一種固定翼垂直起降飛行器的設計與制作

葉振環+袁剛+袁得永

摘 要：垂直起降飛行器在起降過程和巡航過程中的性能要求不同，為更好地兼顧兩種狀態下的性能，文章設計了由兩個主涵道風扇和一個前涵道風扇組成三角形動力布局垂直升力部件的垂直起降固定翼無人機，通過風力計測出涵道電機噴出的噴流來調整前涵道風扇電機的轉速和兩個主涵道風扇電機的傾角以達到與該系統相匹配的輸出動力，使固定翼無人機從垂直起降過渡到穩定平飛的一個過程。

關鍵詞：固定翼；垂直起降；涵道式；設計與制作

中圖分類號：V275 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0099-02

1 概述

垂直起降飛行器是近年來發展迅速的一類新型航空器，同時具備直升機的垂直起降能力，與固定翼飛機的高速平飛能力，具有較好的經濟和軍事價值。和有人駕駛飛機相比，垂直起降無人機尺寸及需用功率較小，飛行速度低，故目前動力裝置根據適用范圍可選用電動力裝置或者油動裝置提供動力。動力系統決定了目前絕大部分垂直起降無人機屬于旋翼類飛行器。按推力的實現方式可將目前具有垂直起降能力的旋翼類飛行器分為推力定向式和推力換向式兩大類。其中，推力換向式是目前垂直起降無人機廣泛采用的形式，起飛時推力向上，轉入水平飛行時推力向前傾轉，同時由機翼承擔部分或全部升力。目前常見的推力換向類無人機包括傾轉旋翼式、傾轉機身式、傾轉涵道式幾種。

2 設計方案

本文設計的垂直起降固定翼飛行器采用三個涵道三角形布局式設計并在其基礎上加上二維矢量噴口和舵機連桿機構實現垂直起降。在垂直起降和懸停狀態，三個涵道電機滿負荷工作，舵機連桿機構控制二位矢量噴口與地面形成90度夾角；在變為固定翼飛行器狀態，舵機連桿機構控制二位矢量噴口與地面形成的夾角逐漸變為180度，同時放置在機頭前的涵道電機轉速逐漸減少，直至該涵道電機沒有推力輸出。在此狀態下動力由兩個置于機翼下方的涵道電機提供，能耗相對較小，并具有較高的飛行速度和較大的飛行半徑。

2.1 飛行器的總體設計方案

飛行器主要由機翼、機身、動力裝置、起落架、副翼構成。整機機翼采用三角翼、雙垂尾、三發動機布局方案。如圖1所示，三個發動機分別布置于機頭前端，和機翼下方左側和右側。涵道2和涵道3氣流噴口處采用二維矢量噴口技術，以控制氣流方向，達到垂直起降順利過渡到平飛狀態。其中二維矢量噴口的角度控制采用舵機以及一套簡單的連桿機構，使噴口在二維空間內能在0～120度范圍內轉動，以控制飛機起降或者仰附等姿態。

機身設計采用翼身融合設計，加之雙垂尾使得飛機本身有良好的氣動布局，加強飛機本身的抗風性能。機翼采用三角翼設計，減少了飛機在平飛狀態時的空氣阻力，降低了在這個過程中的能量損耗，同時也增加了飛機在此過程中的滯空時間。在機翼左右側分別設計了兩片副翼，用舵機控制以調整飛機的姿態，并通過副翼的升降控制飛機轉向。圖2為solidworks 3D設計渲染圖。

由于機身較輕，為了加強機身強度，在設計中采用加強梁結構。同時，在考慮到零件組裝過程簡單化，設計中加入了榫卯結構。如圖3所示。

2.2 起落架設計

人造飛行器都有離地升空的過程，飛行器需要起落架在飛機停放、滑行、起飛、著陸、滑跑時用于支撐飛機重力，承受相應載荷。本設計采用目前航模普遍的起落器收放技術，即用舵機驅動起落架收放。飛機飛行時將起落架收到機翼或機身之內，以期獲得良好的氣動性能，飛機著陸時再將起落架放下來。

2.3 二維矢量噴口設計

如圖5所示，二維矢量噴口由以下部分組成：舵機、推桿1、推桿2、輔助推桿、氣流噴口。在初始狀態，氣流噴口與地面夾角為0度，在切換垂直起降狀態時舵機驅動舵盤向X正半軸旋轉推動連桿機構使氣流噴口與地面成90度夾角。啟動發動機后，通過槳葉高速旋轉將飛行器托到安全高度。此時通過旋轉遙控器上的旋鈕，從而控制舵機旋轉，使舵盤居中，繼而控制氣流噴口與地面平行。與此同時，由于舵機的旋轉的扭矩旋轉電位器，調節電位器的阻值使得控制置于機頭上的電機的轉速逐漸減少，直至該電機產生的推力為零。這個過程結束后即順利完成垂直起飛和過渡飛行過程。飛機順利由垂直起降轉變為固定翼狀態，置于機翼下方的兩個涵道電機滿負荷工作，為飛機提供平飛時的推力，讓飛行器實現高速巡航。在此過程中若想實現懸停狀態、降落、大仰角爬升、大仰角俯沖都可以通過舵機控制氣流噴口的角度和加上副翼的配合來實現。

2.4 控制部分的設計

選擇六通道的2.4G無線遙控器作為飛行器的控制模塊。遙控器可控制舵機轉動的角度和電機的轉速，通過這兩部分的組合即可控制飛行器完成基本功能?？刂剖疽鈭D如圖6所示，由2.4G無線遙控器發出控制命令，接收機接收到命令后向飛控傳輸電信號以達到控制飛行器的目的。飛控作為整個飛行器的控制核心，分別控制4個舵機和三個涵道電機。

3 材料選擇與制作

考慮到飛行器的經濟性和易操作性，選擇了輕質KT板作為飛行器的機身及翼面制作材料。結構方面，使用質量輕硬度高的碳桿作為機翼的橫梁，其中翼梁和相關零部件采用3D打印制作。在電機選型方面，由于涵道扇葉小，要產生足夠強大的推力的話就要求電機的轉速要高。因此選用3500kV無刷電機作為涵道電機。由于二維矢量噴口的制作對舵機的穩定性和拉力要求較高，所以我們選用9g金屬舵機。

雖然具有垂直起降功能，但是為了迎合在不同場合下不同的起降方式，在起落架的選材上仍然要求其具有高強度。起落架采用硬度較大的鋼絲，具有一定的減震性。輪胎外側包裹一層厚海綿，使飛機在以固定翼方式降落時能具有良好的減震性能。

4 結束語

本文通過分析目前的垂直起降飛行器的現狀，提出了采用兩個主涵道風扇和一個前涵道風扇組成三角形動力布局垂直升力部件的垂直起降固定翼無人機總體設計方案，并就起落架、二維矢量噴管、控制系統等主要模塊進行了分析設計。最后對無人機的制作材料和要求進行了闡述。

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