CN102673801B - 井字型反扭矩舵结构布局方法 - 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布局方法。本发明提供了一种反扭矩舵的布局方法，可应用于小型函道式无人机；它基于一种井字型反扭矩舵，通过确定反扭矩舵的翼型、仿真反扭矩舵气动布局、反扭矩舵与桨盘间距设计、组合舵组合方式设计和对反扭矩舵的结构设计，得到井字型反扭矩舵的结构布局方法；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。

Description

井字型反扭矩舵结构布局方法

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布局方法。

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；反扭矩舵通常布置在涵道内部旋翼下方。但受到涵道内部空间的限制，单片反扭矩舵尺寸较为有限。因此，在涵道式无人机设计中常采用多片反扭矩舵分布的方式来满足抵消旋翼扭矩的要求，而涵道内组合舵片的气动特性与单片反扭矩舵的气动特性是不同的。

目前，小型涵道式无人机反扭矩舵的布局方式尚未形成统一的方案和整体设计思路，国内外各研究团队对反扭矩舵均匀分布布局大多没有进行过较详细的分析论证，对组合舵片平行排列片数，舵片交错角以及平行舵片间距等参数对其整体气动特性的影响尚未有明确的分析结果。由此使得目前各类涵道式无人机反扭矩舵的布局大多无法充分利用其气动特性，无法充分提高无人机整体气动特性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供了一种井字形反扭矩舵的布局方法，可应用于小型函道式无人机，满足了抵消旋翼扭矩的要求，充分提高无人机整体气动特性和稳定性；

本发明的技术方案是：一种井字型反扭矩舵结构布局方法，它包括以下步骤：

第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的扭矩τ₀；

第二步，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计；

在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的参数有：反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s；

经过数据仿真确定s＝0且1≤g/b≤2；设计时首先确定b的取值，再根据涵道内部空间大小按照1≤g/b≤2的限制确定g的值；

第三步，反扭矩舵与桨盘间距设计

反转舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入口的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离z的气动特性，根据仿真过程获知z值越大，滑流速度越大即涵道升力越大，但反扭矩舵工作效率降低；

设计时，在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘；

第四步：组合舵组合方式设计

首先，“井”字布局反扭矩舵分为4组分布布置，其舵效应满足

4×τ＝Q

其中，T为一组反扭矩舵组的扭矩，Q为发动机扭矩；根据单个舵片扭矩τ₀确定组合舵平行排布所需舵片的数目n，n取整数

n×τ₀＝τ

第五步：井字型反扭矩舵的结构布局

综合上述第一步至第四步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，实现井字形反扭矩舵的结构布局。

本发明提供的方法首次对小型涵道式无人机反扭矩舵组合对称式布局的排布方式提供了一种较为合理的设计流程和设计方案。通过数值仿真和总体结构设计的方法为组合舵片布局片数和相邻平行舵片的间距、交错角等参数设计提供了一种方便可行的方案，经过本课题组设计的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布局能够合理利用其气动特性，充分提高组合舵整体气动效率，满足无人机反扭矩需求。

附图说明

图1影响平行并排舵片气动特性的结构参数

图2“井”字平行分布不同s/b舵片组合升力系数对比

图3反扭矩舵与桨盘相对位置示意图

图4井字形反扭矩舵示意图

图5反扭矩舵片示意图

具体实施方式

一种井字型反扭矩舵结构布局方法，它基于如图4所示的井字型反扭矩舵，所述井字形反扭矩舵，包括将涵道圆周分为4组的反扭矩舵组，相邻反扭矩舵组之间的夹角为90°，每个反扭矩舵组包括多片相互平行的反扭矩舵，其中，反扭矩舵的弦长为b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离为g，相邻舵片交错距离为s；固定反扭矩舵的高强度碳管在舵片靠近前缘1/4弦长处穿过，碳管两端均由轴承连接；一侧固定于涵道壁的梁上，另一端固定于无人机机身中轴上；每个反扭矩舵组共用一个舵机；4台信号同步的舵机通过连杆机构带动，实现对无人机周转的控制；

井字型反扭矩舵结构布局方法包括以下步骤：

第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的升力系数

和扭矩τ₀；

第二步，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计；

在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的参数有以下几个，反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s；

参照以下设计原则，进行数据仿真：

（1）舵片间距g/b≥1时，舵片组合升力系数受交错距离s/b变化较小，即组合反扭矩舵间距数据应取g/b≥1；

（2）舵片交错距离应取|s/b|≤0.33；当舵片交错距离|s/b|＞0.33时，舵片组合升力系数随s/b变化幅度较大，约为4%~28%；因此，应避免该影响；

（3）附图2为当s＝b、s＝0和s＝-b时，上下舵片升力系数比值；可见当s＝0时，上下舵片升力系数比值接近于1，效果最佳；当s＝0时，平行舵片升力系数为：

$C_{L_{\mathrm{bi}}}=C_{L_{\mathrm{mono}}}\×B_b$

其中，

为单片反扭矩舵舵片的升力系数，B_b是与g/b相关的经验系数；一般的，B_b≤1且随g/b的减小递减；由于空间限制以及多舵片性能的要求，涵道式无人机反扭矩舵通常取g/b≤2；

综合考虑，当s＝0且1≤g/b≤2时，效果最佳，在实际结构设计中，首先确b的取值，再根据涵道内部空间大小确定g的值；

第三步，反扭矩舵与桨盘间距设计

参见附图3，反转舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，其相对于桨盘的位置会对涵道气动性能、旋翼动力性能以及自身的气动性能产生影响；

首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入口的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离z的气动特性，从而确定安装位置，CFD仿真过程如下：

1)建立反扭矩舵三维结构模型，明确z、c、h定义，其中c、h为已知量；

2)利用CFD软件对经过反扭矩舵的滑流速度分布进行仿真分析；调整反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘距离z的数值，利用CFD软件仿真不同z值下滑流速度分布；

根据数值仿真结果，可以得到如下规律：

（1）随着反扭矩舵位置z的逐渐增大，其对旋翼滑流的阻塞作用降低，但理论上要求z最佳取值应使舵片对滑流速度影响越小越好，即舵片尽量不要阻挡螺旋桨滑流；因此，z值在允许范围内越大越好。

（2）流经舵片的滑流在靠近中轴位置处速度会提高，随着z的增大，其最大值会降低，即经过舵片流速越高，舵片工作效率越高，因此，在不考虑其它条件的情况下，Z值应尽可能的减小；

综上所述，增大反扭矩舵与螺旋桨的距离z可以提高涵道升力，但相应的反扭矩舵自身工作效率也会降低，在小型涵道式无人机系统设计中应该根据需要权衡取值，一般应首先考虑反扭矩舵工作效率，在其扭矩达到要求的前提下兼顾涵道升力，即在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘。

第四步：组合舵组合方式设计

“井”字形对称布局的反扭矩舵具有结构紧凑、控制方便的优势，但由于涵道内部空间有限，不能无限制增加单个舵片大小，因此，我们采用将反扭矩舵分组的方式增加反扭矩舵的舵效，以平衡发动机扭矩。

首先，“井”字布局反扭矩舵分为4组分布布置，其舵效应满足

4×τ＝Q

其中，T为一组反扭矩舵组的扭矩，Q为反动机扭矩；根据单个舵片扭矩τ₀确定组合舵平行排布所需舵片的数目n，n取整数

n×τ₀＝τ

第五步：井字型反扭矩舵的结构布局

参见图5，综合上述第一步至第四步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，实现井字形反扭矩舵的结构布局；

实际工作中，4台舵机共享一路控制信号，舵机最大输出扭矩为90Nmm，计算结果表明其完全可驱动承受气动载荷的舵片。

Claims (1)

1.一种井字型反扭矩舵结构布局方法，其特征是，它包括以下步骤：

第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的扭矩τ₀；

第二步，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计；

在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的参数有：反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s；

经过数据仿真确定s＝0且1≤g/b≤2；设计时首先确定b的取值，再根据涵道内部空间大小按照1≤g/b≤2的限制确定g的值；

第三步，反扭矩舵与桨盘间距设计

反扭矩舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入口的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离z的气动特性，根据仿真过程获知z值越大，滑流速度越大即涵道升力越大，但同时反扭矩舵工作效率降低；

设计时，在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘；

第四步：组合舵组合方式设计

首先，“井”字布局反扭矩舵分为4组分布布置，其舵效应满足

4×τ＝Q

其中，τ为一组反扭矩舵组的扭矩，Q为发动机扭矩；根据单个舵片扭矩τ₀确定组合舵平行排布所需舵片的数目n，n取整数

n×τ₀＝τ

第五步：井字型反扭矩舵的结构布局

综合上述第一步至第四步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，实现井字形反扭矩舵的结构布局。

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