摘要:目前,无人机在石油管道巡检、电力巡查、精准农业、消防火情监测等领域广泛应用。基于推力矢量结构的垂直起降无人机可以提高工作效率,节省能源。在垂直起降的基础上优化动力结构,用推力矢量装置代替传统的副翼来改变飞行器的姿态,从而提高飞行器的灵活性与稳定性,有效增加飞行器续航时间,并对飞行器性能进行测试与验证。
垂直起降(VTOL)飞行器主要指固定翼飞行器可以不用借助跑道而在原地就能垂直起飞和垂直降落,可以不用机场跑道即可进行工作。结合多旋翼与固定翼飞行器设计思想,利用飞行器电机差速来控制飞行器的偏航姿态,利用矢量控制技术来控制飞行器俯仰及横滚姿态。笔者们设计出推力矢量控制器来控制飞行器,即利用电机转动不同的角度使自身产生的推力方向发生改变,产生滚转力矩和俯仰力矩,从而控制飞行的姿态,由于推力直接作用于飞行器,使得飞行器姿态改变更灵活更迅速,也可更稳定地悬停与平飞。
1、垂直起降无人机模型设计
1.1翼型分析
利用XFLR5进行不同翼型的动力曲线分析,如图1所示,对不同翼形的升阻比、升力特性、阻力特性曲线等进行分析。
图1利用XFLR5进行不同翼型的动力曲线分析
图1中,(1)为升力系数随阻力系数变化曲线,(2)为升力系数随迎角大小变化曲线,(3)为升力系数随水平倾转角度大小变化曲线,(5)为力矩系数随迎角大小变化曲线,(6)为升阻比值随迎角大小变化曲线。
选取了ara-6%、brogginni-55509、cj-3406三种翼型进行分析对比。brogginni-55509、cj-3406为比较特殊的s型翼型。s型翼型作为一种静稳定型翼型,比较适应此类整体静不稳定飞行器,可以缓解飞控的工作压力。
在翼型分析中发现,在低速紊流较多的情况下(雷诺数偏大),作为s型翼型的cj-3406可以提供与ara-6%几乎相等的升力,由于s型翼本身具有静稳定的特性,其更适合推力矢量无副翼小型飞行器。而brogginni-55509翼型虽然其在特定迎角下(一般为6~7°)的升阻比较高,但在较大迎角范围的积分值远远小于cj-3406,即它不能满足在迎角变化较大情况下的飞行。
1.2布局特性分析与优化
垂直起降无人机整体布局仿真分析如图2所示。垂直起降无人翼尖机涡流仿真分析如图3所示。
图2垂直起降无人机整体布局仿真分析图
图3垂直起降无人翼尖机涡流仿真分析图
由图2气动分析可得鸭式布局+边条设计+梯形双垂尾优势如下。
鸭式布局+边条设计:天然的大迎角恢复能力,通过机翼边条引导涡流到主机翼,改善机翼在大迎角时的气动特性,增强飞机的稳定性。
梯形双垂尾:增强飞行器的横向稳定性,在大迎角下延缓气流分离,防止翼尖失速。
不同展弦比下升阻比分析:影响升力的另外几个重要因素是展弦比和翼面积的取值。人为地把翼面积与一段常用飞行迎角的升阻比做乘积,经过几组数据的比较,得出此机翼在8m/s的速度(这里是指平飞速度)下,3.84的展弦比能够提供较大效率。
2、无人机控制系统软件设计
二轴PID算法设计中,主要用PID算法对飞行器稳态性能进行控制,算法流程如图4所示。
图4算法流程图
3、总体实物图
总体设计如图5所示,无人机载球投放测试如图6所示。硬件选型如下。
碳纤维高效率螺旋桨:Tarot1555尖翼高效碳纤多轴正反桨/多旋翼飞行器/螺旋桨TL2813。
电机:朗宇盘式高效率无刷电机SUNNYSKYV4006。
电子调速器:好盈无刷电调40A。
锂电池:格式TANTU1000mAh。
图5总体设计图
图6无人机载球投放测试
4、垂直起降固定翼无人机飞行验证
无人机进行现场实验数据,装载7个球共1.5kg的情况下,室内绕行一周30m,用时10s,直线载球平飞时,平均速度5m/s。飞行器整体稳定性良好,将球投入直径为80cm的球筐时,命中率86.8%。定位精度误差控制在10%以内,稳定悬停时航向角漂移误差在5%以内,俯仰角偏移误差15%以内,续航时间达20min。
实验结果表明,搭载推力矢量二轴动力系统的垂直起降无人机电机较少,可以有效节约能源,续航时间明显增强。采用鸭翼+边条+梯形双垂尾新式布局,稳定性良好,灵活性较高,可以有效提高飞机升力,增加载重量的同时节省电源。
参考文献:
[1]匡敏驰,朱纪洪,吴德.推力矢量无人机尾坐式垂直起降控制[J].控制理论与应用,2016,32(11):2-6.
[2]汤伟,黄勇.推力矢量对飞机大迎角气动性能的影响[J].航空学报,2018,39(4):88-94.
[3]叶振环,袁刚,袁德永.一种固定翼垂直起降飞行器的设计与制作[J].科技创新与应用,2017(21):99-100.
[4]朱自强,陈迎春,王晓璐,吴宗成.现代飞机的空气动力设计[M].北京:国防工业出版社,2011.
[5]刘凯,叶赋晨.垂直起降飞行器的发展动态和趋势分析[J].航空工程进展,2015,6(2):127-138,159.
王志伟,赵思诺,高坚.推力矢量垂直起降无人机的设计、控制与验证[J].科技与创新,2020(22):39-40.
基金:国家级大学生创新创业计划项目(编号:201910356004).
分享:
传统的测控设备都是固定在地面进行目标测量[1],随着航天测控任务样式的变化,地面固定站已经不能满足多类型的任务需求,以载人航天为代表的典型航天测控任务,其对测控覆盖率的要求是要达到85%以上[2],如果仅仅依靠地面固定测控设备,显然是达不到如此高的测控覆盖率,依靠增加地面固定测控站的数量来提高覆盖率,要付出大量的人力、物理和财力成本,显然是不现实的。
2024-01-04航空机载电子设备[1,2,3,4]日益增多,飞机负担不断增加,各项设备之间的电磁干扰也日益严重,系统综合化集成增加了航空电子设备多用途需求,执行任务时在线加载[5,6,7]不同的功能程序,完成诸如雷达、通信、导航、识别系统特有的电子对抗[8]、数字化语音、实时数据、精确测距[9,10,11]、可靠识别等服务,这些功能程序大部分在系统内的信号处理模块内完成,采用相同硬件结构的信号处理模块更新和加载不同的功能程序就能简化系统架构、减少模块数目、飞机负担及电磁干扰。
2024-01-03无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)空战过程智能化技术研究已经是国内外专家的热门课题。由于无人机能承受的过载大以及未来空战的复杂度高,利用人工智能等技术赋予无人机相当程度的自主决策权限,实现UAV空战过程智能化。为了追求人员零伤亡目标,研究机构认为“非接触”作战是未来战场的主要作战方式,UAV作为无人作战飞行器,是“非接触”作战装备的典型代表。
2023-10-20短切纤维防热材料的成型过程中,预混料分散工艺对材料的力学和防热性能有着重要影响,采用机械装备进行短切纤维预混料的分散是保证质量的重要手段。研制了一种针对短切纤维防热材料预混料的分散装备,通过引入带齿结构辅助压辊,改善了预混料抓取均匀度,通过对分散系统针齿的结构、排列方式、分布间距、排列角度等工艺参数进行优化设计。
2022-05-24随着社会的不断发展进步,人们通过航空交通出行的频率越来越高,民航产业也相应取得了一定的发展进步,与此同时,人们对民用航空的安全问题也越来越重视。随着科学技术的高速发展,无线电设备在现代社会得到了广泛普及应用,为社会带来极大便利的同时,也大大增加了电磁环境的复杂性,这一问题在航空飞行中尤为凸显。
2022-04-09自从1903年莱特兄弟用自制的四缸活塞式发动机首次实现有动力飞行以来,从低空到高空、临界空间,从低速到高速、高超声速的发展,世界航空史上的每一次重大变革都无不与推进技术的进步密切相关。发动机的性能不仅决定飞行器的飞行包线,影响着飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行航时、飞行航程;而且也决定着飞行器飞行安全、飞行的经济性。
2022-01-25直升机撞线作为直升机事故的重要类型之一严重影响着飞行安全,在美国,撞线造成的事故占到了直升机事故总数的5%,平均每周就会有两架直升机遭遇撞线问题。主要是因为一方面在一般飞行速度下,线缆的威胁很难观察到,加上光线原因,飞行员视觉上容易忽视,另一方面撞线的后果往往非常严重。长时间执行电力作业的直升机,面临撞线的风险就更高了。
2021-12-08本文对航空发动机协同研制过程进行了分析,建立了航空发动机协同研发过程和分模块共性模型,在此基础上,定义了航空发动机协同研发数据组成元素描述文件,并详细介绍了数据组成元素中的数据交换接口描述文件的实现过程,为后续建立更高效的航空发动机协同研发仿真数据管理模式提供了借鉴和参考。
2021-12-08空间轴承是飞轮和控制力矩陀螺等空间惯性执行机构的核心部件,若发生故障,会直接影响航天任务执行能力。因此,空间轴承的故障诊断成为保证航天器高可靠、长寿命的一个重要支撑。本文首先介绍空间轴承的故障特点、诊断技术难点;然后总结分析目前轴承主要的故障特征提取技术、智能诊断等方法;接着,深入讨论这些技术在空间轴承故障诊断中的应用与发展。
2021-11-022019年末暴发的新型冠状病毒肺炎,深刻改变了中国人民和世界人民的生活,改变了航空运输的业态,改变了航空维修人员的培训方式。常态化疫情防控形势下应避免人员聚集,减少维修人员因参加培训而增加的感染风险。结合航空公司和维修单位实际,根据新冠肺炎疫情防控从应急状态转为常态化形势,分析了航空维修人员培训工作中遇到的问题并提出了相应的解决方案。
2021-10-27我要评论
期刊名称:航空工程进展
期刊人气:1942
主管单位:工业和信息化部
主办单位:中国航空学会,西北工业大学
出版地方:陕西
专业分类:航空
国际刊号:1674-8190
国内刊号:61-1479/V
创刊时间:2010年
发行周期:双月刊
期刊开本:大16开
见刊时间:10-12个月
影响因子:0.645
影响因子:1.494
影响因子:1.025
影响因子:0.000
影响因子:0.000
400-069-1609
您的论文已提交,我们会尽快联系您,请耐心等待!
你的密码已发送到您的邮箱,请查看!