尾座式垂直起降无人机结构设计

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尾座式垂直起降无人机兼具多旋翼与固定翼的特点,既能够垂直起飞和垂直降落,又能够以固定翼模式水平飞行。因其独特的起降和巡航性能,尾座式垂直起降无人机在军事侦察、定位校射、通讯中继等军事活动中,及电力巡检、快递运输、航拍测绘等民用领域都具有极大的应用前景,因此研究该类无人机具有重要意义。但是由于没有详细而系统的资料支撑,使其结构设计难度较大,同时无人机在垂直起降过程中,易受到地面效应的干扰,使其起飞稳定性较差。因此本文针对以上问题,基于飞翼式飞行器结构,设计出了一种具有优良气动性能的尾座双发飞翼式垂直起降无人机方案,并对其进行了详细且系统的设计。首先根据尾座双发飞翼式垂直起降无人机的设计要求,确定了无人机的总体方案和主要参数。并针对无人机飞翼布局设计了8种具有不同扭转角和后掠角的飞翼布局,利用CFD方法对其进行气动特性分析,得出扭转角为-1°、后掠角为3°的飞翼布局的升阻比高且失速性能好,其最大升阻比和升力系数分别为13.6、1.35。之后利用螺旋桨滑流理论对其垂直模式进行了非定常数值计算。结果表明该布局在垂直模式下,受到由下翼面指向上翼面的力X随螺旋桨转速和垂直飞行速度的增大而增大,但数值较小,其中地面状态X为0.64-1.43N,悬停状态下X为0.65N,即该飞翼布局的垂直模式稳定性好。然后基于结构设计要求及准则,对飞翼布局进行详细的结构设计,主要包括机翼、升降副翼、机身、电机支架和起落架等部件。其次利用ACP对机翼蒙皮进行复合材料铺层设计,再利用ANSYS Workbench对机翼结构进行了强度校核,并对其进行了结构优化设计,得到了机翼在承受固定载荷下的最佳设计方案,该方案的重量较原机翼结构轻了28%。最后研制出一架技术验证机,通过一系列的飞行试验测得其最大飞行速度为130km/h、续航时间为35min。飞行试验结果表明本文设计的无人机结构能够完成尾座式无人机的各个飞行任务,并且具有良好的气动性能,从而验证了结构的合理性。研究结果为尾座式垂直起降无人机的进一步研究提供技术储备和重要的参考意义。
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