的微型空雷投放到敌机飞行区域并浮空，损伤飞行中的敌机。当我机飞入该空域前，由地面通过“布雷遥控通道”发出指令，关闭所有浮空状态空雷的旋翼，空雷在自重作用下自由落体，“自净”空域。

4 结语

低空无人机是近年来科学研究和市场消费的一个热点，在四轴飞行器的研究与应用越来广泛的背景下，与之对应的固定翼无人机似乎相对较少。本设计，一种多功能低空固定翼无人飞行器，通过良好的气动布局，突出的隐身设计，创新的悬停方式以及独具特色的“空中布雷”功能，实现了固定翼无人机“轻量化”和“多功能”的设计目标，填补了市场空白，也为同类飞行器设计提供了参考和借鉴。

参考文献：

[1]蔺国民.军用飞机外形隐身技术研究[J].国际航空航天科学，2014，6，2：26-33.

[2]孙宗祥，唐志共，陈喜兰，钟萍，刘晓波.X-37B的发展现状及空气動力技术综述[J].实验流体力学，2015，29（01）：1-14+24.

[3]肖志河，高超，白杨，袁晓峰.飞行器雷达隐身测试评估技术及发展[J].北京航空航天大学学报，2015，41（10）：1873-1879.

[4]高超，巢增明，袁晓峰，白杨.飞行器RCS近场测试技术研究进展与工程应用[J].航空学报，2016，37（03）：749-760.

[5]成珂，王忠伟，周洲.太阳能飞机工作条件对太阳能电池性能的影响[J].西北工业大学学报，2012，30（04）：535-540.