小型航拍直升機造型設計

尹 虎，周欣昱，陳少強，陳 路

（北京航空航天大學 機 械工程及自動化學院，北京 100191）

0 引言

小型航拍直升機作為一種理想的無人駕駛飛行器，有著垂直起降、懸停、巡航以及快速轉變航向等特性，使得它成為一種理想的航拍飛行器，近年來人們開始重視小型無人直升機的發(fā)展，其功重比、穩(wěn)定性、安全性、靈活性等性能被不斷提高。

目前小型無人航拍直升機多配置下掛式云臺或前置兩軸云臺。為了解決云臺震動大、不穩(wěn)定的問題，本文提出了三軸精確定向云臺的方案。云臺系統(tǒng)配置三軸陀螺，分別控制俯仰、橫側、航向，保證飛機在晃動、俯沖等任何飛行狀態(tài)下云臺系統(tǒng)的水平穩(wěn)定；此外，懸浮式發(fā)動機架及云臺柔性裝配也能將云臺的震動水平降到最低。上述結構支撐對直升機的造型有一定影響，本文針對這一問題對小型航拍直升機的造型設計進行論述。

1 航拍直升機的功能設計要求

1.1 結構布局設計

小型旋翼飛行拍攝平臺傳統(tǒng)上采用下掛云臺的設計，這樣增加了飛行器的重量、體積和維護難度，還造成飛行器的廢阻提高、續(xù)航時間減少。本設計中將攝像設備置于飛機前端，固定在一個三軸云臺上。前置云臺優(yōu)點突出，可縱向俯仰45°，橫向180°轉動，更適合航拍和圖像識別。同時將發(fā)動機置于機體重心平衡點，以保持機體穩(wěn)定性，將干擾程度降到最低。

1.2 直升機結構對機殼造型設計的限制因素

直升機結構對機殼造型設計的限制因素主要包括：①小型航拍直升機每次飛行時要進行電池的裝配，由于機殼很少拆卸，要求機身在中部、后部位置不能有遮擋；②直升機上部最高點為機殼設計的最高點，該零件前后移動不能超過10 mm；③機身尾桿處有螺旋槳支架，為平時靜止時使用，所以尾桿處不應包裹外殼；④在保證三軸云臺運動幅度的基礎上，為了便于外殼加工成型，要求外型設計應盡可能簡潔，視覺效果整體和諧、易于識別。

2 直升機設計內容

根據設計草圖繪制二維效果圖，并進行配色方案設計，通過方案價值分析最終選擇一個方案建立三維數字模型，繪制效果圖，并進行細部優(yōu)化設計。

2.1 航拍直升機結構

本航拍直升機結構如圖1所示。與外形設計有關的部分為云臺部位、電池裝配部位和機尾螺旋槳部位。云臺用于搭載單反照相機，要求水平180°旋轉，俯仰角度均可以達到45°角。機殼要求在不被拆除的前提下能夠裝卸電池，造型設計應考慮人機工程的合理性。

2.2 現有航拍直升機相機放置形式分析

主流設計是將航空拍攝相機放置在起落架上，這種形式造成起落架很高，并且拍攝角度的改變完全依靠操作機身的俯仰角，增加了操作難度，如圖2（a）所示；另一種設計是將相機搭載在機頭的部位，盡管機頭采用了全透明的設計，由于機頭覆蓋材料和角度問題會造成畫面效果失真，如圖2（b）所示。

現有的兩種照相機與機體的結合方式缺陷是明顯的。總結直升機外殼設計需要考慮的因素如下：①保證核心功能，即不影響拍攝；②材質選擇時不能過多加重負載；③機殼要易于裝配，不能影響螺旋槳的運動，易于相機和電池的拆卸；④ 視覺設計上機殼外形考慮仿生設計理念，配色方面要考慮色彩工學的配色原則。

圖1 直升機結構

圖2 現有航拍直升機相機與機體結合方式

3 造型方案的衍生

生物形態(tài)是經過自然進化選擇的形態(tài)，將仿生設計用于飛機外殼的設計可以極大地避免機殼因空氣因素對飛行產生的阻力和不穩(wěn)定氣流的影響。

3.1 仿生設計理念在造型中的應用

通過以上綜合因素分析，繪制了飛機外殼的仿生造型二維效果圖，見圖3。其中，海豚仿生造型采用了海豚嘴部與頭部的連接位置作為設計點，形狀簡約而有層次感，機殼的尾部微微揚起，使得整體造型更富動感，機殼下方的線條富于變化，主要功能是遮擋機身，保護直升機主要部件。圖3（b）和圖3（c）均為仿生魚設計，不同之處在于圖3（b）的機殼尾部設計與圖3（a）相似，其設計目的是增加外形的動感；圖3（c）的設計采用了另一種裝配形式，安裝時，不需要卸下螺旋槳，只需從前向后插入并用幾個銷釘固定位置即可，這種裝配方式減少了不必要的拆卸，也因此可以延長一部分零件的使用壽命，缺點是造型有不完整感，從外部留下裝配痕跡。

圖3 飛機外殼的仿生造型

3.2 配色方案分析

依據直升機造型特點，配色方案有兩種選擇：

（1）以對比色為主題，色相方面選取色相環(huán)上角度大于90°的顏色，如高純度藍色系與橙黃色系搭配。這樣的配色方案視覺效果強烈，富于動感，在藍色天空的背景下形成色彩的強對比關系，易于識別。

（2）以鄰近色為主題，選擇一個主色系，如藍色，其他顏色在藍色系里做明度和純度的變化，再搭配小面積的對比色。此配色方案突出整體效果，同時兼顧變化，色彩搭配既和諧統(tǒng)一，又有適度的變化。

通過造型、色彩分析和視覺效果考慮，綜合改進了方案。色彩選用冷色調，以白色為底色，增加機體的色彩明度，搭配大面積鈷藍色，與白色形成高長色調，使用低純度而小面積的桔紅色增強色彩對比，配色設計既和諧統(tǒng)一又富于變化，整體效果得到了提升。圖4為直升機外觀價值分析選定方案。

圖4 直升機外觀價值分析選定方案

4 航拍直升機模型的建立

建立航拍直升機模型之前應得到準確的機身參數。因為航拍直升機基本是保持低速飛行，風阻對直升機的影響比較小，幾乎可以忽略不計，比較有影響的是直升機螺旋槳旋轉時產生的壓差力，螺旋槳運動對直升機外殼的影響見圖5。升力螺旋槳是直升機的主要部件，旋翼由槳轂和槳葉構成。槳轂安裝在旋翼軸上，形如細長機翼的槳葉則連在槳轂上。槳葉旋轉時與周圍空氣相互作用，產生沿旋翼軸的拉力，如果氣流的方向或各片槳葉的槳距不對稱于旋翼軸，會產生垂直于旋翼軸的分力。在直升機上，旋翼軸方向近于垂直，因此旋翼首先具有機翼的功能，產生向上的力；其次還具有類似于飛機推進裝置的功能，產生向前的力；此外，它還具有類似于飛機操縱面的功能，產生改變機體姿態(tài)的俯仰力矩或滾轉力矩。通過應力計算，直升機外殼要承受住最大壓差力要求厚度＞3 mm，并在機殼結構設計上設置加強筋。經分析最后確定了航拍直升機的機身模型尺寸，建立的航拍直升機涂裝模型見圖6。

圖5 螺旋槳運動對直升機外殼的影響

圖6 航拍直升機涂裝模型

5 結束語

本文運用工業(yè)設計方法使小型航拍直升機的結構布局更加合理，解決了傳統(tǒng)設計中由于拍攝角度變化而造成的直升機操作難度較大、拍攝效果不清晰的問題。運用仿生設計理念構建直升機外形，使其美觀生動、和諧統(tǒng)一。運用設計色彩理論，使直升機視覺傳達系統(tǒng)合理，在靜態(tài)及飛行狀態(tài)下都能達到較好的視覺識別性。

［1］ Paul GFahlstrom.無人機系統(tǒng)導論［M］.吳漢平，譯.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［2］ 奧博斯科編輯部.配色設計原理［M］.暴鳳明，譯.北京：中國青年出版社，2009.

［3］ 張建中，鄭筱瑩，江濱.二維設計基礎——色彩構成［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［4］ 中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.低速風洞試驗［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［5］ 朱寶鎏.無人飛機空氣動力學［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2006.

［6］ 柳冠中.適可而止的“棲息”［J］.設計藝術研究，2011（5）：1－5.