“云燕”可变翼货运无人机

郑州航空工业管理学院

为解决山区物流需求，本文提出“云燕”可变翼货运无人机总体设计方案。该无人机在低速起降时，使用大缝道三翼布局，升力系数为单翼的2.4倍，缩短了起降距离；巡航时三翼收缩合并，切换为传统单翼布局，保证了飞行效率。同时采用大容量货舱和双尾撑结构，提高了货物装载效率和飞行稳定性，可为山区末端物流应用提供参考。

2018年，中共中央、国务院印发了《乡村振兴战略规划（2018－2022年）》。规划指出，要积极培育新产业、新业态，深入实施电子商务进农村综合示范，建设具有广泛性的农村电子商务发展基础设施，加快构建农村物流基础设施骨干网络，鼓励商贸、邮政、快递、供销、运输等企业在农村地区扩大设施网络布局。加快完善农村物流基础设施末端网络，逐步完善以农村物流枢纽站场为基础，以县、乡、村三级物流节点为支撑的农村物流基础设施网络体系。山区农村经济具有规模分散、物流成本高、运输安全性要求高等特点，建设针对性的物流配送服务体系是现实需求。

作为新型运输工具，无人机为山区物流提供了一种可行性解决方案。2019年7月，百余架无人机参与松茸“第一公里”运输，用高科技为四川甘孜藏族自治州的特产松茸出山提速。无人机可直接搭载货物从无陆运条件的山头运往有道路的无人机机场，单程仅需30min，与传统运输方式相比，运输效率提升4倍，改变了甘孜菌农“摸黑上山采松茸，下午背松茸下山，来回半天”的低效又危险的局面。

河南省包括太行山、崤山、桐柏山和大别山等山区，河南省人民政府网站信息显示，山区面积约占全省总面积的44%。山区有天麻、石斛、茶叶、何首乌等高价值农作物和中草药。研制适合山区环境的货运无人机具有重要应用价值。

货运无人机构型与特点

常规固定翼作为最常见的布局形式，得到广泛关注，最常见的传统固定翼无人机由机身、机翼、平尾、单垂尾等组成，其特点是技术成熟、可靠性高、研发周期较短。多旋翼无人机结构相对简单，但巡航升阻比较低。在山区运营的货运无人机，其性能和有人机有较大区别，需满足以下要求。

第一，山区不宜修建专用机场跑道，可对简易空地进行适当改造供无人机起降，同时要求无人机具备垂直起降或超短距起降特性，是较为合适的解决方案；

第二，为防止起降场地上人员和杂物对无人机发动机系统、螺旋桨的侵入和干扰，可考虑将动力装置部件进行包裹；

第三，为提高运输效率，研制有别于常规有人机或多旋翼无人机的货舱非常必要。直接将货物挂载于腹部，飞行阻力大，且有脱落风险；多旋翼无人机一般在机身中央位置设置货舱，但货舱体积与旋翼尺寸有关。

总体来看，目前多旋翼无人机的优势在于可垂直起降，缺点是巡航升阻比较低。为提高无人机巡航升阻比，并兼顾短距起降需求，本文提出“云燕”可变翼货运无人机。

外形与设计指标

“云燕”无人机概念图及其起飞过程示意图，详见图1和图2。该无人机的突出特点是，采用了可变翼布局设计，即飞行时机翼可在三翼与常规单翼之间切换，如图3所示。此外，使用了高装载效率机身和双尾撑结构。保证巡航速度和飞行稳定性的同时，缩短了起降距离。设计最大起飞重量65kg，最大任务载荷重量30kg，航程140km，起降距离不超过常规固定翼无人机的40%。

图1 “云燕”货运无人机概念图。

图2 “云燕”货运无人机起飞过程示意图。

图3 大缝道多段翼在合并（上）和展开（下）状态的外形。

无人机创新设计

基于大缝道多段翼的可变翼布局设计

可变翼的三段翼型和整体翼型均选用通航飞机常用的GA(W)-1翼型。使用数值模拟方法分析不同翼间参数 G1，G2和翼间夹角θ(见图4)下机翼的气动特性。计算软件为 ANSYS FLUENT，计算时使用二阶迎风差分格式离散控制方程;针对低速不可压来流，使用压力和 速度耦合的 SIMPLE 算法。已有研究表明，S-A 模型较适合用于增升装置的计算，低速条件 时多段翼流场结构与增升装置有一定相似性，因此使用 S-A 湍流模型。

图4 大缝道多段翼翼间参数。

针对典型算例Ma=0.2，Re= 9 ×106，θ= 30°，由疏到密设计了4套网格，第3 套和第4 套计算升力系数和阻力系数相对误差分别为 0.2%和 1.0%，可认为第 3 套网格(总规模 33 万)满足收敛要求，以其作为后续网格划分和计算基础。

图5 不同迎角时升力系数随夹角变化的曲线。

图6 翼型流场压力等值线分布。

图7 不同机翼间距下翼型流场压力等值线分布。

图8 “云燕”货运无人机机身和货舱舱门。

图5给出了不同迎角时升力系数随夹角的变化曲线。可见，在三种迎角下，升力系数CL随翼间夹角θ的变化趋势一致，最大值均在θ=20°附近。升力系数随机翼间距参数G1和G2的变化趋势与翼间夹角类似，不再赘述。

和机翼间距时，机翼绕流流场压力分布的对比。对比图5～7可知，当翼间参数合适时，第1段翼和第2段翼将产生有利干扰，翼面上下翼面压差变大，此时机翼整体气动特性最优。设计时选取最优值对应的翼间参数作为巡航飞行时的锁定状态。

高装载率机身和双尾撑结构设计

为提高机身装载率，使用接近长方形的机身，并做倒圆角处理。借鉴大型运输机设计技术，在机头部设立舱门，便于货物装卸。考虑到常规机身后端有较大收缩过渡段，空间利用率不高，采用了小长细比机身，搭配双尾撑设计方案，形成结构的闭环系统，提升机身有效装载空间，使气动和操稳特性体现出一定优势。该布局还将螺旋桨包裹在双尾撑之间，提高无人机地面滑跑时的安全性。

设计方案优化

“云燕”可变翼货运无人机总体设计方案后续将围绕两方面进行改进。

（1）机身气动外形和机身装载率的多目标优化

圆柱形机身气动阻力小，而长方形机身装载率高，两者之间存在最优外形，多目标优化设计是一种有效解决方案；

（2）地面装卸和操作流程优化

对地面人员操作流程、货舱分区及货物放置位置等进行优化，尽可能减小货物重量和尺寸对无人机重心的影响，并提高地面人员操作效率。