一种两轴和四轴扇翼飞行器的设计
摘要：飞行器的发展，一是追求经济性和高效性，这是固定翼飞机的特长；二是追求垂直起降，不需要起降跑道，低空低速性能好，这是直升机的特长。固定翼要求较长的起飞距离，低空低速升力系数差，不适合起降困难地区的使用；直升机整体构造和使用复杂，航程距离短，有效载荷低。该设计对扇翼多轴飞行器进行了从气动分析到设计，再到优化最后进行制作与验证性试飞，这一系列工作难度较大。这一飞行器属于新概念飞行器，从未投入实际运用，可参考资料相对较少，但是具有现有飞行器所不具有的优势。飞行器具有很大的研究价值，应用前景广阔。近年来，国内外正在探索一种新概念扇翼飞行器，它是介于直升机和固定翼飞机之间的一种大载荷低速飞行器，由于扇翼飞行器结构和操控简单，具有高飞行效率、高载荷、低噪声和短距起降等优点，使其具有很大的发展优势，成为近年来飞行器领域新的研究热点[1]。
关键词：扇翼飞行器；横流风扇；短距起降
1 研究内容
本设计基于扇翼横流风扇原理技术，该无人机同时具备短距起降、低速高升阻比、飞行稳定、大载重的优点，并且能够应用于军事和民用的运输任务，城市或起飞困难地区的物资运输。本设计使用扇翼横流风扇作为动力，可实现短距起降的高载荷多轴无人机，其横流风扇设计制作和扇翼多轴布局都具有很好的创新性，另外，该设计装备具有两轴和四轴两种型号，可根据不同的任务需求来进行选择和使用。
2 设计内容
2.1 机翼结构
多轴扇翼机的一大核心研究内容就是扇翼的设计。扇翼是飞机的动力来源。首先从结构强度上，扇翼的叶片需要能够承受着飞行过程中空气的反作用力，且形变要求在一定范围中，所以扇翼的结构设计、整体抗扭和扇翼材料工艺是机翼设计上的一大重点，也是多轴扇翼机能够进一步提高实用性的难点，其次扇翼动力的设计还要保证高升力。
以下设定扇翼机机翼的几个低耦合参数：风扇半径r为60mm，横流风扇叶片外缘与前缘弧形槽内圆半径 R1 之间距离，即前缘弧形槽间隙θ为8mm，扇翼机翼后缘点到横流风扇叶片外缘之间最远水平距离 L 为220mm，扇翼机翼下翼面与上翼面斜面段夹角后缘角β为35°，横流风扇叶片弦线与 Y 轴夹角叶片安装角γ为10°，数值模拟中选取机翼展长d为1m，机翼下翼面与来流方向平行时迎角α为4°，横流风扇叶片数 n 为12片[2]。此外，叶片弦长取20mm，风扇转速2000r/min左右。这样除前缘开口角σ以外的机翼设计參数基本确立。
除了这些低耦合参数以外，扇翼机还存在一些高耦合参数。其中最重要的就是：推力和升力、迎角和前缘开口角。1）推力和升力：选取以推力为约束，最大化升力，来优化扇翼上、下翼面形状。通过Sculptor 高阶网格变形方法来参数化扇翼上、下翼面，同时采用多岛遗传算法（MIGA）和序列二次规划算法（NLPQL）根据优化策略和流程针对具体算例对扇翼的上、下翼面形状进行优化[3]。2）迎角和前缘开口角：在扇翼前缘安装可动前缘小翼来提高大迎角时扇翼飞行器的升力。前缘小翼尺寸占扇翼前缘处约 10°范围，其长度为12mm。设计前缘小翼为一个矩形叶片，在扇翼前缘开口角处放置。前缘小翼旋转中心为矩形叶片中点，前缘小翼叶片位于扇翼机翼前缘段所在的圆弧延长线上，取前缘小翼叶片中点位置延长线的切线与前缘小翼叶片弦线夹角定义小翼旋转角度，前缘小翼叶片弦线与切线平行即小翼安装角为 0°，此时前缘小翼弦线与半径方向垂直，同时定义前缘小翼向横流风扇内部旋转（逆时针）为正[4]。前缘小翼旋转角度范围为0°到90°。并通过KK2.15飞控进行调节，调节对应范围为飞机俯仰角度0°到30°。
2.2 飞机整体结构
第一是多轴扇翼机需要设计理想的飞机整体气动外形，包括机身、扇翼及其他操纵面的协调与平衡，实现超短距起降以及大载重比。第二是保证扇翼气流不会干扰到飞机的操纵面，保证飞机的稳定操纵和飞行的方便性。第三是对飞机细节调整，包括前后排风扇转速协调，全机身防震等，实现飞行过程中的稳定飞行，提高实用价值。
2.3 运动机构
横流风扇采用共轴传动，以传统航模飞机电控方式控制扇翼转速。其他操纵面与普通固定翼无人机的舵机传动相同。适时还会加入无人机的开源飞控技术，已达到飞机操纵的方便性。
3 技术方案
一种具备短距起降、低速高升阻比、飞行稳定、大载重的多轴扇翼无人机，所述无人机包括机身、扇翼部件、升降及方向控制部件、动力部件、通信与接收模块指挥控制模块、前起落架（12）和后起落架（13）；其中所述扇翼部件包括横流风扇（8）和机翼，其中所述横流风扇（8）包括叶片（1）和叶片座（2）；该无人机运行时驱动电机与传动装置带动横流风扇（8）转动，飞行器利用风扇旋转时产生的升力和推力作为动力，供给自身进行飞行，通过升降及方向控制部件控制无人机的升降、转向、横滚、俯仰和偏航。
4 总结
飞行器的设计制作与试飞本就是一个复杂的工作，而且此作品涉及的多轴扇翼飞行器是刚刚出现不久的一款新概念飞行器，其具有现有飞行器无法达到的一系列优势，具有很广阔的研究与应用前景。本设计能对这一飞行器的飞行原理进行研究，进而对其进行一系列优化，并成功试飞，具有相当的技术水平。
参考文献：
[1]邸南思.面向飞行机器人的扇翼翼型数值分析与实验研究[D].上海：华东理工大学，2014.
[2]蒋甲利，牛中国，刘捷，许相辉.扇翼飞行器机翼布局研究[J].航空科学技术，2009（3）.
[3]Askari S.， Shojaeefard M.H. Shape optimization of the airfoil comprising a cross flow fan[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2009，81（5）：407415.
[4]冯衬.前缘小翼及开槽对扇翼气动性能影响分析[D].南京：南京航空航天大学硕士论文，2015.
基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201610059002）
