CN102673775A - 反扭矩舵结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构设计方法。一种小型单桨涵道式无人机反扭矩舵结构设计方法，其特征是，它通过对发动机参数进行辨识和对反扭矩舵参数辨识，确定反扭矩舵结构设计，得到所需反扭矩舵舵面面积S_inv，根据无人机内部涵道面积，即可确定反扭矩舵的长和宽。经理论和实验论证，利用该方法可以较方便的设计出结构合理并满足实际应用的反扭矩舵，从而实现无人机扭矩的平衡。

Description

反扭矩舵结构设计方法

技术领域

本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构设计方法。

背景技术

小型单桨涵道式无人机由发动机提供的推力实现垂直起飞、悬停等飞行动作，同时，旋翼旋转还产生了绕垂直飞行器中心轴的扭矩，该扭矩会严重影响无人机的稳定性和可靠性。

单螺旋桨固定翼飞机采用偏移重心或调整发动机推力线的方法克服螺旋桨自旋影响，单旋翼直升机采用尾桨平衡主螺旋桨产生的扭矩。小型单桨涵道式无人机由于自身结构特点，通常采用一组反扭矩舵实现扭矩的平衡，其原理是，反扭矩舵位于涵道内部螺旋桨产生的滑流流场内，反扭矩舵片同向偏转，在螺旋桨滑流的作用下，舵片上产生相应的升力和阻力。其中，作用在舵片上的升力对涵道式无人机产生扭矩，该扭矩与螺旋桨产生的扭矩大小相等，方向相反，从而实现无人机扭矩的平衡，使无人机无自转。

目前，涵道式无人机反扭矩舵的设计还没有统一的方法，国内外各研究团队多采用经验参数进行试验来确定舵片结构，并且现有大多数涵道式无人机的反扭矩舵都没有翼型结构，仅为平面薄板形式。这种设计方式和结构方案虽然非常简单，但会造成较大的气动阻力，无形中降低了无人机带载能力和飞行稳定性。另外，由于没有经过严格的参数辨识和计算，为达到反扭矩效果，只能尽量增加舵面面积，也造成了本就有限的机体内部空间的浪费。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供了一种基于参数辨识的小型单桨涵道式无人机反扭矩舵的结构设计方法，能够减小舵片的气动阻力并克服螺旋桨自旋带来的影响。

本发明的技术方案是：一种反扭矩舵结构设计方法，它包括以下步骤：

第一步，对小型单桨涵道式无人机的发动机参数进行辨识：

通过扭矩传感器测得发动机输出扭矩Q，且有

$Q=K_Q(1-{\tan }^{-1}(r_{{\mathrm{\ω}}_Z}^b,{\mathrm{\ω}}_e{l}_p)){\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.1\right)$

其中，ω_e为发动机转速，利用角速度传感器测得；K_Q为发动机扭矩系数；为飞行器运动速度沿机体中轴线Z_b轴的投影；l_p为来流气动阻力矩的等效臂长；

由于小型单桨涵道式无人机飞行速度慢，

远小于ω_el_p，即

因此将式1.1简化为：

$Q=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.2\right)$

通过风速传感器测得螺旋桨滑流速度V_e，且有

$V_e=K_{V_e}{\mathrm{\ω}}_e---\left(1.3\right)$

利用式1.2、1.3即可得到扭矩系数K_Q和滑流速度系数

第二步，对反扭矩舵参数辨识

小型单涵道无人机反扭矩舵需保证在尽量减小本身阻力的条件下实现无人机扭矩平衡，即

τ_Z＝Q    （1.4）

其中，τ_Z为反扭矩舵产生的控制力矩；对于绕一圆心等间距发散排列的反扭矩舵，两对称反扭矩舵的舵面压心距离为d_T，d_T即为两对反扭矩舵的舵面的合力臂长度；a片反扭矩舵舵片同时从垂直方向顺时针偏转最大角度c时，其产生的绕Z_b轴抑制无人机反转的反扭矩舵产生的控制力矩为

${\mathrm{\τ}}_Z=-\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{F}_L^{\mathrm{inv}}{d}_T=a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}{V}_e^2(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T---\left(1.5\right)$

其中，

为气动升力；ρ为大气密度；S_inv为反扭矩舵有效面积；

为升力系数；

为零升力系数；

选取一种翼型的舵片，且当反扭矩舵舵片同时偏转的最大角度c确定时，利用空气动力学计算软件Xfoil得到

和

第三步，确定反扭矩舵结构设计

根据式1.2、1.4和1.5得到：

$a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}\·K_{V_e}^2{\mathrm{\ω}}_e^2\·(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.6\right)$

式中各参数均已由参数辨识获得，因此，可由上式确定所需反扭矩舵面积S_inv，根据无人机内部涵道面积，确定反扭矩舵的长和宽。

本发明提供方法首次为小型单桨涵道式无人机反扭矩舵的结构设计提供了一种标准的设计流程和方案。本方法是经过参数辨识得出舵片结构数据，因此具有较强的可信性和通用性，经过小型涵道式无人机实际试飞试验证明，该方法设计的反扭矩舵结构合理，完全能够满足无人机反扭矩需求；本发明反扭矩舵采用有翼型的结构方案，经试验证明在满足反扭矩效果的条件下能够在很大程度上减小舵片的气动阻力，进而提高无人机工作效率。

附图说明

图1反扭矩舵工作原理

图2反扭矩舵布局及气动力示意图

图3反扭矩舵偏转角度示意图

具体实施方式

一种反扭矩舵结构设计方法，它包括以下步骤：

第一步，对小型单桨涵道式无人机的发动机参数进行辨识：

通过扭矩传感器测得发动机输出扭矩Q，且有

$Q=K_Q(1-{\tan }^{-1}(r_{{\mathrm{\ω}}_Z}^b,{\mathrm{\ω}}_e{l}_p)){\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.1\right)$

其中，ω_e为发动机转速，利用角速度传感器测得；K_Q为发动机扭矩系数；

为飞行器运动速度沿机体中轴线Z_b轴的投影；l_p为来流气动阻力矩的等效臂长；

由于小型单桨涵道式无人机飞行速度慢，

远小于ω_el_p，即

因此将式1.1简化为：

$Q=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.2\right)$

通过风速传感器测得螺旋桨滑流速度V_e，且有

$V_e=K_{V_e}{\mathrm{\ω}}_e---\left(1.3\right)$

利用式1.2、1.3即可得到扭矩系数K_Q和滑流速度系数

第二步，对反扭矩舵参数辨识

小型单涵道无人机反扭矩舵需保证在尽量减小本身阻力的条件下实现无人机扭矩平衡，即

τ_Z＝Q    （1.4）

其中，τ_Z为反扭矩舵产生的控制力矩；对于绕一圆心等间距发散排列的反扭矩舵，两对称反扭矩舵的舵面压心距离为d_T，d_T即为两对反扭矩舵的舵面的合力臂长度；a片反扭矩舵舵片同时从垂直方向顺时针偏转最大角度c时，其产生的绕Z_b轴抑制无人机反转的反扭矩舵产生的控制力矩为

${\mathrm{\τ}}_Z=-\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{F}_L^{\mathrm{inv}}{d}_T=a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}{V}_e^2(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T---\left(1.5\right)$

其中，为气动升力；ρ为大气密度；S_inv为反扭矩舵有效面积；

为升力系数；

为零升力系数；

选取一种翼型的舵片，且当反扭矩舵舵片同时偏转的最大角度c确定时，利用空气动力学计算软件Xfoil得到

和

第三步，确定反扭矩舵结构设计

根据式1.2、1.4和1.5得到：

$a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}\·K_{V_e}^2{\mathrm{\ω}}_e^2\·(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.6\right)$

式中各参数均已由参数辨识获得，因此，可由上式确定所需反扭矩舵面积S_inv，根据无人机内部涵道面积，确定反扭矩舵的长和宽。

Claims (1)

1.一种反扭矩舵结构设计方法，其特征是：它包括以下步骤：

第一步，对小型单桨涵道式无人机的发动机参数进行辨识：

通过扭矩传感器测得发动机输出扭矩Q，且有

$Q=K_Q(1-{\tan }^{-1}(r_{{\mathrm{\ω}}_Z}^b,{\mathrm{\ω}}_e{l}_p)){\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.1\right)$

其中，ω_e为发动机转速，利用角速度传感器测得；K_Q为发动机扭矩系数；

为飞行器运动速度沿机体中轴线Z_b轴的投影；l_p为来流气动阻力矩的等效臂长；

由于小型单桨涵道式无人机飞行速度慢，

远小于ω_el_p，即

因此将式1.1简化为：

$Q=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.2\right)$

通过风速传感器测得螺旋桨滑流速度V_e，且有

$V_e=K_{V_e}{\mathrm{\ω}}_e---\left(1.3\right)$

利用式1.2、1.3即可得到扭矩系数K_Q和滑流速度系数

第二步，对反扭矩舵参数辨识

小型单涵道无人机反扭矩舵需保证在尽量减小本身阻力的条件下实现无人机扭矩平衡，即

τ_Z＝Q    （1.4）

其中，τ_Z为反扭矩舵产生的控制力矩；对于绕一圆心等间距发散排列的反扭矩舵，两对称反扭矩舵的舵面压心距离为d_T，d_T即为两对反扭矩舵的舵面的合力臂长度；a片反扭矩舵舵片同时从垂直方向顺时针偏转最大角度c时，其产生的绕Z_b轴抑制无人机反转的反扭矩舵产生的控制力矩为

${\mathrm{\τ}}_Z=-\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{F}_L^{\mathrm{inv}}{d}_T=a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}{V}_e^2(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T---\left(1.5\right)$

其中，

为气动升力；ρ为大气密度；S_inv为反扭矩舵有效面积；

为升力系数；

为零升力系数；

选取一种翼型的舵片，且当反扭矩舵舵片同时偏转的最大角度c确定时，利用空气动力学计算软件Xfoil得到

和

第三步，确定反扭矩舵结构设计

根据式1.2、1.4和1.5得到：

$a\×\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{S}_{\mathrm{inv}}\·K_{V_e}^2{\mathrm{\ω}}_e^2\·(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\×c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\×d_T=K_Q{\mathrm{\ω}}_e^2---\left(1.6\right)$

式中各参数均已由参数辨识获得，因此，可由上式确定所需反扭矩舵面积S_inv，根据无人机内部涵道面积，确定反扭矩舵的长和宽。

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