CN107719657A - 一种涵道风扇四旋翼无人机 - Google Patents

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田云
梅春花
章小华
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Abstract

本发明公开了一种涵道风扇四旋翼无人机，属于旋翼无人机技术领域。所述无人机包括机身和涵道，所述机身圆周均匀布置四个同样的涵道，所述涵道的剖面为翼型，每个涵道内分别采用三叶桨布局，每个桨叶的剖面同样为翼型结构；在轮毂和涵道内壁之间设置支撑片，所述每个支撑片的剖面为翼型；所述轮毂的头部为半球形，中部为圆柱形，尾部为圆锥形；在所述每个涵道的下方连接有支撑腿。本发明通过设计桨叶翼型、涵道外形以及机身外形设计实现空机重量32kg、载重50kg的大载重的涵道风扇四旋翼无人机。本发明的涵道能提高螺旋桨的效率并且悬停状态下涵道自身能提供更大的拉力；涵道风扇四旋翼无人机抗风能力增强，噪声降低并且安全性高。

Description

一种涵道风扇四旋翼无人机
技术领域
本发明属于四旋翼无人机技术领域，涉及一种大载重、低噪声、高效率、抗风能力强且安全性能好的涵道风扇四旋翼无人机，可用于大面积农作物农药喷洒、海上快速救援救生圈投放、货物投递，还可躲避交通拥堵，进行快速医疗物品投放救援、航拍、地形勘测等等。
背景技术
随着绿色农用、有机农业、精准农业技术革命的不断发展，采用无人机进行植保作业已成为世界农业的发展趋势。将无人机运用到农业生产中可以大幅度提升农业现代化与生产效率，大量节约农药、人工成本，而且作业更安全；此外通过无人机可以进行航拍测绘作业、收集大量有效数据、监控作物长势和产量预估，或进行地形勘测等等。
除此之外，无人机可以用于救生用品的海上投放，具有快速高效的优点。还能躲避交通拥堵，为急救患者提供及时的医疗物品援助，为挽救生命赢得宝贵时间，其涵道外观也增强了无人机高速旋转的桨叶的安全性能，降低噪声。
发明内容
针对市面上普遍20kg以下的小型四旋翼无人机，本发明通过设计桨叶翼型、涵道外形以及机身外形设计实现空机重量32kg、载重50kg的大载重的涵道风扇四旋翼无人机。
通过涵道和桨叶的外形设计，满足悬停状态单涵道风扇产生19kg拉力(其中涵道产生约 60％拉力，桨叶产生约40％拉力)，半椭球状的机身一方面减少前进时的阻力并且增加少许升力，另一方面增加机身和涵道风扇的连接刚度，防止大拉力下带来的机体弯曲变形。
针对单涵道风扇8000rpm的转速下悬停状态进行CFD仿真，并且加工出单涵道风扇进行拉力测试，最终测试结果为8000rpm转速下单涵道风扇悬停拉力为20kg，符合设计要求。
本发明的优点在于：
1.涵道能提高螺旋桨的效率并且悬停状态下涵道自身能提供更大的拉力；
2.涵道风扇四旋翼无人机抗风能力增强，噪声降低并且安全性高。
附图说明
图1A～1C是涵道风扇四旋翼无人机整体布局图；
图2是涵道对于风扇桨尖区域流场的影响；
图3是桨叶及涵道剖面翼型图；
图4是桨叶扭角、相对厚度及相对(涵道直径)弦长的径向分布图；
图5A和图5B是单涵道风扇基本尺寸图；
图5C和图5D是涵道风扇四旋翼基本尺寸图；
图6是悬停状态单涵道风扇CFD仿真对称面压力云图及流线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1A～图1C是本发明提供的涵道风扇四旋翼无人机的整体布局示意图，所述的无人机包括机身1，机身1的截面是一个半椭圆形，其长轴尺寸远大于短轴尺寸，目的是减小机身厚度从而减小机身阻力。此外采用机身和涵道融合的布局一方面增强机体的刚度，防止大拉力带来的结构弯曲变形，另一方面可以减小涵道与机身的干扰阻力以及降低噪声。
在所述机身1上设置农药箱2，所述的农药箱2上具有带过滤孔的农药挡板3，所述的农药挡板3安装在农药箱的2/3高度处，目的是为了防止机体倾斜时农药在农药箱内晃动而导致的重心不稳现象。
机身1圆周均匀布置四个同样的涵道4，所述涵道4的剖面为翼型(其中涵道内侧为凸面)，目的是利用涵道唇口部位的低压区产生吸力。每个涵道4内分别采用三叶桨布局，每个桨叶5的剖面同样为翼型结构。在轮毂7和涵道内壁之间设置支撑片6，优选采用三支撑片布局，所述每个支撑片6的剖面为翼型，支撑片6的两端分别连接轮毂7和涵道4内壁；所述轮毂7的头部为半球形，中部为圆柱形，尾部为圆锥形。在所述每个涵道4的下方连接有支撑腿8，为了保证无人机能稳定着陆采用圆弧形撑腿布局。
图2是本发明提供的无人机的涵道形式与无涵道形式对于风扇桨尖区域流场的影响示意图，由该图可知，开放的桨叶(即无涵道形式)会将上下气流沟通，桨叶下方为高压区，桨叶上方为低压区，因此下方气流会翻转至上方产生自由涡，从而引起升力的损失。而增加涵道可以阻碍桨叶上下气流的沟通，减少升力的损耗，因此在设计涵道的时候，桨尖也应尽量靠近涵道内壁，与此同时，将桨叶上方的涵道内壁面设计为流线型，同时尽量开阔，可以避免涵道束缚外部气流的流入，从而提高涵道效率。
图3为桨叶及涵道剖面翼型图，其中较大面积的外形是涵道的剖面外形，较小的是桨叶的剖面外形，在涵道内部安装支撑片6，一方面可以产生气动力来抵消桨叶旋转引起的反扭矩，另一方面将对前方来流变化极为敏感的旋转流场切碎，在倒流叶片的尾部形成相对稳定的气流，增强无人机的控制性能。
图4为桨叶剖面翼型扭角、相对厚度及弦长分布，可以看出扭角和弦长均非线性变化，桨叶梢根比为0.4，相对厚度r/R(r为桨叶的剖面半径，R为桨叶最大半径)为保持不变(为了加工方便没有采用根部加厚)。图5A～图5D为无人机基本尺寸图，其中涵道外径d1为0.465m，涵道整体高度h为0.35m，整机直径D约2.6m，整机高度约H为0.75m。图6为单涵道风扇CFD计算后对称面上的压力分布以及流线图，可以看出，高速旋转的桨叶导致气流下洗，桨叶上方为低压区，下方为高压区，上下压差形成向上的正拉力。除此之外，在涵道唇口处为低压区，产生对涵道内壁的吸力，且在涵道内壁底端为高压区，二者同时对涵道整体产生额外的正拉力。对图5A～5D给出的尺寸的无人机进行拉力试验，测试结果为 8000rpm转速下单函道风扇静拉力为20kg。

Claims (5)

1.一种涵道风扇四旋翼无人机，包括机身和涵道，其特征在于：所述机身圆周均匀布置四个同样的涵道，所述涵道的剖面为翼型，每个涵道内分别采用三叶桨布局，每个桨叶的剖面同样为翼型结构；在轮毂和涵道内壁之间设置支撑片，所述每个支撑片的剖面为翼型；所述轮毂的头部为半球形，中部为圆柱形，尾部为圆锥形；在所述每个涵道的下方连接有支撑腿。
2.根据权利要求1所述的一种涵道风扇四旋翼无人机，其特征在于：所述的三支撑片有三个，支撑片的两端分别连接轮毂和涵道内壁。
3.根据权利要求1所述的一种涵道风扇四旋翼无人机，其特征在于：所述的机身的截面是一个半椭圆形，其长轴尺寸远大于短轴尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种涵道风扇四旋翼无人机，其特征在于：在所述机身上设置农药箱，所述的农药箱上具有带过滤孔的农药挡板，所述的农药挡板安装在农药箱的2/3高度处。
5.根据权利要求1所述的一种涵道风扇四旋翼无人机，其特征在于：所述的支撑腿采用圆弧形撑腿布局。
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