CN102673802A - 米字型反扭矩舵结构布局方法 - Google Patents
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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；它基于一种米字型反扭矩舵，其特征是：通过确定反扭矩舵的翼型、至少所需要的反扭矩舵片数n、分析确定反扭矩舵排布方式、确定反扭矩舵与桨盘的间距、确定反扭矩舵的安装方式的步骤，设计出反扭矩舵；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
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，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，对舵片周向排列片数，舵片夹角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：本发明提供了一种米字型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：一种米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τ；
第二步，通过测量得到发动机扭矩Q，由公式
nmin·τ＝Q 1.1
得到达到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片数nmin，如果nmin为小数则取整，并且当nmin为奇数时，令其加1，变为偶数；
从nmin开始在[nmin,12]的范围内取遍所有的偶数，如果nmin小于或等于4，则在[4,12]的范围内取遍所有的偶数，作为下一步进行仿真时所用的反扭矩舵片数n；
第三步，分析确定反扭矩舵排布方式，获得不同舵片之间夹角β；
（1）建立反扭矩舵三维结构模型，利用第二步中获得的各个n的数值，得到每个n值对应的舵片之间夹角β，针对每种排布方式进行舵片整体气动特性仿真；
（2）根据仿真结果，测试每种排布方式下的气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数，综合气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数带来的影响，由此近一步缩小反扭矩舵片数n的取值范围；
在（2）确定反扭矩舵片数n的取值范围的情况下，由360°除以该范围内的最小值，确定β；
第四步，确定反扭矩舵与桨盘的间距
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；
设计时兼顾反扭矩舵工作效率和涵道升力，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；
第五步，米字型反扭矩舵的结构布局
综合上述第一步至第三步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，每隔β设置一片反扭矩舵，反转舵到涵道入口的位置关系由第四步确定，从而确定米字型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均匀分布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舵片布局片数和相邻舵片夹角设计提供了一种方便的方案，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“米”字均匀布局反扭矩舵平面图
图2“米”字均匀布局不同β角舵片表面静压分布
图3“米”字均匀布局不同β角舵片气动特性对比
图4反扭矩舵与桨盘相对位置描述
图5反扭矩舵装配图
图6反扭矩舵片示意图
具体实施方式
参见图1，一种米字型反扭矩舵结构布局方法，它基于一种米字型反扭矩舵，所述米字型反扭矩舵，包括多片反扭矩舵；多片反扭矩舵以无人机机身中轴为圆心，向外辐射发散排布；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并由舵机驱动，另一端固定于无人机机身中轴上；
米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，从而得到反扭矩舵的扭矩τ；
第二步，通过测量得到发动机扭矩Q，由公式
nmin·τ＝Q 1.1
得到达到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片数nmin，如果nmin为小数则取整，并且当nmin为奇数时，令其加1，变为偶数；
从nmin开始取在[nmin,12]的范围内取遍所有的偶数，如果nmin小于或等于4，则在[4,12]的范围内取遍所有的偶数，作为下一步进行仿真时所用的反扭矩舵片数n。
第三步，利用CFD软件分析确定反扭矩舵排布方式，获得不同舵片之间夹角β；
（1）建立反扭矩舵三维结构模型，利用第二步中获得的各个n的数值，得到每个n值对应的舵片之间夹角β，针对每种排布方式进行舵片整体气动特性仿真；
（2）根据仿真结果，测试每种排布方式下的气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数，综合气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数带来的影响，由此综合考虑上述各种性能，近一步缩小反扭矩舵片数n的取值范围，获得满足所需性能的较佳排布方式；
（3）对于米字型反扭矩舵，从仿真结果还可以看出，随着舵片之间夹角β的变化，舵片间隔的空间也随之变化，而舵片间气流的扰动随着β的减小而加强，为了尽量减小扰动影响，则希望β尽量大；随着β增大，舵片上下表面静压曲线所包围的面积也随之增大；由舵片外侧至内侧，反转舵片表面静压分布受夹角β影响的程度逐渐增强；随着β的减小，舵片升力系数的下降幅度越大；
因此，确定了n取值范围情况下，β越大越好，即在（2）确定反扭矩舵片数n的取值范围的情况下，由360°除以该范围内的最小值，确定β；
如附图2、3所示，在一个实例中，n取4、6、8、10、12，进行静压分布情况与气动性的分析，但是在图中仅示出了β=30°、60°或90°时的涵道内的静压分布情况与气动性对比，当β=60°时，效果最佳。
第四步，参见附图4，确定反扭矩舵与桨盘的间距
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，即经过舵片的流速越高，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。
第五步，参见附图5、6，米字型反扭矩舵的结构布局
综合上述第一步至第三步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，每隔β设置一片反扭矩舵，反转舵到涵道入口的位置关系由第四步确定，从而确定米字型反扭矩舵的结构布局。
更优的，考虑到涵道式无人机起飞、降落以及加速飞行时发动机转速的变化，使得扭矩也会产生相应的变化，这种情况下，需要反扭矩舵能够根据发动机扭矩的变化做出实时的偏转，实现扭矩的动态平衡。因此，可将n片反扭矩舵中的相间隔的
片固定，而另外相间隔的
片由单独舵机操纵随着机身姿态实时做出相应动作，以保持无人机在发动机不同转速下都能保持其周向的稳定性，舵片与竖直方向夹角的活动范围为±3°；经扭矩传感器测得数据验证，在该角度范围内，反扭矩舵完全能够保证抵消发动机不同转速产生的扭矩。
Claims (2)
1.一种米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τ；
第二步，通过测量得到发动机扭矩Q，由公式
nmin·τ＝Q 1.1
得到达到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片数nmin，如果nmin为小数则取整，并且当nmin为奇数时，令其加1，变为偶数；
从nmin开始在[nmin,12]的范围内取遍所有的偶数，如果nmin小于或等于4，则在[4,12]的范围内取遍所有的偶数，作为下一步进行仿真时所用的反扭矩舵片数n；
第三步，分析确定反扭矩舵排布方式，获得不同舵片之间夹角β；
（1）建立反扭矩舵三维结构模型，利用第二步中获得的各个n的数值，得到每个n值对应的舵片之间夹角β，针对每种排布方式进行舵片整体气动特性仿真；
（2）根据仿真结果，测试每种排布方式下的气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数，综合气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数带来的影响，由此近一步缩小反扭矩舵片数n的取值范围；
在（2）确定反扭矩舵片数n的取值范围的情况下，由360°除以该范围内的最小值，确定β；
第四步，确定反扭矩舵与桨盘的间距
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，但同时反扭矩舵工作效率降低；
设计时兼顾反扭矩舵工作效率和涵道升力，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；
第五步，米字型反扭矩舵的结构布局
综合上述第一步至第三步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，每隔β设置一片反扭矩舵，反转舵到涵道入口的位置关系由第四步确定，从而确定米字型反扭矩舵的结构布局。
2.如权利要求1所述的一种米字型反扭矩舵结构布局方法，其特征是，将第五步中m片反扭矩舵中的相间隔的
片固定，而另外相间隔的片由单独舵机操纵随着机身姿态实时做出相应动作，以保持无人机在发动机不同转速下都能保持其周向的稳定性，舵片与竖直方向夹角的活动范围为±3°；经扭矩传感器测得数据验证，在该角度范围内，反扭矩舵完全能够保证抵消发动机不同转速产生的扭矩。
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|---|---|---|---|---|
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