基于科恩达效应的无人飞行器

基于科恩达效应的无人飞行器

简介：

近年来，无人飞行器的垂直起降和悬停能力越来越受到关注，是实用化无人飞行器研究的热点，近年来研制出了多种新型布局飞行器，基于科恩达效应的飞行器就是其中的一例。本文在充分借鉴已有同类科恩达效应飞行器设计经验的基础上，以吹风实验结果为主要参考依据，提出了基于共轴反桨动力系统和开口式舵面的设计方案，开展了气动、结构、控制等方面的设计工作，并制作和试飞成功了验证飞行器，对各项设计指标进行了有效的验证。

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详细介绍：

该飞行器采用了由直纹曲面组成的八瓣形外壳和开口式舵面的控制方案，既充分利用了附壁效应，又简化了内部结构，便于设计和制造；结构设计上采用了环形框架与中央塔座相结合的设计，传力路线合理，承载效率高，多次落震实验证明该结构体能够满足承载垂直落地情况下冲击力的要求。该飞行器选用了电动共轴反桨动力系统，最大限度地减小螺旋桨转动时的反扭力矩，提高了相对效率，避免了单桨状态下复杂的反扭机构，使得全机质量进一步集中于中轴线上，提高了全机的操纵性和稳定性。 项目组经过大量的试验和分析发现，充分利用科恩达效应的关键是稳定气流流场。该飞行器采取了升力螺旋桨加装涵道和壳体表面加装导流片的方式，很好地抑制了涡流，稳定了流场，同时维持了结构的简单。 与传统垂直起降飞行器需要三轴增稳相比，该飞行器在航向方向较容易控制，故只需对纵向和横向两轴增稳，简化了控制方案，方便了操作。 该飞行器采用了三维数字化设计，较为方便地完成了全机结构的设计、重量控制与优化、设备配置等设计工作；科学的实验方法、充分的实验基础，保证了项目的顺利进行。 验证试飞的结果证明，该飞行器有控制效率高，安全性好，可扩展设计性强等优点，在农业、安保、防务等方面，尤其是城市环境使用领域，具有较广阔的应用前景。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

该作品的主要目的是开发一种利用科恩达效应产生升力并进行控制的新型垂直起降无人飞行器，同时具有飞行控制效率高、使用维护成本低、安全性好等特点，满足在无人飞行器应用越来越广泛的大趋势下对飞行器综合性能的苛刻要求。 该作品飞机的方案有如下创新点：1 机体采用了由直纹曲面组成的八瓣形外壳，简化了结构设计，为后面的控制原理奠定了结构基础；2 机体动力采用了共轴反桨电机系统，避免了复杂的单桨或单风扇状态下的抗反扭矩机构。3 在控制上，采用基于科恩达效应的开口式舵面，建立了与普通固定翼飞机相同的机体轴和三轴控制方案，方便了理解和操作；4 与所有的飞行器一样，减重是永恒的任务。作为技术验证机，本项目采用了结构及承载效率较高的环形框架与中央塔座相结合的设计，并且大量采用轻质高强材料，使得全机的重量得以控制和优化；5 采用简单高效的稳定流场方案：共轴反桨加装涵道用来约束空气和抑制桨尖涡流，同时壳体表面安装导流片用来稳定机体表面的气流流动；6 本项目飞行器具有较好的航向安定性，飞行时只需要对纵向和横向两轴增稳，简化了控制方案，降低了成本。 该作品飞机的几个主要设计参数： 机体外切圆直径： 0.75 m 机体高度： 0.44 m 机体竖直方向投影面积： 0.53 m2 最大舵偏角： 内偏20º 空载起飞重量： 1.9 kg 悬停续航时间： 15 min

科学性、先进性

该作品的研究工作从气动、结构等角度分为以下几个方面： 1 研究项目飞行器的气动设计方案，进行理论上的论证，并进行试飞验证； 2 研究飞行器的结构设计方案，主要设计主承力结构和主传力路线，保证抗拉、压、弯、扭的强度，并在试飞中进行验证和改进； 3 研究新型飞行器的控制方案，调试各个环节的程序，进行试飞验证； 4 设计飞行器的增稳方案，进行试飞，评估增稳效果； 5 开发新型质轻高强新材料在无人飞行器上的应用，总结新材料的取材和加工方法，并作为技术储备； 6 学习并实践三维数字一体化设计的理念，利用三维虚拟建模和装配，实现全机重量估算和控制、零部件干涉检查、设备配置等功能。 该作品力求实现较高的综合性能要求，采用了三维数字化设计，较为方便地完成了全机结构的设计、重量控制与优化、设备配置等设计工作；科学的实验方法、充分的实验基础，保证了项目的顺利进行。验证试飞的结果证明，本项目设计方案合理，飞行控制效率高，安全性好，基本达到了设计要求。

作品可展示的形式

该作品可展示的形式有实物、模型、数字样机、图纸、现场演示、图片、录像等。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

该作品围绕简单、可靠、实用的设计原则，选用了基于科恩达效应（附壁效应）和共轴反桨动力系统的设计方案。该作品具有较高的综合性能，采用了三维数字化设计，较为方便地完成了全机结构的设计、重量控制与优化、设备配置等设计工作；科学的实验方法、充分的实验基础，保证了项目的顺利进行。验证试飞的结果证明，该作品设计方案合理，飞行控制效率高，安全性好，基本达到了设计要求。 当前国内对无人飞行器的需求量猛增，尤其是在防务、安保、探测与测绘、农业、电力巡航等领域，对无人飞行器的安全性和低成本提出了更高的要求。该飞行器可以实现垂直起降，使用简单方便，安全性较好，适合作为任务飞行的平台来使用。该飞行器在技术上功能扩展性强，通过加装不同的任务模块来满足不同领域任务的要求，具有较广阔的市场及应用前景。

同类课题研究水平概述

当前国外对此类科恩达效应飞行器进行研究的机构不多，但也有十几年的历史，目前已有若干型号进行了试飞验证；而国内对科恩达效应飞行器的研究很少，处于初始阶段，本项目对此类飞行器的研究有助于这项新技术在国内的发展，在技术方面和应用方面具有双重意义。 目前基于科恩达效应的飞行器方案主要有两种： 1）以英国Aesir公司（前GFS Projects Limited）正在进行试飞验证的一款基于科恩达效应的无人机系统为代表，通过风扇在飞行器的中央产生气流，然后引导气流沿着曲面的壳体表面流出，升力的产生与空气的流速，流量，密度有关。澳洲空气动力学家Naudin J.L研制的已成功试飞的科恩达效应验证机及本项目飞行器都采用了相似的布局。 2）另一种可垂直起降飞行器总体上由两个桶形涵道和两个直纹曲面机翼组成。在垂直起降飞行状态，筒形涵道尾端封闭，风扇吸入的空气从涵道侧上方的狭缝中喷出在弧形机翼表面，形成射流，气流随着壳体表面最终向下流动，产生升力；在水平飞行状态，筒形涵道尾端打开，排出风扇吸入的气流，产生平飞所需的动力，此时弧形机翼的作用与普通固定翼机翼的作用相同，产生升力。这种方案目前还处在理论研究阶段。