“斑鸠”可重构布局单兵无人机

王晓璐，李卓远，杨浩男

1.郑州航空工业管理学院

2.西北工业大学

为满足战场环境对侦察、任务载荷投放和攻击等多种需求，本文提出“斑鸠”可重构布局单兵无人机总体设计方案。该无人机由2副机翼，1套机身和1台动力装置等部件组成，收纳到便携式箱体后可由单人携带，经快速组装后成为快速型和长航时型2种机型。该机具有垂直起降、一机多用、性价比高等特点，可为单兵无人机设计人员提供参考。

智能化、动力及材料制造等技术不断进步，单兵便携式无人机正逐渐装备至连排级部队。其翼展一般小于2m，最大起飞重量一般小于25kg，其构型可分为固定翼、多旋翼、复合翼和倾转旋翼等类型，常见起飞方式为手抛发射、管式发射和垂直起飞等。动力系统一般使用充电电池和轻型电动机，可根据任务种类搭载不同任务载荷。

典型单兵无人机包括美国“指针”（Point）、“大乌鸦”（Raven）、“龙眼”（DragonEye）、“弹簧刀”（Switchblade）和“小牛”（Maveric），以色列“雀眼”（BirdEye）、“罗特姆”（Rotem）和“天石”（Skylite）等机型。

在飞机设计领域，比伦巴赫（Birrenbach）以支线客机为对象，提出利用模块化设计，采用同一副机翼，提供不同机体方案，由此减小研发、制造和维护成本。有学者借鉴机电产品的研发经验，将模块化和通用性概念引入飞机设计流程，提出飞机族总体设计方案和框架。

可重构（Reconfigurable）概念类似于机电产品的模块化设计理念，它以通用平台为基础，增加可更换的专用模块。在执行任务的维护期间，更换专有部件后实现无人机布局重构，形成可搭载不同任务载荷、满足不同任务要求的无人机，从而降低生产、使用和维护成本，提升任务执行的机动性。

2012年，美国国防预研局（DARPA）资助洛克希德-马丁（Lockheed Martin）公司和派塞克飞机（Piasecki Aircraft）公司开展“空中可重构嵌入 式 系 统”（Aerial Reconfigurable Embedded System）项目，目标是研制一种用于物资运输、投放的垂直起降无人机。后因预算超标，该项目于2019年被取消。

一些国外学者提出一种可重构布局、尾座式无人机设计方案，使用对转电机提供推力矢量驱动螺旋桨旋转，无人机垂直起降时，机翼处于小展弦比折叠状态，升空后旋翼轴旋转90°，同时机翼通过四连杆机构展开为大展弦比外形。

本文借鉴上述思路，从可重构布局设计出发，提出一种新颖的单兵无人机设计方案。

外形与设计指标

“斑鸠”可重构布局单兵无人机具有2种布局，对应2副机翼，如图1所示。其中，1副为小后掠角大展弦比，详见图1（a）左图，1副为中等后掠角中等展弦比，见图1（a）右图，可根据不同任务进行选择。这2种布局的机身、电池和螺旋桨均相同。图2为2种布局的设计任务剖面。

图1 “斑鸠”无人机两种姿态下布局形式。

图2 “斑鸠”无人机的设计任务剖面。

快速型和长航时型2种布局的设计航程分别为80km和120km，巡航速度分别为22m/s和15m/s，最大起飞重量均为8.7kg，最大任务载荷重量也是1.1kg，均具备垂直起降能力。无人机使用倾转旋翼系统，起降时旋翼轴垂直于地面见图1（a），平飞时向前旋转90°，此时旋翼轴为水平方向，见图1（b）。

总体设计方案

翼型选择和机翼设计

翼型应选择具有较高升阻比（L/D）和较小俯仰力矩系数的翼型。由于该无人机采用翼身融合布局，对于常规布局中尾翼提供负升力抵消机翼产生俯仰力矩的功能，该机无法实现。

快速型布局可选用俯仰力矩系数为正的S型翼型实现俯仰稳定；而长航时型选用S型翼型，普遍无法满足升阻比设计要求，考虑到倾转旋翼系统在平飞姿态时可提供升力和拉力，故长航时型可参考鸭式布局，由前部倾转旋翼系统提供配平力矩，机翼翼型可选用升阻比较大的平凸翼型。

图3给出了低速无黏状态下，4种常用翼型如S型翼型EPPLER 637和MH 78，以及高升力翼型NACA 4412、CLARK Y的升阻比和俯仰力矩系数曲线。

图3 4种翼型气动特性曲线对比。

由图3可见，MH 78翼型具有较好俯仰稳定性，EPPLER 637翼型的升力线斜率小于NACA 4412翼型，但其俯仰力矩系数较高，更适用于翼身融合布局。综上分析，快速型选用MH 78翼型，长航时型选用EPPLER 637翼型。

根据设计经验确定机翼平面形状，快速型和长航时型的前缘后掠角分别取30°和12.5°，展弦比为4.6和10，翼展为1.5m和2.5m。“斑鸠”无人机在翼身融合布局基础上，增加了翼梢小翼，以弥补航向稳定性的不足，小翼翼型为NACA 0012。

机身设计

图4 机身最大截面形状。

机身作为无人机的重要部件之一，主要连接机翼、尾翼、起落架等部件，并挂装任务载荷。大多数翼身融合布局无人机无明确的机身设计，其机身多与机翼融为一体，有效提升了气动性能，但其机身内部空间较为狭小，无法放置体积较大的任务载荷。本文从模块化特性及任务载荷容积需求出发，开展机身设计。由于无需考虑尾翼力臂需求，机身有效装载长度大于传统机身；此外采用三轴推力矢量系统，机身后部需延长一小段距离，用于设置尾部电机梁，并使用较小截面来承载电机，参考同类型无人机，机长定为0.96m，不含尾部电机梁，考虑螺旋桨半径，尾部电机梁长度定为0.14m，综合考虑无人机机长为1.1m，已含尾部电机梁。

为保证无人机在一定容积的条件下表面积最小，机身截面设计应更接近圆形，此外还应考虑内部空间高效利用率，以及内部设备布置状况。该型无人机通常执行急救物品投放或侦察任务，其机身内部需考虑侦察设备的布置及急救物品尺寸，高度应与其相近。另外还要布置飞控系统和电池等设备，机身直径可按最大高度设计。综合上述因素，确定机身最大横截面如图5所示，其高为0.12m、宽0.125m。

图5 快速拆装设计细节。

快速拆装与折叠设计

单兵便携式无人机除具备优异的飞行性能外，还应具有良好的便携性，“斑鸠”无人机初步设计方案是，前机臂可向后收折，尽量减小其横向长度，并可收纳到便携式箱体，机翼可快速拆装。

快速拆装式机翼采用碳杆连接，表面采用搭锁固定，在满足结构强度的前提下减少组装时间，碳杆连接示意图，详见图5（a），旁侧预留了副翼舵机接口，插入同时完成舵机连接。机翼表面搭锁如图5(b)所示，插入机翼后锁紧搭锁，即完成机翼组装。

快速型无人机收纳后可放入尺寸不小于1.2m×0.43m×0.3m的箱体，图6其整机展开状态与收纳状态示意图。长航时型布局与快速型收纳方式类似，不再赘述。

图6 快速型无人机展开状态和收纳状态示意图。

验证机成本估算

相较同类型小型无人机，可重构布局无人机具有“一机多用”特点。在使用方面，根据不同的任务类型可快速更换不同部件，从而降低使用成本；在设计方面，可重构布局可根据通用部件重新调整布局设计，降低设计成本；在生产方面，可重构布局使用大量标准件和模块化部件，降低工艺成本。

第一代产品研制立足于使用市场现有民用标准元器件，经市场调研，其成本如表1所示。

表1 成本估算。

产量为100架时，单机成本为12800元。后续可根据市场反馈，使用可靠性较高的军用元器件。

产品完善与改进

“斑鸠”可重构布局单兵无人机后续将在两方面完善与改进。

第一，使用高精度数值模拟工具对固定翼和旋翼之间的干扰进行研究，尽量降低其对整机巡航性能的影响；

第二，针对典型任务载荷，对其在机体上的安装位置或投放方式进行分析，给出合理的操作方案，增强飞控系统的鲁棒性。