多用途扇翼機設(shè)計與實現(xiàn)

李泰興 鐘小華 陳俊華 林慶賢 梁雅婷

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

由于無人機具有制造成本低、使用成本低、安全風(fēng)險系數(shù)小、運動靈活以及便于操控等優(yōu)點，因此在實際生活中得到了廣泛應(yīng)用，但無人機也存在一些缺陷，例如當(dāng)前無人機的類型比較少，主要包括多旋翼、固定翼和直升機。多旋翼垂直起降空間小，但其載重量小且續(xù)航時間短，無法運輸較大的物資。固定翼雖然在承載能力以及續(xù)航時間方面比多旋翼強，但是其起飛需要較大的空間且操控要求更高，大迎角易失速，從而無法在地勢崎嶇的山區(qū)作業(yè)，而直升機的操作系統(tǒng)較為復(fù)雜，危險系數(shù)較高。扇翼機是一種在機翼上表面安裝橫流風(fēng)扇的新型飛行器，與傳統(tǒng)飛行器不同，其是通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力和推力，推動飛行器進行飛行。獨特的飛行原理使其具有超短距起降、大迎角不失速、操縱控制簡單、低速飛行穩(wěn)定性和安全性好等優(yōu)點。

1 扇翼機總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該扇翼機由扇翼和V型尾翼-固定翼機身組成，還搭載了一套純電動力系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)。翼梁分為單梁式、多（雙）梁式以及多腹板式。由于機翼既承受分布力，又承受集中力，因此單梁式的傳力路徑更短。集中受力點可以直接設(shè)計在翼梁上，無須通過翼肋傳遞。由于翼肋僅須承受氣動分布載荷，強度很弱，不能利用翼肋傳遞集中力，因此其外段機翼內(nèi)部主梁采用航空層板制作的腹板式主梁，加強肋采用椴木層板，普通翼肋采用巴爾沙木，外部由0.5 mm的巴爾沙木覆蓋并用復(fù)合纖維進行強化；中段安裝的橫流風(fēng)扇采用多條碳纖維腹板梁結(jié)構(gòu)，機翼內(nèi)部用碳纖維管進行結(jié)構(gòu)強化，以增大機翼的承載能力。橫流風(fēng)扇分為左、右2段，其扇翼葉片由泡沫及玻璃纖維通過熱切割和真空袋工藝制成。

因為尾組受力不大，所以展弦比不是非常重要，但應(yīng)該比主翼小。V型尾翼翼型采用NACA 0006，弦長為130 mm，單片長180 mm的輕木骨架結(jié)構(gòu)尾翼，2片尾翼夾角為60°。舵面采用平面型鉸鏈與尾翼連接；尾翼整體用3D打印連接件連接在機身尾管上。采用V型尾翼不僅可以減小尾部質(zhì)量，而且還可以降低干擾阻力。

機身整體以輕木結(jié)構(gòu)為骨架，采用多模塊設(shè)計，包括吊艙、云臺以及尾翼。多模塊的設(shè)計使該扇翼機的場地動員能力更強，具有更高的市場競爭力。

該扇翼機搭載了2個朗宇X2212 kv980外轉(zhuǎn)子無刷電機，將2個好盈電子調(diào)速器和1塊鋰離子電池作為扇翼動力系統(tǒng)；舵面的控制采用4顆銀燕ES08MA 12g高靈敏度微型舵機對其進行控制。飛行控制系統(tǒng)為CUAV V5飛控。設(shè)計基本參數(shù)如下：翼展為1 200 mm，機長為970 mm，展弦比為4，橫流風(fēng)扇長度為590 mm，橫流風(fēng)扇外徑為90 mm。

傳統(tǒng)固定翼、多旋翼都安裝了各種尺寸的螺旋槳，而扇翼機則沒有安裝螺旋槳，其橫流風(fēng)扇也是安裝在機翼中央，在安全性方面比前者要高許多。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，扇翼機能降低發(fā)生人員受傷事件的概率；同時，還可以降低能源損耗以及減少人力成本，在一定程度上可以降低運營成本。在維護方面，運營者可以更方便地開展維護以及日常檢查工作。該扇翼機三維建模圖如圖1所示。

圖1 多用途扇翼機

1.2 扇翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為該扇翼部分的阻力較大，所以采用分段設(shè)計的平直翼，中段為橫流風(fēng)扇，外段為普通機翼。該文在Profili翼型庫里選擇了5種翼型作為對比。由于內(nèi)段需要安裝橫流風(fēng)扇，因此選用厚度較大的翼型。因為外段作為額外的升力來源與副翼安裝段，所以采用升阻比較大的翼型。該扇翼機在飛行高度為100 m、速度為10 m/s且翼弦為300 mm時的雷諾數(shù)如公式（1）所示。

式中：為空氣密度；為氣流速度；為氣流流過物體的距離；為（動力）黏度。

根據(jù)公式（1）計算可得=203 771。

通過Profili分析得到5種翼型升阻比與迎角的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 各翼型升阻比與迎角的關(guān)系

對5種翼型進行比較，最后決定選用CLARK Y作為扇翼機外段機翼的翼型，當(dāng)雷諾數(shù)=203 771、迎角=4°時，該翼型的升阻比最大。因為內(nèi)段需要厚大的翼型，所以選用GOE 384為內(nèi)段機翼的翼型，該翼型的最大升阻比雖然與CLARK YM-18相差不大，但是后者升阻比陡然上升，說明在空中有微小的姿態(tài)變化，會出現(xiàn)上下顛簸、波狀飛行甚至失速的問題。

橫流風(fēng)扇是該扇翼飛行器最大的特點，也是該扇翼機向前的推進力及其部分升力的來源。扇翼飛行器是在固定翼飛機上加裝橫流風(fēng)扇，根據(jù)主動環(huán)量飛行原理，利用橫流風(fēng)扇加速機翼上、下表面形成氣流速差，實現(xiàn)超短距起降甚至垂直起降的目標(biāo)。傳統(tǒng)扇翼機機翼沒有翼型，阻力較大，當(dāng)來流達到=40 m/s時，來流使扇翼升力急劇下降。該項目通過1個厚度較大的翼型減小了中段扇翼所受到的水平方向的阻力。風(fēng)扇外徑為90 mm，葉片安裝角為50°，葉片個數(shù)為13個。采用多層輕木隔板，保證橫流風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時的強度。扇翼兩側(cè)為碳纖維板，可以保證橫流風(fēng)扇的同心度。

1.3 扇翼機氣動仿真

在Solidworks Flow Simulation中對扇翼機建模進行氣動分析，其設(shè)定條件如下：溫度為298.2 K，仿真環(huán)境氣體為空氣，空速為10 m/s，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為30 r/s。在仰角為5°的情況下，對其升力、表面壓力以及阻力進行分析。

經(jīng)過仿真計算得到的結(jié)果如下：全機能產(chǎn)生17.100 N的升力，受到3.368 N的阻力，可以滿足最初設(shè)計的要求。其機翼上表面壓力分布云圖如圖3所示。

圖3 扇翼機飛行表面壓力分布云圖及扇翼機中部速度分布切面圖

2 扇翼機飛行控制系統(tǒng)

該扇翼機采用基于STM32F765的開源可編程飛控，通過RTK GPS差分定位模塊（集成了RTKGPS+GNSS系統(tǒng)雙定位模塊）、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、差分空速管以及pix光流傳感器等傳感器，以PPM信號控制微型伺服器，通過高效的控制算法內(nèi)核能夠精準(zhǔn)地感應(yīng)并計算飛行器的飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自我調(diào)整、修正扇翼機姿態(tài)的目標(biāo)。同時，還可以配合MissionPlanner For Radiolink地面工作站對其航向進行規(guī)劃，按計劃進行巡航飛行，再對數(shù)據(jù)進行實時分析。

控制流程如圖4所示。整個控制系統(tǒng)的功能如下：1）讀取飛行器的姿態(tài)信息。2） 處理傳感器提供的姿態(tài)信息并進行數(shù)據(jù)融合濾波，從而得到準(zhǔn)確的姿態(tài)角估計值。3） 與MissionPlanner For Radiolink地面工作站通信，從而實現(xiàn)超視距全自主飛行的目標(biāo)。4） 通過地面控制終端可以提前設(shè)定飛行航線、高度及速度等參數(shù)，一鍵即可實現(xiàn)在起飛、航線飛行和返航降落等過程中的全自主飛行功能，還可以實現(xiàn)半自主飛行、全手動飛行、智能失控保護以及自動返航降落等功能，降低了扇翼機操控人員的工作難度，提高了數(shù)據(jù)采集率。5） 地面站系統(tǒng)擁有3D地圖、可視化飛行儀表，可以提供飛機姿態(tài)、坐標(biāo)、速度以及角度等實時飛行數(shù)據(jù)，也可以提供飛機及飛控系統(tǒng)狀態(tài)的信息。6） 按照飛行規(guī)劃執(zhí)行控制策略并輸出控制信息。

圖4 飛控控制流程

控制系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程如公式（2）所示。

式中：為速度在軸上的分量；為速度在軸上的分量；為密度。

在方向上的動量守恒方程如公式（3）所示，在方向上的動量守恒方程如公式（4）所示。

式中：F、F為微元體外部壓力（在不考慮氣體重力及其他外力作用時其值為0）；為黏性系數(shù)。

能量守恒方程如公式（5）所示。

式中：為熱力學(xué)溫度；c為比熱容；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；S為黏性耗散項。

因為該扇翼機是一種低速飛行器，氣流作用于操縱舵面的氣動力較小，舵面效率也比較低，所以采用常規(guī)的氣動布局，即副翼控制扇翼機橫滾、機身后V型尾翼控制扇翼機的俯仰和偏航。由于扇翼無人機的橫滾風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與升力存在耦合關(guān)系，因此對飛行控制系統(tǒng)來說，要在傳統(tǒng)固定翼的基礎(chǔ)上添加直升機的解耦算法對其滾筒進行控制，即通過校正輸出、輸入之間的關(guān)系，減弱甚至消除這種相互關(guān)聯(lián)程度，從而使其變成具有多個單輸入、單輸出系統(tǒng)的算法。而在已有的仿真中可以看到，在解耦后，方位角和橫滾角可以同時運動，俯仰角沒有耦合角運動。

3 多用途的實現(xiàn)

為了應(yīng)對各種不同的用途，該扇翼機搭載了5.8 GHz、2 000 mW的無線圖像傳輸器，并配備了1個低延時、寬動態(tài)且具有超廣角的1200TVL超清攝像頭及機載云臺。地面上安裝了1個自動天線跟蹤云臺和1個20DBI平板天線接收圖傳信息，使該無人機能輕松地開展超視距作業(yè)。

通過不同云臺、吊艙、圖傳以及飛控的配合可以實現(xiàn)在10 km內(nèi)（不同情況下）開展作業(yè)的目標(biāo)，相關(guān)情況如下：1） 短距離物資快速運輸。通過飛控和GPS定位，可在小范圍內(nèi)起飛并將物資快速運往需求地。2） 地形測繪。通過飛控規(guī)劃路線，高清攝像頭采集圖像實時回傳到地面端，在電腦上呈現(xiàn)三維模型。3） 農(nóng)藥噴灑。吊艙可吊起容積約1.1 L的農(nóng)藥，并將噴灑泵接至飛控端，根據(jù)區(qū)域地形規(guī)劃好的路線開展作業(yè)。4） 應(yīng)急方面。通過更換喊話器、探照燈、熱成像攝像頭以及激光雷達等設(shè)備對地面的疏散、探照以及風(fēng)險進行排查。

4 結(jié)語

該文設(shè)計的超短距起降、大迎角不失速且能載重飛行的多用途扇翼機是一款由扇翼和固定翼機身組成的帶有飛行控制系統(tǒng)及圖像傳輸系統(tǒng)的新型飛行器。該扇翼機用扇翼代替螺旋槳提供升力，在突發(fā)事件時可有效減少人員被螺旋槳打傷的概率，極大地提高了安全性，從而使該文設(shè)計的多用途扇翼機在未來市場中具有更大的潛力。