一種新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

孫 瑜，王道波

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210016)

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(SJLX16_0100)；研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金(kfjj20160323)

作者簡(jiǎn)介：孫瑜(1990—)，男，碩士研究生，主要從事無人機(jī)控制系統(tǒng)研究。

本文引用格式：孫瑜,王道波.一種新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):82-84.

Citation：format:SUN Yu, WANG Daobo.A New Type of Auto-Rotating RotorUAV[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):82-84.

摘要：設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力裝置采用矢量推力技術(shù)的無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，提高了機(jī)動(dòng)性，降低了起飛距離，解決了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)巡航速度較低等問題；提出一種可促進(jìn)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)機(jī)體在軍民中的有效應(yīng)用的雙回路混合控制方法。

關(guān)鍵詞：自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)；矢量推力技術(shù)；混合控制；新構(gòu)型無人機(jī)

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的出現(xiàn)要早于直升機(jī)十幾年，20世紀(jì)20年代問世的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)C-3，最先實(shí)際應(yīng)用是旋翼升力原理，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在20世紀(jì)三四十年代曾被大量使用，后因直升機(jī)發(fā)展迅速，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)慢慢退出了人們的視野，由于自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安全性好、操縱簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，近年來再次引起航空界的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)以來自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方面的研究又有了長(zhǎng)足的進(jìn)展[1]。

盡管常規(guī)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上已比較成熟[2-3]，但是由于其結(jié)構(gòu)和動(dòng)力上的特點(diǎn)，常規(guī)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)巡航速度較低、機(jī)動(dòng)性差，在軍用、民用領(lǐng)域都受到極大限制。為解決上述問題，目前采用最多的是傾轉(zhuǎn)旋翼方法[4]。雖然傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)可以有效地解決以上問題，但是其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，并且降低了機(jī)型的安全性和穩(wěn)定性。

矢量推力技術(shù)對(duì)載人飛機(jī)的隱身性、機(jī)動(dòng)性的改善已被廣泛驗(yàn)證，矢量推力技術(shù)的應(yīng)用已成為無人機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本研究提出了一種無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，在取消了舵面控制、增大了機(jī)翼面積的同時(shí)[5]，通過兩個(gè)矢量推力裝置協(xié)助，為飛行器提供垂直平面內(nèi)的可變向推力，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、提高巡航速度，并實(shí)現(xiàn)超短距離起飛。這類機(jī)型為國內(nèi)外首次出現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種由旋翼自轉(zhuǎn)而非動(dòng)力驅(qū)動(dòng)獲得升力的旋翼類飛行器，一般帶有一個(gè)推進(jìn)螺旋槳提供前進(jìn)動(dòng)力，在這方面和固定翼飛行器類似；在外形方面與直升機(jī)非常相似，但在原理和結(jié)構(gòu)方面，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和直升機(jī)卻有著本質(zhì)的不同。由于自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其機(jī)動(dòng)性、飛行高度和巡航速度都受到限制。

1.2 新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

針對(duì)現(xiàn)有自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的缺陷，分析自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[6]。在傳統(tǒng)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基礎(chǔ)上，取消舵面，增大機(jī)翼面積，在機(jī)翼頂端增加了一組矢量推進(jìn)器，這使其在傳統(tǒng)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)基礎(chǔ)上，具有超短距離起降、高機(jī)動(dòng)性、快速飛行等特點(diǎn)。進(jìn)一步改進(jìn)，可在自轉(zhuǎn)旋翼槳尖增加起飛旋翼噴氣管。

在起飛階段，由于本機(jī)型配有起飛旋翼噴氣管，起飛旋翼噴氣管可以迅速獲得高壓氣流，使自轉(zhuǎn)旋翼轉(zhuǎn)盤獲得一定的起飛轉(zhuǎn)速，提高起飛升力，同時(shí)本機(jī)型的旋翼噴氣管較傳統(tǒng)預(yù)旋不僅輕便、隱藏性好，而且配備有快速解鎖脫鉤，可在飛機(jī)起飛時(shí)迅速解鎖。矢量推力可將螺旋槳向上偏轉(zhuǎn)一定角度，使得旋翼機(jī)實(shí)現(xiàn)超短距離起飛。另外，較傳統(tǒng)氣動(dòng)力控制而言，采用雙矢量推進(jìn)直接配合自轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)力形成混合力控制，增加了旋翼機(jī)的機(jī)動(dòng)性。當(dāng)旋翼機(jī)達(dá)到較高的飛行速度時(shí)，可由機(jī)翼提供一定的升力，減小了旋翼的迎風(fēng)阻力，在矢量推力的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)高速飛行，新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)原理樣機(jī)如圖1所示。

圖1 新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)原理樣機(jī)

2 機(jī)體組成結(jié)構(gòu)

新型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由機(jī)身、機(jī)翼、變推力軸線動(dòng)力裝置、自轉(zhuǎn)動(dòng)旋翼裝置、機(jī)載航電系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

2.1 機(jī)身

該型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的機(jī)身由高強(qiáng)度玻璃纖維制成，內(nèi)部包含電源、陀螺儀、GPS、控制箱等機(jī)載航電系統(tǒng)。需要注意合理分配內(nèi)部空間，使其有效進(jìn)行重力配平，使機(jī)體重心在軸線上。該型機(jī)身較其他固定翼飛機(jī)而言氣動(dòng)對(duì)于飛機(jī)的影響較小，于是設(shè)計(jì)為隱身度較高的外形。由于該類機(jī)型以軍用為主，且日常巡航速度較低，可以在一定范圍內(nèi)忽略機(jī)身外形的阻力，采用隱身度較高的氣動(dòng)外形。另外，本機(jī)型取消機(jī)翼和尾翼的舵機(jī)控制，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)體結(jié)構(gòu)，增加機(jī)型的穩(wěn)定性。

圖2 原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無舵面機(jī)翼

該型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)機(jī)身為隱身設(shè)計(jì)，在低速飛行時(shí)風(fēng)阻的影響可以不考慮，但在高速飛行時(shí)所受阻力會(huì)大大增加。為了確保旋翼機(jī)在高速巡航時(shí)的飛行穩(wěn)定，提高機(jī)型的軍事用途，設(shè)計(jì)無舵面機(jī)翼，在傳統(tǒng)旋翼機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，取消舵面，增加兩側(cè)機(jī)翼面積。這使該型無人機(jī)轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在高速飛行時(shí)，機(jī)翼可以提供較大升力，保證機(jī)身穩(wěn)定飛行[7]。

2.3 電源

考慮到機(jī)身配平和和集成尺寸于便攜性，該型無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)內(nèi)部的電源采用27 V分散式超級(jí)鋰電池。該型電池不僅具有快充特點(diǎn)，而且可以將電池質(zhì)量分散，可以有效地進(jìn)行機(jī)體重心配平，同時(shí)，使用前，只需較短時(shí)間就可以充好電。機(jī)身上預(yù)留充電孔與充電控制開關(guān)。

2.4 變推力軸線動(dòng)力裝置

變推力軸線動(dòng)力裝置固定于安裝在機(jī)身兩側(cè)的無舵面機(jī)翼支撐桿軸上，支撐桿軸可以繞桿中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)與舵機(jī)相連，可以使此推進(jìn)機(jī)構(gòu)指向垂直平面內(nèi)的任意方向，給機(jī)體提供推力矢量。另外，還設(shè)計(jì)有基于以DSP為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，可以有效地控制發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速與動(dòng)力分配，其主要包括核心控制板、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、油門舵機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

當(dāng)機(jī)體作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)身左右兩側(cè)的動(dòng)力裝置同時(shí)產(chǎn)生正向/副向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力相對(duì)重心產(chǎn)生正向/副向力矩；當(dāng)機(jī)體作滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)身左右兩側(cè)的動(dòng)力裝置產(chǎn)生差動(dòng)偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力相對(duì)重心產(chǎn)生異向力矩。

2.5 模塊化飛控系統(tǒng)

為了保證無人自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的穩(wěn)定性與高效能，本研究設(shè)計(jì)了模塊化的飛控系統(tǒng)，包括信號(hào)調(diào)理、電源分配、功率放大、核心處理、任務(wù)執(zhí)行等，將每個(gè)功能模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)并封裝硬件，配置統(tǒng)一接口，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可移植性。

整個(gè)飛控系統(tǒng)以飛控計(jì)算機(jī)為核心，飛控計(jì)算機(jī)接收地面測(cè)控站發(fā)出的操控指令，通過指令選擇識(shí)別，將不同的指令信號(hào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的控制率解算回路，并將解算結(jié)果通過功率放大輸出給相應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。同時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)采集飛行參數(shù)信息，通過機(jī)載電臺(tái)與地面測(cè)控站通信，保證地面操縱人員有效控制。

3 混合控制方法與技術(shù)指標(biāo)

3.1 混合控制方法

參考串級(jí)控制思路，采用如圖3所示混合控制策略，即在自轉(zhuǎn)旋翼槳盤氣動(dòng)力的基礎(chǔ)上,增加推力變向直接力控制裝置[8]。本研究控制器裝置分為內(nèi)環(huán)回路和外環(huán)回路，如圖4所示，內(nèi)環(huán)回路是姿態(tài)回路，外環(huán)回路包括位置回路和高度回路。為使控制系統(tǒng)同時(shí)具有良好動(dòng)態(tài)特性與阻尼特性，關(guān)于姿態(tài)控制均采取角位置與角速率雙閉環(huán)反饋控制回路[9]。

圖3 混合控制策略

圖4 控制回路說明

3.2 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)

考慮到成本問題，設(shè)計(jì)機(jī)型為縮比的原理樣機(jī)，所設(shè)計(jì)的實(shí)際機(jī)型質(zhì)量約為250～300 kg，可攜帶40～50 kg載荷，飛行速度可達(dá) 250 km/h?？s比原理樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下[10]：

1) 起飛距離：小于15 m；

2) 爬坡坡度：50°左右；

3) 航向變化率：45°～60°；

4) 每秒轉(zhuǎn)彎半徑：最小約為120 m；

5) 飛行速度：約為20～40 m/s；

6) 機(jī)體滿油質(zhì)量：35 kg；

7) 任務(wù)載荷：15～20 kg。

4 結(jié)論

由于本機(jī)型具有超短距離起降的特點(diǎn)，對(duì)于起降環(huán)境要求較低；又因其負(fù)載較大，可以在機(jī)體上安裝大型任務(wù)設(shè)備；同時(shí)，機(jī)動(dòng)性大、允許巡航速度范圍廣，使得該機(jī)型可以完成多種任務(wù)。由于以上特點(diǎn)，本機(jī)型可用于軍用運(yùn)輸、邊防巡查、艦載機(jī)、仿直升機(jī)特性靶機(jī)等；也可在惡劣環(huán)境下進(jìn)行民用任務(wù)，如森林防火、農(nóng)藥噴灑、航測(cè)、救災(zāi)物資運(yùn)輸?shù)鹊?/p>