謝良偉 楊哲毅 盛濤 肖劉鑫

摘 要：旋翼機(jī)是一種通過(guò)螺旋槳驅(qū)動(dòng)，并利用前飛時(shí)的相對(duì)氣流吹動(dòng)旋翼自轉(zhuǎn)以產(chǎn)生升力的旋翼航空器。本文采用一種矢量控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)旋翼機(jī)旋翼角度與舵面相互作用的研究，設(shè)計(jì)一套具備矢量控制能力的旋翼控制裝置與旋翼機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)旋翼機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)具有更好的飛行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：旋翼機(jī)；矢量控制；飛行穩(wěn)定性

自轉(zhuǎn)旋翼飛行器（以下簡(jiǎn)稱旋翼機(jī)）是一種以自轉(zhuǎn)旋翼作為升力面、螺旋槳推/拉力或其它供能方式為前進(jìn)動(dòng)力的旋翼類飛行器。旋翼機(jī)的旋翼在前方氣流的作用下保持自轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題造成空中停車，旋翼自轉(zhuǎn)任可使它安全著陸，具有良好的低空、低速性能和安全性，隨著起降和飛行性能的穩(wěn)定性不斷提高，近十幾年來(lái)該類飛行器再次成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文主要設(shè)計(jì)能更好的保證飛機(jī)在空中轉(zhuǎn)彎時(shí)具有良好穩(wěn)定性的一架模型旋翼機(jī)，使旋翼機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)不至于發(fā)生較大振動(dòng)及調(diào)節(jié)難度較大的現(xiàn)象，具有更好的穩(wěn)定性。

一、總體參數(shù)確定

旋翼機(jī)采用面對(duì)稱的基本布局形式：主要由旋翼、螺旋槳、帶短翼機(jī)體、平尾、雙垂尾、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)、帶離合器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要部件組成，旋翼機(jī)三維實(shí)體圖如圖1：

旋翼機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

正常起飛重量：500g；

旋翼半徑：400mm；

螺旋槳半徑：90mm；

機(jī)身長(zhǎng)寬高： 520 /340 / 420（mm）；

機(jī)身離地高度：空機(jī)狀態(tài) 20mm、起飛狀態(tài) 15mm；

起落架：前后輪距 330mm、左右主輪距 280mm；

平尾：NACA4412翼型，長(zhǎng)寬為100*60*2（mm）；

大垂尾：NACA0012 翼型，長(zhǎng)高為 85*110（mm）（其中舵面為 40*110）；

小垂尾：NACA0012翼型，長(zhǎng)高為 50*60（mm），展弦比為 1.2。

旋翼機(jī)的旋翼氣動(dòng)原理與直升機(jī)的相似，參照直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)和飛行動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)旋翼機(jī)，結(jié)合matlab軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)槳葉片數(shù)，旋翼機(jī)槳葉片數(shù)k暫取為3，三葉的效率更好。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼實(shí)度，Vmax隨實(shí)度δ的減小而減小，低速飛行時(shí)需用功率減小，可用功率增加；實(shí)度δ大對(duì)飛機(jī)跳飛有利，降低對(duì)預(yù)轉(zhuǎn)速度的要求。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)槳盤載荷，旋翼機(jī)槳盤載荷p對(duì)前飛最大速度Vmax影響很小，但對(duì)最小速度Vmin影響很大，p減小，Vmin減小，也使經(jīng)濟(jì)速度、有利速度增大。

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼總距角，一般是固定的，采用總距角為4°。

二、旋翼機(jī)機(jī)翼的布置

對(duì)于小型無(wú)人旋翼機(jī)，若通過(guò)增加機(jī)翼使起飛速度降低、巡航速度變大。取5m/s的巡航速度時(shí)，機(jī)翼大概承擔(dān)60%的升力，對(duì)于飛行速度為5m/s，計(jì)算雷諾數(shù)Re，利用Profili軟件選擇合適的機(jī)翼翼型，旋翼尺寸：40*395mm（直徑約800mm）。如圖2所示，旋翼與槳盤連接處采用保險(xiǎn)連桿連接，防止飛機(jī)起飛過(guò)程中由于側(cè)翻破壞機(jī)翼，起到保護(hù)機(jī)翼的作用。

三、尾面布置及參數(shù)選擇

本文旋翼機(jī)采用固定平尾，旋翼機(jī)和直升機(jī)的平尾具有增加全機(jī)的縱向穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性的作用，可以選用直升機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)初步確定平尾面積。如圖3所示，初步選擇平尾面積為0.012m2。平尾氣動(dòng)力中心距重心0.35m。

垂尾能增加航向穩(wěn)定性。如果安裝允許、旋翼后倒不會(huì)發(fā)生碰撞，垂尾面積盡量取大一些。如圖4所示，垂尾安定面面積選擇0.00935m2，方向舵面積為0.0044m2。

四、總體布置設(shè)計(jì)

整機(jī)尺寸520*340*420mm（長(zhǎng)、寬、高），旋翼機(jī)槳葉片數(shù)k取為3螺旋槳后置，桿身主橫桿為碳纖管，機(jī)身架構(gòu)為椴木層板，采用前三點(diǎn)式起落架，主輪位于重心之后，小尾輪位于機(jī)身最后端，平尾略比垂尾靠前。旋翼頭為尼龍材料。起落架為直徑2mm鋼絲，三點(diǎn)支撐，三個(gè)9g舵機(jī)，在機(jī)身處加裝小翼，通過(guò)對(duì)小翼的機(jī)動(dòng)控制，達(dá)到減小由于飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中由于力矩耦合作用出現(xiàn)的不穩(wěn)定。

如圖5所示，將普通的旋翼機(jī)電機(jī)換成矢量電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)的角度達(dá)到提高轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性的目的。

五、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的旋翼機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)包括有：

采用方形碳桿作為機(jī)身龍骨，增大與各部件的接觸面積，提高穩(wěn)定性與安全度，并因此解決了圓形碳桿不易安裝的問(wèn)題。將前輪與碳桿的連接結(jié)構(gòu)結(jié)合傘夾進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠靈活地拆裝更換，減少了鉆孔連接的步驟，保護(hù)了碳桿的整體穩(wěn)固性。

機(jī)身兩側(cè)的小翼。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，它們能夠提供一個(gè)力矩，平衡旋翼作用在機(jī)身上的力矩，使之實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)傾轉(zhuǎn)彎；在起飛過(guò)程中，還能提供一部分升力，縮短滑跑距離；在巡航過(guò)程中，類似于平衡桿，能起到提高飛機(jī)穩(wěn)定性的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱清華.自轉(zhuǎn)旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.2007，1028701 07-0027.

[2] J.Gordon Leishman. A Chronicle of Early British Rotorcraft[J].The 60nd Annual Forum and technology Display of the A，H.S.2004（109）.

[3] 方寶瑞.飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997：10～60.

[4] 王俊超.zx-1型旋翼機(jī)高速型總體方案設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[5] 朱清華.直升機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)航空研究院，2003.

[6] 張呈林，張曉谷等.直升機(jī)部件設(shè)計(jì)[M].北京：航空專業(yè)教材編審組，1986：23-56.

作者簡(jiǎn)介：

謝良偉（1995-），男，本科，飛行器制造工程。