新型可倾转旋翼的四旋翼飞行器结构设计

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1、第33卷第3期计算机仿真2016年3月文章编号：1006—9348(2016)03—0061一04新型可倾转旋翼的四旋翼飞行器结构设计刘晓琳，韩婷(中国民航大学航空自动化学院，天津，300300)摘要：在对四旋翼飞行器结构优化设计中针对可倾转旋翼的四旋翼飞行器飞行过程中出现的垂直起降速度慢和高空巡航距离短，稳定性受到扰动的问题，提出了倾转旋翼和伸缩翼膜相结合的飞行器结构。采用具有伸缩性能的主翼膜及其主传动机构，当飞行器在垂直起降和高空巡航过程时，使主翼膜分别处于收缩和伸展状态，以减小气流扰动和提供部分升力。根据旋翼

2、、机身和主翼膜的力学模型，分析了飞行器在不同飞行过程的受力情况，进行了飞行性能Matlab仿真。仿真结果表明：与传统四旋翼飞行器相比，具有伸缩翼膜的可倾转旋翼的四旋翼飞行器具备起降迅速、远程巡航的优点，具有较高的工程实践价值。关键词：可倾转旋翼的四旋翼飞行器；伸缩翼膜；传动机构；力学模型中图分类号：V2714文献标识码：BStructureDesignforNewTypeofTiltRotorAircraftLIUXiao—lin．HANTing(CoNegeofAeronauticalAutomationofCi

3、vilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China)ABSTRACT：Inordertosolvetheproblemsoflowspeedforverticaltake-offandlandingandshortcruisingdistanceofthetiltrotoraircraft，akindofstructureisdesigned．Thenewtypeoftiltrotoraircraftadoptsthemaindrivemech-anismthatCan

4、drivewingmembranecontraction．Themainwingmembraneisincontraction／extensiontoreducetheairflowdisturbance／providepartoftheliftwhenthevehicleisintheverticaltakeoff／landingaltitudecruiseprocess．Accordingtothemechanicalmodeloftherotorandthefuselageandthemainwingmemb

5、rane，thestresssituationoftheaircraftisanalyzedsandsimulatedindifferentflightprocesses．Theresultsshowthattheaircrafthasadvantageswithfastlandingandlong-rangecruising．KEYWORDS：Tiltrotoraircraft；Telescopicwingmembrane；Transmissionstructure；Mechanicalmodel1引言可倾转旋翼

6、的四旋翼飞行器是一种可以实现垂直起降、高空巡航及其过渡过程三种飞行模式的非共轴式四旋翼飞行器¨卫J。与传统的四旋翼飞行器相比，增加了旋翼倾转功能，具有巡航速度快、飞行姿态稳定的优点，已引起航空界的广泛关注¨’4J。由于可倾转旋翼的四旋翼飞行器需要在垂直起降和高空巡航两种模式之间进行转换，这就要求它能够为飞行过程提供更多的能源。为了解决该问题，国内外的多家大学、公司和研究机构开发了安装有固定翼的可倾转旋翼的四旋翼飞行器。该飞行器通过旋翼和机翼的有效结合，使其在高空巡航过程时，一方面依靠升阻比高的机翼来产生大部分升力，

7、另一方面依靠升阻比低的旋翼来产生维持稳定状态所需的小部分升力，从而减少飞行器耗能¨J。但是，在垂直基金项目：国家自然科学基金项目(U133311】)，中央高校基金项目(3122015C013，3122013I)021)收稿日期：2015—05—05修回日期：2015—06—11起降过程时，由于宽大的固定翼面极易受到气流扰动，所以飞行姿态稳定控制却难以实现。鉴于此，本文根据可倾转旋翼的四旋翼飞行器的结构特点和飞行原理，提出了一种具有伸缩翼膜结构的可倾转旋翼的四旋翼飞行器，并设计其独特的外形结构和主传动机构。基于飞行动

8、力学原理，采用分块法对飞行器进行机理建模，并通过Matlab仿真实验验证设计方案的可行性和高效性。2飞行器飞行原理及外形结构设计2．1飞行器飞行原理四旋翼飞行器俯视图如图1所示，主要由旋翼、机臂、电机和飞行控制器等组成，其飞行原理描述如下：1)垂直运动：保持四个电机转速相同，使四个旋翼总升力等于机体重力。此时，实现飞行器垂直运动的悬停状态。四个电机同时增加(