無(wú)人機(jī)飛行原理-第11章 復(fù)合翼無(wú)人機(jī) 基本結(jié)構(gòu)

第11章.復(fù)合翼無(wú)人機(jī)基本結(jié)構(gòu)復(fù)合式旋翼無(wú)人駕駛航空器（compound

unmanned

rotorcraft）：具有固定機(jī)翼和推進(jìn)裝置的旋翼無(wú)人駕駛航空器。復(fù)合翼無(wú)人機(jī)就具有這兩種無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，固定翼無(wú)人機(jī)具備飛

行速度快、飛行高度高、飛行時(shí)間長(zhǎng)；旋翼無(wú)人機(jī)具備垂直起降、懸停、靈活等特點(diǎn)。一、復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的誕生1、兩種起降方式的固定翼無(wú)人機(jī)為了擺脫對(duì)機(jī)場(chǎng)和跑道的依賴，甚至定點(diǎn)降落的要求，追求短距起降，甚至零距離起降方式，目前發(fā)展了兩種起降方式的固定翼無(wú)人機(jī)：依靠彈射架彈射起飛和降落傘降落或攔阻網(wǎng)回收的無(wú)人機(jī)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)兩種起降方式的優(yōu)缺點(diǎn)：彈射起飛需要攜帶笨重的彈射架或發(fā)射車，便捷性較差傘降易受氣象的影響，在大風(fēng)氣象條件下，傘降的降落精度較差攔阻網(wǎng)回收方式同樣需要攜帶專用的回收設(shè)備，便攜性也差垂直起降無(wú)人機(jī)的降落方式不需要額外的設(shè)備來(lái)保障無(wú)人機(jī)的起飛和降落，但是需要增加較多的重量，會(huì)降低無(wú)人機(jī)的續(xù)航性能2、垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展思路配備一套動(dòng)力系統(tǒng)，其布局形式有尾座式垂直起降固定翼、傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)等。配備兩套動(dòng)力系統(tǒng)，其典型的布局形式有復(fù)合翼無(wú)人機(jī)。尾座式無(wú)人機(jī)傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在復(fù)合翼無(wú)人機(jī)快速發(fā)展之前，尾座式垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)是當(dāng)時(shí)無(wú)人機(jī)的研發(fā)重點(diǎn)，但是這兩種布局形式的技術(shù)難度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)材料、飛控、動(dòng)力系統(tǒng)要求苛刻，而且在使用的過(guò)程

中可靠性較低。所以在與彈射起飛固定翼無(wú)人機(jī)的較量中，垂直起降固

定翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)占有率并不高。相比于一套動(dòng)力系統(tǒng)，兩套動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的技術(shù)難度低、沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、可靠性和實(shí)用性高。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，復(fù)合翼無(wú)人機(jī)在垂起降固定翼無(wú)人機(jī)中脫穎而出，這是一種經(jīng)過(guò)市場(chǎng)選擇和考驗(yàn)的布局形式。3、復(fù)合翼無(wú)人機(jī)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)綜合了多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了固定翼無(wú)人機(jī)的垂直起降，這使得它的能夠在沒(méi)有跑道的山區(qū)、船舶等地方起降。除此之外，利用多旋翼的垂直升降能力，可以實(shí)現(xiàn)固定翼無(wú)人機(jī)的垂直爬升避障和原地迫降，大大提高了無(wú)人機(jī)的飛行安全性。復(fù)合翼無(wú)人機(jī)組成二、復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的飛行模式復(fù)合翼無(wú)人機(jī)完成一次飛行任務(wù)會(huì)經(jīng)歷多個(gè)階段，其飛行過(guò)程如圖：

根據(jù)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程可以看出，它的飛行狀態(tài)可以分為三大類：垂直起降飛行、過(guò)渡階段飛行以及固定翼巡航飛行。各飛行狀態(tài)的特點(diǎn)：1、垂直起降飛行狀態(tài)是以多旋翼為主，旋翼提高無(wú)人機(jī)所需的全部升力，具有多旋翼無(wú)人機(jī)的主要特性；2、固定翼巡航飛行狀態(tài)是以固定翼為主，由機(jī)翼提供大部分升力，具有固定翼無(wú)人機(jī)的主要特性；3、過(guò)渡階段飛行的特性則較為復(fù)雜，這是復(fù)合翼無(wú)人機(jī)獨(dú)有的特性。此類飛行狀態(tài)是多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)共同提供飛行所需的升力，共同參與無(wú)人機(jī)的控制。三、復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)包含了多旋翼系統(tǒng)和固定翼系統(tǒng)兩種，通過(guò)相關(guān)的結(jié)構(gòu)將兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合在一起，如圖，通過(guò)飛控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。1、多旋翼系統(tǒng)多旋翼系統(tǒng)由機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置和飛控組成。多旋翼系統(tǒng)組成多旋翼系統(tǒng)的功用包括：多旋翼系統(tǒng)主要保障了復(fù)合翼無(wú)人的起降階段；多旋翼系統(tǒng)的載重能力決定了復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的最大起飛重量；多旋翼系統(tǒng)的可靠性決定復(fù)合翼無(wú)人機(jī)在起降階段的安全性；多旋翼系統(tǒng)在復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的迫降和固定翼飛行階段的尾旋改出中都發(fā)揮著重要作用。機(jī)體結(jié)構(gòu)多旋翼系統(tǒng)的機(jī)體結(jié)構(gòu)通常指的是機(jī)臂。機(jī)臂是連接多旋翼系統(tǒng)和固定翼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合翼無(wú)人機(jī)整機(jī)承載過(guò)程中，機(jī)臂是主要的承力點(diǎn)，因此機(jī)臂需要很高的強(qiáng)度和可靠性。機(jī)臂也經(jīng)常作為尾翼的尾撐使用。動(dòng)力裝置目前主流的多旋翼動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式是以電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生拉力。因此，多旋翼系統(tǒng)的動(dòng)力裝置組成包括電池、電子調(diào)速器、電機(jī)、螺旋槳組成。旋翼系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)1)電池多旋翼系統(tǒng)要求電池在起降階段能夠提供較大的功率，而在固定翼階段電池又成為額外載重，會(huì)降低無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，因此希望這部分重量盡可能的小。鋰電池是多旋翼中應(yīng)用最廣泛的電池，其優(yōu)點(diǎn)是擁有較大的放電能力，且能量密度比較大。2)電子調(diào)速器電子調(diào)速調(diào)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的重要元器件。電調(diào)的兩個(gè)主要功能分別是：第一，將鋰電池的直流電轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需的交流電；第二，將飛控計(jì)算機(jī)的脈寬信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)，即三相交流電的頻率。3)電機(jī)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的直接動(dòng)力源，它是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。電機(jī)可以分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，無(wú)人機(jī)大都使用無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，按定子的位置可以將電機(jī)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和外轉(zhuǎn)子電機(jī)。外轉(zhuǎn)子電機(jī)成為無(wú)人機(jī)主要使用對(duì)象。無(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖。無(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)圖4)螺旋槳螺旋槳是為多旋翼無(wú)人機(jī)提供升力和直接控制力的部件。從材料和結(jié)構(gòu)來(lái)看，帶泡沫夾心的碳纖維螺旋槳是無(wú)人機(jī)應(yīng)用最廣泛的螺旋槳，這類螺旋槳不僅重量輕而且強(qiáng)度高。從氣動(dòng)角度來(lái)看，多旋翼無(wú)人機(jī)的螺旋槳具有大螺距的特點(diǎn)，這類螺旋槳可以在來(lái)流速度相對(duì)較小的時(shí)候產(chǎn)生較大的靜拉力。旋翼螺旋槳槳葉2、固定翼系統(tǒng)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的固定翼系統(tǒng)主要運(yùn)行在巡航作業(yè)階段。固定翼系統(tǒng)與多旋翼系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：可靠性高、氣動(dòng)效率高、飛行穩(wěn)定性好、操控簡(jiǎn)單、平臺(tái)振動(dòng)小。

固定翼系統(tǒng)主要由機(jī)體結(jié)構(gòu)、航電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和任務(wù)載荷組成。固定翼系統(tǒng)組成1)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合翼無(wú)人機(jī)中常見(jiàn)的布局形式有常規(guī)布局、V尾布局、飛翼布局和鴨翼布局。這些布局形式主要是氣動(dòng)方面的不同，機(jī)體結(jié)構(gòu)的形式基本類似，即蒙皮骨架的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)體結(jié)構(gòu)是無(wú)人機(jī)的受力和傳力部件。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的是在保證一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能的降低結(jié)構(gòu)重量。機(jī)體結(jié)構(gòu)部件包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼。固定翼系統(tǒng)的機(jī)體結(jié)構(gòu)2)航電系統(tǒng)航電系統(tǒng)是固定翼系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包含飛控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)、氣壓計(jì)、GPS、磁羅盤、線纜等部件。飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)控制指令和各類傳感器的信號(hào)，通過(guò)對(duì)舵機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)預(yù)定的飛行軌跡。固定翼系統(tǒng)的航電系統(tǒng)3)推進(jìn)系統(tǒng)固定翼系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)是指復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的平飛動(dòng)力總成，包含電源系統(tǒng)或燃油系統(tǒng)、電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)以及螺旋槳。平飛所需推力是由螺旋槳的拉力提供的，螺旋槳是由發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。油動(dòng)無(wú)人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)電動(dòng)無(wú)人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)4)任務(wù)載荷任務(wù)載荷是為了某項(xiàng)飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)搭載的設(shè)備。復(fù)合翼無(wú)人機(jī)常集成的載荷有測(cè)繪相機(jī)、激光雷達(dá)、光電吊艙、多光譜相機(jī)等。航測(cè)相機(jī)傾斜攝影相機(jī)多光譜相機(jī)高光譜相機(jī)光電吊艙激光雷達(dá)四、旋翼系統(tǒng)與固定翼系統(tǒng)的匹配關(guān)系1、固定翼系統(tǒng)對(duì)多旋翼系統(tǒng)的影響

受到固定翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的影響，會(huì)限制多旋翼螺旋槳的直徑大小，影響螺旋槳的效率；由于固定翼系統(tǒng)的存在會(huì)降低多旋翼的抗風(fēng)性能；

固定翼系統(tǒng)造成無(wú)人機(jī)迎風(fēng)面積增加，在多旋翼的操控時(shí)產(chǎn)生較大的阻尼，阻尼的增加就要求旋翼螺旋槳產(chǎn)生更大的操縱力。更重的電機(jī)、電調(diào)、電池和螺旋槳，降低了無(wú)人機(jī)性能。2、多旋翼系統(tǒng)對(duì)固定翼系統(tǒng)的影響

在巡航階段，多旋翼系統(tǒng)的死重不僅會(huì)降低復(fù)合翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力和載重能力，在總體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，這部分重量還會(huì)像滾雪球一樣被放大；外露的旋翼系統(tǒng)部件會(huì)增加巡航時(shí)的阻力。五、起降階段的影響因素影響復(fù)合翼無(wú)人機(jī)起降的主要因素有安全高度、安全速度以及風(fēng)速風(fēng)向等。安全高度設(shè)置安全高度是為了避免飛機(jī)在加減速階段撞到建筑或樹(shù)木上，安全高度由起降點(diǎn)周圍的環(huán)境決定。安全速度安全速度是旋翼系統(tǒng)鎖槳（起飛階段）和啟動(dòng)（降落階段）的判斷速度，安全速度是與固定翼系統(tǒng)失速速度相關(guān)的速度，一般失速速度乘上一個(gè)安全系數(shù)，因此失速速度和安全系數(shù)決定了安全速度的大小。風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)速和風(fēng)向直接影響著無(wú)人