涵道共轴双旋翼式模块化无人机结构设计与气动性能研究

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涵道矢量推进模块化无人机是无人机领域的一个热点,应用前景广阔,具有重要的理论意义与应用价值。本文将其作为主攻方向。其主要工作内容如下:(1)提出并完成了涵道共轴双旋翼式模块化无人机的概念布局与设计方案。首先通过对比现有无人机的结构特点与飞行方式确定了本文无人机的气动布局与结构特点,同时阐述了其工作原理。其次根据已有涵道式无人机的主要性能参数,确定了本文无人机的总体设计目标。最后完成了无人机的总体参数系统分析与初步设计,其中包括动力系统设计、涵道内壁设计、操纵系统设计。(2)建立了涵道共轴双旋翼式模块化无人机的气动力模型,并对其进行了气动性能仿真分析。首先根据本文无人机的飞行特点,建立了能完整描述其飞行状态的坐标系。其次通过剖析现有的共轴双旋翼和涵道式单旋翼无人机的气动模型理论,根据动量理论和叶素理论并考虑了在来流风速的影响下,推导出了本文无人机的旋翼气动模型,机身气动模型和平衡方程。最后在验证了本文仿真方法与桨叶模型有效可行后,对单旋翼和整机的气动性能进行了仿真分析,结果表明本文的初步设计方案是合理可行的。(3)完成了涵道共轴双旋翼式模块化无人机的整机结构设计,并对矢量操纵机构进行了运动分析。在明确了本文的初步设计参数以及仿真分析结果的前提下,完成了整机部分结构的详细设计,主要包括机身外形、电池固定架及安装方式、起落架和矢量操纵机构的设计。最后对矢量操纵机构的运动以及操纵量进行了详细的受扰分析,验证了本文所设计的矢量操纵机构可行性,并为后续的控制系统设计与研究提供一定的帮助。(4)研制了一款涵道共轴双旋翼式模块化无人机试验样机,对其进行了相关实验并评估了整机的飞行性能。首先在完成了模块化无人机的结构设计后,对整机模型进行了装配和主要承力结构的强度校核,确保样机研制顺利。其次通过样机制作验证了本文结构设计的可行性,并对空机重量进行了核算,结果满足设计目标的要求。同时,对模块化无人机的动力系统进行了相关的试验,并证明了本文设计方案的有效性。最后运用理论与经验公式评估了本文模块化无人机的整机性能。
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