基于復合材料的八旋翼飛行器設(shè)計

陳子超 冷雪峰 張成茂

（臨沂大學機械工程學院，山東 臨沂 276000）

0 引言

復合材料在飛行器制造中占有重要地位，隨著高新技術(shù)的不斷開發(fā)，越來越多的復合材料開始利用在飛行器制造中。本文針對一種復合材料構(gòu)成的八旋翼飛行器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 八旋翼飛行器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)八旋翼飛行器大多采用碳纖維管做支架，用連接板固定碳纖維管和八旋翼飛行器的飛控、接收機、電調(diào)和電池等部件。這種方法制造八旋翼飛行器取材方便，互換性好，但是抗風性和適應(yīng)性不強[1-2]。

為了提高八旋翼飛行器的抗風性和續(xù)航性，本文制作的八旋翼飛行器采用了復合材料的壓膜成型技術(shù)，制作出機身質(zhì)量輕，抗風性強的八旋翼飛行器結(jié)構(gòu)。該一體式結(jié)構(gòu)可有效減少自然因素對飛行器的影響，比如在雨天不容易損壞八旋翼飛行器的機械及電子設(shè)備。再根據(jù)八旋翼每個翼梁所受的彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)特點，在受力較大的部位進行加強處理，保證該飛行器機身具有的安全系數(shù)。設(shè)計出的八旋翼飛行器主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 八旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)簡圖

2 八旋翼飛行器參數(shù)選擇

本文根據(jù)表1 的參數(shù)進行了八旋翼飛行器的設(shè)計。

表1 八旋翼飛行器相關(guān)參數(shù)的選擇

由于八旋翼飛行器本身繞三軸的轉(zhuǎn)動慣量、電動機的轉(zhuǎn)動慣量、電機重心與飛行器的重心的間距是影響八旋翼飛行器角速度的主要因素，為了減小八旋翼飛行器的轉(zhuǎn)動慣量對飛機的控制干擾，應(yīng)使飛行器繞三軸的轉(zhuǎn)動慣量、電動機的轉(zhuǎn)動慣量、電機重心與飛行器的重心的間距盡可能小。

根據(jù)八旋翼飛行器的總體特征，我們采用復合材料通過壓膜成型使整個機身實現(xiàn)一體化，采用芳綸紙蜂窩復合材玻璃纖維及碳纖維等材料進行鋪層，通過加溫抽真空等工藝壓膜成型，上下機體之間采用復合材料膠結(jié)工藝，制作出結(jié)構(gòu)強度高、整體質(zhì)量輕的一體式八旋翼機身[3-4]。

3 能源和動力裝置選擇

正常情況下，一個高效率的電機效率值在12g/w 左右，一臺額定功率300w 的電機，最大拉力3.6kg。一臺八旋翼飛行器加上自身接近7kg 的重量，最大任務(wù)載荷只剩14.6kg。飛行器的動力裝置完全由飛行器的旋翼提供，八個相同的子系統(tǒng)成對稱均勻分布，為了實現(xiàn)飛行器的載荷要求，本文選擇高速盤式電機作為動力，該電機的特點是扭距大且效率高。電機的型號為颶風新款C411KV400，根據(jù)電機的電流、拉力等選擇能達到最高效率的螺旋槳型號。

通過選定的電機在不同的轉(zhuǎn)速、不同的螺旋槳與不同的電機功率下測得電機的功率、升力和效率之間的關(guān)系，選擇產(chǎn)生最高效率的螺旋槳型號：APC15*4，具體參數(shù)如表2 所示，該選擇可以有效提高八旋翼飛行器的飛行效率和續(xù)航性。

表2 螺旋槳相關(guān)參數(shù)的選擇

4 結(jié)束語

本文針對八旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇不合理導致續(xù)航時間短的問題，通過研究八旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以及飛行器的制作材料選擇，從而達到減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，增強其結(jié)構(gòu)強度，增加其續(xù)航時間。

［1］張征，吳和龍，吳化平，鮑雨梅，柴國鐘.正交鋪設(shè)碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性研究[J].功能材料，2013，44(2)：236-239.

［2］趙志敏.復合材料旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與軟件實現(xiàn)[M].大連：大連理工大學，2009.

［3］陳明，蘇永明.蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料的加工工藝和連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用[J].城市建設(shè)，2010(15)：252.

［4］毛英坤，陸文明，李華，等.飛機旋翼用聚氨酯涂料的研制[J].涂料工業(yè)，2013，43(9)：26-30.