旋翼机缩比航模的设计与制作

旋翼机缩比航模的设计与制作
张春霆;李晓龙;洪俊新
【摘要】本文针对无人自转旋翼机的特点,运用空气动力学和运动学的知识,简单地介绍了旋翼自转的原理.根据设计方案,对无人驾驶旋翼机缩比制作进行了模型构建和飞行特性的分析,并遵循空气动力学基本原理,设计旋翼机缩比模型,合理布局、优化配置,完成制作,达到预期效果.
【期刊名称】《产业与科技论坛》
【年(卷),期】2016(015)013
【总页数】2页(P81-82)
【关键词】旋翼机;航模制作;设计原理
【作者】张春霆;李晓龙;洪俊新
【作者单位】武汉军械士官学校;武汉军械士官学校;武汉军械士官学校
【正文语种】中文
旋翼机(自转旋翼机)属于航空器家族中的一员，属于旋翼类飞行器。

在外型方面，旋翼机和直升机相似，但飞行原理却有着较大的区别。

主要在于旋翼机的机身上方的旋翼为无动力驱动的旋翼，主要依靠周围的气流带动来实现自转，从而为机体提供向上的升力。

但其前进的动力则是依靠机体的前进方向上的发动机和螺旋桨，如同固定翼飞机一样，它是由发动机带动螺旋桨转动产生动力，推动飞机前进。

由于旋翼机这种特殊的构造和飞行原理，使该机型构造简单，而且具备较高安全性、经济性，应用前景比较广阔。

近两年，国内关于旋翼机方面的研究逐渐增多，有不少飞行爱好者经过学习，成功地对其进行了制作并实现了有人驾驶下的近地飞行。

一些科研单位，如：南京航空航天大学直升机设计研究所、武汉军械士官学校无人机飞行与控制系统教研室等机构分别对自转旋翼气动特性、无人自转旋翼机飞行控制技术方面进行过研究，这些研究探索都为国内旋翼机的发展和使用提供了宝贵的经验。

旋翼机和直升机一样以旋翼作为主要的升力装置，但驱动旋翼转动的动力来源不同，旋翼机在起飞时需要拉力或推力，所以通常采用地面滑跑这种起飞方式，这样螺旋桨由迎面吹来的风驱使旋翼逆时针转动，以提供机身前部拉力或后部推力以及升力，而此时旋翼机前飞时的桨盘向后倾斜而不像直升机那样向前倾斜。

另外，旋翼机在向前飞行时，相对来流则是自下而上穿过桨盘平面，这样便可以使旋翼具有正迎角实现旋翼的自转。

旋翼无动力驱动依靠相对气流运动旋转是旋翼机的显著特征，其旋翼的主要功能就是利用气流运动为机体提供升力及俯仰、滚转力矩。

(一)机身。

机身是固定旋翼、尾翼及各个部件的基础，还要装备动力装置、设备、起落架等。

其设计要求如下：
1.气动方面。

从气动学观点看，机身只产生阻力，不产生升力。

所以它的尺寸要小，外形为流线型，没有突角、突出物，表面要光滑。

2.结构方面。

要有良好的强度、刚性，重量要尽可能轻，连接要牢固。

3.使用方面。

机身要有足够的空间放置设备、电池、舵机和线缆等，便于组装和拆卸维修。

4.材料方面。

机身材料要轻便，制作工艺要简单，经济实用。

综上考虑，在机身设计方面采用了梁框式设计，在主要受力部位使用了加强隔框和隔板，旋翼桨杆使用了航空轻木。

既保证了机身的牢固性，又最大限度减轻机体的重量，节约了升力。

(二)旋翼。

根据参考以往旋翼机设计经验和对已有旋翼机参数的归纳总结，目前使
用中的旋翼机大多属于轻、小型的，重量比(空机与总重之比)约0.6。

所以在旋翼
机缩比模型的设计中，着重考虑机体的材质、重量、强度。

经参考资料得知，为使其拥有较好的性能，需参考以下参数，如：停车下降率约为5m/s，功率载荷 q 小于59.2N/kw,桨盘载荷p小于12kg/m2。

桨叶片数k可以参考直升机方法确定，经过实飞试验，双桨叶设计不能给本方案提供足够的升力，而且操纵性也比较差，故淘汰了双桨叶设计，经反复验证，改采用三桨叶设计。

(三)动力装置。

在旋翼机的动力源选择方面，现在大部分的小型旋翼机或航模一般采用电机或者小型汽油发动机驱动。

汽油发动机技术应用在航模或者小型旋翼机上是比较成熟的，但缩比机型设计要使用汽油发动机会增加飞机起飞重量和设计难度，对飞机的安全也是一个不确定因素。

而微型电动机则没有这方面的顾虑，经过查询资料，对有刷电动机和无刷电动机的性能和构造进行了对比。

发现无刷电机较有刷电机而言具有低干扰、噪音低、寿命长、不会在负载突变时产生振荡和失步等优点。

此外，无刷电机的输入是直流的，输出三相交流电，可以直接驱动电机，另外通过遥控对无刷电子调速器的控制可以达到调整飞机的各种飞行姿势和动作的目的。

(四)参数确定。

旋翼机的参数与动力学、气动学、结构重量及操作稳定性等因素联系非常紧密。

该部分在设计的过程中需要根据实际情况进行综合考虑。

其总体设计参数包括：总重Gw，载荷 Guse，旋翼半径 R，旋翼桨叶弦长 b，旋翼桨尖速度
ΩR，桨盘载荷p，旋翼实度σ，功率载荷q，螺旋桨桨叶半径 Rp等等。

这些参数直接决定着飞机的飞行性能，比如:旋翼机桨盘载荷 p 对前飞最大速度影响较小，
对最小速度影响却很大。

轻小型旋翼机总矩角θ一般是固定的，θ增加，则最小
飞行速度减小，最大飞行速度增加，一般3°～5°较理想等等。

这些参数通常作为
基础参数进行设置，但还需通过试飞验证效果，不断观察改进才能得到最佳方案。

本次制作经数十小时的试飞验证，则发现将安装角选为6°～7°时，操纵性能最佳。

(五)制作与试飞。

根据设计图纸制作机体部件(航空轻木、层板)。

组装机体、安装
动力和传动机构(无刷电机、锂电池、电子调速器、传动轴)。

控制器线缆连接。

初步设计完成后，飞机的具体参数：机长：650MM，不含电机 (含电机720MM)，旋翼尺寸：40*445*3片；操作总成结构：90度周期操作总成操控通道：六通道；空机净重：约360克最大起飞重量：900克。

电子设备要求：电机：25A 驱动桨：9寸桨；舵机：9克*3个(两个控制旋翼俯仰和倾斜，一个控制方向舵和后起落架)；电池：1，300mA的4S锂电池(电流强、容量大、质量相对较轻)；电子调速器遥控接收器/遥控发射器。

经过飞行测试，制作的旋翼机可完成正常飞行。

【相关文献】
[1]朱清华，李建波，倪先平，张呈林.旋翼机总体设计的几个问题[J].航空科学技术，2006,5:28～
32
[2]郝春杰.无人驾驶旋翼机控制系统研究[D].南京航空航天大学，2011，3
[3]王博，招启军，赵国庆.改进型CLOR桨尖旋翼机研究及数值分析[J].航空学报,2009，7
[4]王焕瑾，高正.旋翼机的稳定转速和气动特性[A].南京航空航天大学第十六2000全国直升机年会论文[C].2000
[5]张克高，旋翼机构造特点与飞行性能分析[A].中国民用航空学院第十六届(2000)全国直升机年会
论文[C].2000
[6]唐敏，唐正飞，吴浩东.旋翼反扭矩系统结构参考[J].直升机技术,2013，2。