一种固定翼垂直起降飞行器的设计与制作

科技创新与应用

设计创新

一种固定翼垂直起降飞行器的设计与制作

叶振环，袁

刚

，袁

得永

(遵义师范学院工学院，贵州遵义563006)

摘要：垂直起降飞行器在起降过程和巡航过程中的性能要求不同，为更好地兼顾两种状态下的性能，文章设计了由两个主涵道风扇和

一个前涵道风扇组成三角形动力布局垂直升力部件的垂直起降固定翼无人机，通过风力计测出涵道电机喷出的喷流来调整前涵道风扇电机 的转速和两个主涵道风扇电机的倾角以达到与该系统相匹配的输出动力，使固定翼无人机从垂直起降过渡到稳定平飞的一个过程。

关键词：固定翼;垂直起降；涵道式;设计与制作中图分类号:V275 文献标志码:A 文章编号院2095-2945 (2017) 21-0099-02

1概述

垂直起降飞行器是近年来发展迅速的一类新型航空器， 同时具备直升机的垂直起降能力，与固定翼飞机的高速平飞 能力，具有较好的经济和军事价值。和有人驾驶飞机相比，垂 直起降无人机尺寸及需用功率较小，飞行速度低，故目前动力 装置根据适用范围可选用电动力装置或者油动装置提供动 力。动力系统决定了目前绝大部分垂直起降无人机属于旋翼 类飞行器。按推力的实现方式可将目前具有垂直起降能力的 旋翼类飞行器分为推力定向式和推力换向式两大类。其中，推 力换向式是目前垂直起降无人机广泛采用的形式，起飞时推 力向上，转入水平飞行时推力向前倾转，同时由机翼承担部分

图1总体方案平面设计图

或全部升力。目前常见的推力换向类无人机包括倾转旋翼式、 倾转机身式、倾转涵道式几种。

2设计方案

本文设计的垂直起降固定翼飞行器采用三个涵道三角形 布局式设计并在其基础上加上二维矢量喷口和舵机连杆机构 实现垂直起降。在垂直起降和悬停状态，三个涵道电机满负荷 工作，舵机连杆机构控制二位矢量喷口与地面形成90度夹 角；在变为固定翼飞行器状态，舵机连杆机构控制二位矢量喷 口与地面形成的夹角逐渐变为180度，同时放置在机头前的 涵道电机转速逐渐减少，直至该涵道电机没有推力输出。在此 状态下动力由两个置于机翼下方的涵道电机提供，能耗相对 较小，并具有较高的飞行速度和较大的飞行半径。

2.1飞行器的总体设计方案飞行器主要由机翼、机身、动力装置、起落架、副翼构成。

图2总体三维设计图

整机机翼采用三角翼、双垂尾、三发动机布局方案。如图1所 示，三个发动机分别布置于机头前端，和机翼下方左侧和右 侧。涵道2和涵道3气流喷口处采用二维矢量喷口技术，以控 制气流方向，达到垂直起降顺利过渡到平飞状态。其中二维矢 量喷口的角度控制米用舵机以及一套简单的连杆机构，使喷 口在二维空间内能在0〜120度范围内转动，以控制飞机起降 或者仰附等姿态。

机身设计采用翼身融合设计，加之双垂尾使得飞机本身 有良好的气动布局，加强飞机本身的抗风性能。机翼采用三角 翼设计，减少了飞机在平飞状态时的空气阻力，降低了在这个 过程中的能量损耗，同时也增加了飞机在此过程中的滞空时 间。在机翼左右侧分别设计了两片副翼，用舵机控制以调整飞 机的姿态，并通过副翼的升降控制飞机转向。图2为solid-

图3结构优化示意

works3D设计渲染图。卯结构。如图3所示。

由于机身较轻，为了加强机身强度，在设计中采用加强梁 2.2 起落架设计结构。同时，在考虑到零件组装过程简单化，设计中加人了榫人造飞行器都有离地升空的过程，飞行器需要起落架在

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设计创新

Technology Innovation and Application

科技创新与应用

2017年21期

飞机停放、滑行、起飞、着陆、滑跑时用于支撑飞机重力，承受 相应载荷。本设计采用目前航模普遍的起落器收放技术，即用 舵机驱动起落架收放。飞机飞行时将起落架收到机翼或机身 之内，以期获得良好的气动性能，飞机着陆时再将起落架放下 来。

图4起落架设计图

2.3二维矢量喷口设计如图5所示，二维矢量喷口由以下部分组成:舵机、推杆 1、推杆2、辅助推杆、气流喷口。在初始状态，气流喷口与地面 夹角为0度，在切换垂直起降状态时舵机驱动舵盘向X正半 轴旋转推动连杆机构使气流喷口与地面成90度夹角。启动发 动机后，通过桨叶高速旋转将飞行器托到安全高度。此时通过 旋转遥控器上的旋钮，从而控制舵机旋转，使舵盘居中，继而 控制气流喷口与地面平行。与此同时，由于舵机的旋转的扭矩 旋转电位器，调节电位器的阻值使得控制置于机头上的电机 的转速逐渐减少，直至该电机产生的推力为零。这个过程结束 后即顺利完成垂直起飞和过渡飞行过程。飞机顺利由垂直起 降转变为固定翼状态，置于机翼下方的两个涵道电机满负荷 工作，为飞机提供平飞时的推力，让飞行器实现高速巡航。在 此过程中若想实现悬停状态、降落、大仰角爬升、大仰角俯冲 都可以通过舵机控制气流喷口的角度和加上副翼的配合来实 现。

图6控制模块设计框图

的组合即可控制飞行器完成基本功能。控制示意图如图6所 示，由2.4G无线遥控器发出控制命令，接收机接收到命令后 向飞控传输电信号以达到控制飞行器的目的。飞控作为整个 飞行器的控制核心，分别控制4个舵机和三个涵道电机。

3材料选择与制作

考虑到飞行器的经济性和易操作性，选择了轻质KT板 作为飞行器的机身及翼面制作材料。结构方面，使用质量轻硬 度高的碳杆作为机翼的横梁，其中翼梁和相关零部件采用3D 打印制作。在电机选型方面，由于涵道扇叶小，要产生足够强 大的推力的话就要求电机的转速要高。因此选用3500kV无刷 电机作为涵道电机。由于二维矢量喷口的制作对舵机的稳定 性和拉力要求较高，所以我们选用9g金属舵机。

虽然具有垂直起降功能，但是为了迎合在不同场合下不 同的起降方式，在起落架的选材上仍然要求其具有高强度。起 落架采用硬度较大的钢丝，具有一定的减震性。轮胎外侧包裹 一层厚海绵，使飞机在以固定翼方式降落时能具有良好的减 震性能。

4结束语

本文通过分析目前的垂直起降飞行器的现状，提出了采 用两个主涵道风扇和一个前涵道风扇组成三角形动力布局垂 直升力部件的垂直起降固定翼无人机总体设计方案，并就起 落架、二维矢量喷管、控制系统等主要模块进行了分析设计。 最后对无人机的制作材料和要求进行了阐述。参考文献：

图5二维矢量喷口结构示意

2.4控制部分的设计

选择六通道的2.4G无线遥控器作为飞行器的控制模块。 遥控器可控制舵机转动的角度和电机的转速，通过这两部分

[1] 王冠林.垂直起降无人机总体方案及控制策略综合研究[D].北京：北 京航空航天大学，2006.[2] 赵宏天，王耀亮.舰载无人飞机——21世纪水面舰艇的常规装备[J]. 舰载武器，2001(1):49-50.

[3] 冯密荣.世界无人机大全[M].北京:航空工业出版社，2004.[4] David L K. Introduction to V/STOL airplanes [M].Iowa State Uni­versity Press, 1981.

(3)卡接座Y向辅助限位多，装饰条电镀后产品变形，装 配困难。

解决措施：设计时减少过多的Y向辅助限位，避免过定 解决措施如下：

(1) 电镀专用挂具设计不合理，引起产品变形。位，便于装配，提高装配效率。解决措施:更改挂点位置，调整挂具结构，防止电镀过程 按照以上所述方案安装结构简单，不但节省材料用量，降 中挂具挂点不合理引起的产品变形。低成本，还可以很好的保证间隙和面差。产品装配可靠，极大

(2) 散热器格栅卡爪电镀后，卡爪缺少韧性，易断。的降低了产品在注塑和电镀工程中的废品率，有效提高生产 解决措施:ABS电镀后因韧性降低会变得更脆，易折断， 效率。在结构设计中应该考虑材料特性，考虑卡接时卡爪的变形能 力，同时散热器格栅装饰条卡爪、车企标识卡爪都要做遮蔽处 参考文献：

[1]曹渡.汽车内外饰设计与实战[M].北京:机械工业出版社，2011.理，避免被电镀。(上接98页）

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