涵道尾撑式短距起降飞行器

航空航天◎
通过调研文献，我们选择 NACA4415 翼型作为飞行器 的翼型，该翼型具有较高的最大升力系数和较低的阻力系数。 机翼的具体参数如表 2 所示。
Байду номын сангаас表 2 机翼设计参数
翼型（机翼） NACA4415 6 1.2m 200mm 50mm 根梢比 面积 襟副翼展长 襟副翼位置 1 24dm2 520mm（单侧） 自翼尖起
引言
结构设计
方案确定好后，我们开始了总体设计，参照总体设计要 求，我们设计原则如下： （1）飞机最大起飞重量不超过 3.5kg，翼展小于 2m， 中央涵道可承载，1.5 公斤的力； （2）中央涵道不打开时，也能进行飞机的试飞； （3）飞机的试飞速度应当控制在地面遥控能接受的速 度，不能过高； （4）考虑飞机舵机和电池的装载位置，以保证更好的 结构质量分配，减少配重； （5）结构应当在满足强度、刚度、空间布置的要求下， 尽可能的轻 ; （6）由于增加了中央涵道，所以产生了反扭矩，为了 克服反扭矩，我们采用让垂尾打向一个舵偏来平衡涵道反扭
涵道尾撑式短距起降飞行器
本研究通过理论设计，制作样机，并进行试飞测试，验 证了该涵道飞行器具有优异的短距起降能力，为后续研究打 下基础。 翼气动布局，这导致传统无人机难以在复杂的地形中完成起 降，空中灵活性不足。于是我们希望设计一种兼备传统无人 机飞行速度高、航程大和直升机机动灵活、可在复杂地形完 成起降两种优点的新型无人机。于是我们开始在网上查询相 关资料，得知倾转旋翼机具备以上优势。于是我们进行了深 随着科技的发展无人机的使用及需求越来越广泛。如今 已经可以投入使用的无人主要采用固定翼，单旋翼 , 多旋翼 这三种布局。但这三种布局各有起降场地、作业范围受限； 噪音大、载重小、飞行速度慢；续航低、飞行速度慢的不足。 所以在城市环境中，传统的无人机比较难适应错综复杂的空 中环境从而很难获取到准确的战术信息。就上述而言，一种 兼顾传统布局优点，改善传统布局缺点，能在狭小地方起落， 并在复杂的空中情况下灵活机动的无人机变成了一个热点话 题。 本作品中所讨论的涵道式无人机具有可短距离起降甚至 空中悬停的特性，在体积、隐蔽性和飞行性能上都具有非常 鲜明的特点。涵道式飞机机动性独具特色，与固定翼飞机相 比，它可以围绕固定点悬停监视；但拉力又较同等功率的直 升机，前飞阻力小，速度高。由于涵道式无人机属于较为新 型的航空器，研究起步较晚，存在很多不足之处。 入讨论，认为该设计难点在于倾转旋翼结构的设计。但经过 反复讨论和向老师询问，我们认定该方案难以实现。于是在 老师的指点下，我们转变思路，决定设计一款涵道式无人机。 涵道风扇较同样直径的孤立风扇能产生更大的升力，且风扇 环括在涵道内，既可阻挡风扇气动声向外传播，又结构紧凑、 安全性高。涵道风扇可以满足我们对无人机短距甚至垂直起 降的性能要求。这个设计方案规避了倾转旋翼结构的难点， 同样可以实现预计设计目标。
北京市第三十五中学 point 范宇煊为北京市三十五中科技班学生，2016 年入选“北京青少年 科技后备人才早期培养计划”，获得“2016 年度北京青少年科学 探索专项资金”资助经费，获得第九届全国中学生趣味力学制作邀 请赛一等奖。作为优秀科技创新人才代表，接受人民日报采访，畅 谈青少年科技创新人才培养的体会。 人民网、 腾迅网等网站都有刊载。 范宇煊与同届三十五中科技班小组成员李想、张柏翕，共同获得 2016 年北京市西城区科技创新大赛一等奖、第 37 届北京西城区青 少年科技创新大赛二等奖、2016 年北京市西城区金鹏科技论坛活 动高中组一等奖、北京少年科学院二等奖等奖项。
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中国科技信息 2017 年第 23 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Dec.2017 DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2017.23.004
可实现度
可替代度
行业曲线
link
industry
影响力 真实度
范宇煊 李 想 张柏翕
图 1 涵道飞行器设计草图 图 2 涵道飞行器总体效果图
展弦比 展长 弦长 襟副翼弦长
根据总体给的参数，在 catia 中进行建模，其中相邻翼 肋采用 100mm， 且在端部和电机、 尾撑处均采用了加强翼肋。 为了保证翼肋和前梁、后樯的紧密连接，我们采用了卡式连 接，这样保证了翼肋是整体的，而不是前后分段的，翼肋后 部镶嵌到了后樯专门开的卡口里。卡槽不仅起到了固定的作 用，也起到了定位的作用。由于翼梁和后樯也是机身的零件， 这样，加上碳管，就将机翼和机身紧固的连接到了一起。为 了提高根部翼梁的强度，我们设计了加强片，加强片的强度 也是层板材料。机翼整体有两根纵向的碳管，这样能使机翼 承载的力中很大一部分直接传递到机身处，双碳管结构不仅 增加了机翼的抗弯强度和刚度，也极大的提高了机翼的抗扭 刚度。其中，机翼效果如图 3、图 4 所示： 机身设计 由于增加了中央涵道，所以机身的设计是最复杂的。我 们采用的虽然也是框架结构，但是我们和常规的机身还是有 很大区别的。由于机身要承载电池、中央涵道、机翼和尾撑 传来的载荷、机身自身的气动载荷、起落架的力，所以机身 采用了全层板结构。机身整体外形为流线形，虽然对蒙皮工 艺造成了难度，但既美观又能减租。而且为了保证结构的一 体性，我们做了一根 1.5m 的碳杆，这样不仅加强了机翼和 机身的整体性，而且也增强了机身自身的强度。中央涵道采 用玻璃纤维板材料，既便于卷折也十分美观可靠。 为了满足电池的可拆卸，鉴于重心的考虑，我们需要将 电池放在机头，所以我们采用了“可拆卸式机头”设计。细 节的部分有很多，例如为了加强机身，我们设计了一个加强 板，这样既能满足机身维形的作用。也将机翼传来的扭矩均 匀的传到了机身上，对结构的强度有很大的作用。 为了满足起落架安装的要求，我们留了起落架的空间， 在后面会讲解。如图 5 所示。 垂尾设计 垂直尾翼不仅要用来保证飞机的纵向稳定性的，而且方 向舵的设计还要保证在飞行过程中能保证产生一个抵抗中央
方案设计 设计思路
以小组形式设计制作一架涵道尾撑式短距起降飞行器的 航模飞机。从总体设计，到组装、调试、试飞，学习飞机设 计制作过程。 首先上网查找信息，得知传统无人机大都采用常规固定
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CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Dec.2017·中国科技信息 2017 年第 23 期
行业关联度 随着科技的进步和城市的发展，无人机
的使用越来越广泛，适应各种空中环境和起 降环境的无人机成了无人机发展的方向。本 文在参考国内外涵道风扇类飞行器气动布局 的基础上，设计了一种涵道与前拉复合式飞 行器。该构型相比常规构型涵道飞行器具有 较大的飞行速度， 同时由于涵道的增升作用， 使其短距起降性能也相对较好。