城堡里学无人机:涵道型无人机飞行原理

2016-04-26 16:05:00 环球网 MR.城堡 分享
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  涵道无人机(Ducted Fan UAV)正如其英文名一样对我们而言比较陌生。

  提起“涵道”,这两个字大家可能比较熟悉,但对于“涵道”涉及到的飞行器及其它概念,大家可能很不陌生。比如“涵道发动机”,“涵道风扇”这两个概念是否一样呢?

  

  上图是俄制HK-93涵道发动机

  

  上图是最近比较有名的以色列快骡-Fast Mule,属于涵道类无人机,其中很明显的是涵道风扇。

  从上图来看“涵道发动机”和“涵道风扇”明显是不同的。但更令人容易产生疑惑的是,在飞行器设计中两者在很大程度上是“一样”的:涵道风扇技术的理论与实验研究基本是照搬上个世纪50年代对常规布局飞行器动力装置的喊到发动机进行研究所得出的结论与数据。简单来说,在涵道无人机的设计上,普遍采用的实验数据和理论都是从涵道发动机中获得的。

  1.涵道无人机机型特点

  相对于固定翼型无人机、直升机型无人机、多旋翼型无人机,“涵道无人机”更体现出飞行器构造概念在表现形式上的灵活性。

    

  上图为美国Sikorsky公司研制的Cypher-1型涵道无人机。

    

  上图看上去有着很强的固定翼飞行器结构,但确实由Sikorsky公司设计的Cypher-2型涵道无人机。

    

    

  在CES2016中被很多媒体称为“球型”无人机的Fleye其实和2000年成功试飞的美国Allied Aerospace公司研发的i-STAR无人机有着类似的飞行器设计结构。

  上面子这些涵道无人机从外形来看区别非常显著,有些机型看上去似乎是两种类型的混合型(如:Cypher-2),但事实上它们都是货真价实的、彻彻底底的涵道飞行器。

  因此飞行器结构概念的区分不是以外型作为区分出发点,应以姿态控制方式,扭矩平衡方式来进行区分。

  2.涵道无人机控制方式

    

  一般说道无人机的控制方式只涉及到姿态控制方式,比如固定翼。

    

  对于有些机型如直升机型、多旋翼类型除了姿态控制外也涉及反扭矩的提供,而且提供反扭矩的方式在上述两种机型中都非常明显了:直升机通过尾桨总距控制提供机体坐标系偏航方向上的反扭矩,多旋翼无人机通过相同数目不同转向定距桨提供反扭矩平衡。

  对于相对定义范畴异常宽泛而结构表现相对封闭的涵道无人机而言,姿态控制方式和扭矩平衡都异常灵活。

  涵道无人机的姿态控制方式可以分为两大类:耦合姿态控制;解耦姿态控制

  2.1耦合姿态控制常见的结构有:单旋翼结构;共轴双旋翼结构

    

  其中单旋翼结构常见的机型如I-star,以及在CES2016中被很多媒体报道的“球型”无人机Fleye。常见内部结构如上图。

  耦合类涵道无人机一般采用环形结构设计,以i-STAR为例,上部中间体中安装动力系统(活塞式发动机,发动机控制器,螺旋桨,有效载荷等)。其中螺旋桨为常见的定距桨,没有变距,没有挥舞,直接由发动机驱动。下部中间体由8块固定翼板稳定于涵道中央,内部搭载反馈系统。这个8个固定翼板(固定片)安置角不变,产生平衡单旋翼扭矩的效果。控制翼板(导流片)由伺服电机控制角度产生姿态控制力矩。

    

  共轴双旋翼结构如上图所示。前文提到的Cypher-2型涵道无人机就属于这一类设计结构。共轴双旋翼无人机提供反扭矩的方式显而易见:共轴旋翼等速对转。

    

  该类涵道结构采用旋转倾斜器,通过变距拉杆改变旋翼周期变距从而控制飞行器姿态。类似于直升机的主旋翼结构。MR.城堡并未接触过采用共轴双旋翼结构,耦合飞行的涵道无人机产品,因此不确定是否完全采用直升机主旋翼那种铰接式,还是采用半铰式,但从上图来看应该是采用半铰式结构。

  2.2解耦姿态控制

    

  上图为倾转涵道无人机。

    

  解耦姿态控制方式非常直接:主涵道提供偏航力矩,调节涵道提供横滚力矩,尾桨涵道提供前飞推力,水平涵道共同提供垂向升力。

  3.涵道型飞行器特点

  涵道无人机的研究起始于上世纪80年代,美国汉军陆战队需要空中远程遥控装置(AROD)实现空中侦察和监视。桑迪亚国家实验室按要求开发出具备VTOL能力的首款涵道飞行器,该项目由于受限于当时的飞行控制技术,于90年代终止。之后包括1992年美国的“多用于安全与监视任务平台”项目;2001年美国国防高级研究计划局(DARPA)启用的建制无人机计划(OAV)等等表明涵道型无人机具备的独特特点与军事需求紧密相连。

  3.1安全性

    

  涵道无人机(不管何种设计方案)旋翼都稳稳的安置在涵道内部。这使得该类型飞行器对于操作者和周围环境有着无与伦比的安全性。面对环境复杂的林地,人口稠密的城市地区,涵道无人机都是执行短时任务的首选。

  3.2机动性

    

  涵道型无人机的机动性特别适合城市复杂环境下执行任务。与固定翼无人及相比,涵道无人机具备VOTL能力,相比于多旋翼及直升机型无人机,涵道机可以在非常狭小的环境中进行起降和作业。同样优良的定点悬停能力使得涵道型无人机具备多旋翼机型的图像数据获取能力。

  3.3飞行效率

    

  同无人直升机相比,同等功耗下,涵道风扇较同直径孤立旋翼会产生更大拉力:首先在低空速下增加飞行器的推理;其次在所有的飞行倾角下都可以提供气动升力;第三,将飞行器的升力系统和推进系统有效地结合起来;最后涵道壁可以有效地将螺旋桨滑流转换成推力,从而产生附加升力。

  3.4隐蔽性

    

  这个特点是涵道型飞行器很受军方青睐的重要原因。螺旋桨位于涵道内部,气动噪声被阻挡从而物理地降低了飞行器噪音的强度和传播距离。同行,由于动力系统被涵道环扩,从而降低了整体飞行器的发动机热辐射扩散。

    

  涵道型无人机现阶段并未受到市场的太多重视,原因更多在于控制难度与产品成熟度。其设计结构本身具备的安全性,机动性使得该机型非常适用于家庭、室内应用。

责编:邓福林(实习)
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