專利名稱：米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局方法。
背景技術(shù)：
小型單槳涵道式無人機由發(fā)動機提供的推力實現(xiàn)垂直起飛、懸停等飛行動作，同時，旋翼旋轉(zhuǎn)還產(chǎn)生了繞垂直飛行器中心軸的扭矩，該扭矩會嚴重影響無人機的穩(wěn)定性和可靠性。單螺旋槳固定翼飛機采用偏移重心或調(diào)整發(fā)動機推力 線的方法克服螺旋槳自旋影響，單旋翼直升機采用尾槳平衡主螺旋槳產(chǎn)生的扭矩。小型單槳涵道式無人機由于自身結(jié)構(gòu)特點，通常采用一組反扭矩舵實現(xiàn)扭矩的平衡，其原理是，反扭矩舵位于涵道內(nèi)部螺旋槳產(chǎn)生的滑流流場內(nèi)，反扭矩舵片同向偏轉(zhuǎn)，在螺旋槳滑流的作用下，舵片上產(chǎn)生相應的升力和阻力。其中，作用在舵片上的升力對涵道式無人機產(chǎn)生扭矩，該扭矩與螺旋槳產(chǎn)生的扭矩大小相等，方向相反，從而實現(xiàn)無人機扭矩的平衡，使無人機無自轉(zhuǎn)；反扭矩舵通常布置在涵道內(nèi)部旋翼下方。但受到涵道內(nèi)部空間的限制，單片反扭矩舵尺寸較為有限。因此，在涵道式無人機設(shè)計中常采用多片反扭矩舵分布的方式來滿足抵消旋翼扭矩的要求，而涵道內(nèi)組合舵片的氣動特性與單片反扭矩舵的氣動特性是不同的。目前，涵道式無人機反扭矩舵的布局方式尚未形成統(tǒng)一的方案和整體設(shè)計思路，國內(nèi)外各研究團隊對反扭矩舵均勻分布布局大多沒有進行過較詳細的分析論證，對舵片周向排列片數(shù)，舵片夾角等參數(shù)對其整體氣動特性的影響尚未有明確的分析結(jié)果。由此使得目前各類涵道式無人機反扭矩舵的布局大多無法充分利用其氣動特性，無法充分提高無人機整體氣動特性和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是本發(fā)明提供了一種米字型反扭矩舵的布局方法，可應用于小型函道式無人機，滿足了抵消旋翼扭矩的要求，充分提高無人機整體氣動特性和穩(wěn)定性；本發(fā)明的技術(shù)方案是一種米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法，它包括以下步驟第一步，選取反扭矩舵的翼型，從而得到單片反扭矩舵的扭矩T ；第二步，通過測量得到發(fā)動機扭矩Q，由公式nmin T = Q I. I得到達到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片數(shù)nmin，如果nmin為小數(shù)則取整，并且當Iiniin為奇數(shù)時,令其加1，變?yōu)榕紨?shù);從nmin開始在[nmin，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，作為下一步進行仿真時所用的反扭矩舵片數(shù)n ;第三步，分析確定反扭矩舵排布方式，獲得不同舵片之間夾角3 ；(I)建立反扭矩舵三維結(jié)構(gòu)模型，利用第二步中獲得的各個n的數(shù)值，得到每個n值對應的舵片之間夾角3，針對每種排布方式進行舵片整體氣動特性仿真；
(2)根據(jù)仿真結(jié)果，測試每種排布方式下的氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數(shù)，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數(shù)帶來的影響，由此近一步縮小反扭矩舵片數(shù)n的取值范圍；在(2)確定反扭矩舵片數(shù)n的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內(nèi)的最小值，確定3 ;第四步，確定反扭矩舵與槳盤的間距反轉(zhuǎn)舵位于槳盤正下方的涵道內(nèi)且距離槳盤較近，首先，將反扭矩舵片1/4弦長位置到槳盤的距離用z表示，c為涵道的長度，h為槳盤到涵道入口的距離，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋槳槳盤不同距離z的氣動特性，根據(jù)仿真過程獲知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；設(shè)計時兼顧反扭矩舵工作效率和涵道升力，在反扭矩舵扭矩達到要求的前提下，在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)令反扭矩舵盡量遠離螺旋槳槳盤；第五步，米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內(nèi)，以無人機機身中軸為圓心，每隔^設(shè)置一片反扭矩舵，反轉(zhuǎn)舵到涵道入口的位置關(guān)系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局。本發(fā)明提供的方法首次對小型涵道式無人機反扭矩舵均勻分布式布局的排布方式提供了一種較為合理的設(shè)計流程和設(shè)計方案。通過數(shù)值仿真和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法為舵片布局片數(shù)和相鄰舵片夾角設(shè)計提供了一種方便的方案，經(jīng)過本課題組設(shè)計的小型涵道式無人機實際試飛試驗證明，該方法設(shè)計的反扭矩舵布局能夠合理利用其氣動特性，充分提高組合舵整體氣動效率，滿足無人機反扭矩需求。


圖I “米”字均勻布局反扭矩舵平面2 “米”字均勻布局不同P角舵片表面靜壓分布圖3 “米”字均勻布局不同P角舵片氣動特性對比圖4反扭矩舵與槳盤相對位置描述圖5反扭矩舵裝配6反扭矩舵片示意圖
具體實施例方式參見圖1，一種米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法，它基于一種米字型反扭矩舵，所述 米字型反扭矩舵，包括多片反扭矩舵；多片反扭矩舵以無人機機身中軸為圓心，向外輻射發(fā)散排布；固定反扭矩舵的高強度碳管在舵片靠近前緣1/4弦長處穿過，碳管兩端均由軸承連接；一側(cè)固定于涵道壁的梁上并由舵機驅(qū)動，另一端固定于無人機機身中軸上；米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法包括以下步驟第一步，選取反扭矩舵的翼型，從而得到反扭矩舵的扭矩T ；第二步，通過測量得到發(fā)動機扭矩Q，由公式nmin T = Q I. I
得到達到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片數(shù)nmin，如果nmin為小數(shù)則取整，并且當Iiniin為奇數(shù)時,令其加1，變?yōu)榕紨?shù);從nmin開始取在[nmin，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，作為下一步進行仿真時所用的反扭矩舵片數(shù)n。第三步，利用CFD軟件分析確定反扭矩舵排布方式，獲得不同舵片之間夾角3 ；(I)建立反扭矩舵三維結(jié)構(gòu)模型，利用第二步中獲得的各個n的數(shù)值，得到每個n值對應的舵片之間夾角3，針對每種排布方式進行舵片整體氣動特性仿真；(2)根據(jù)仿真結(jié)果，測試每種排布方式下的氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數(shù)，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數(shù)帶來的影響，由此綜合考慮上述各種性能，近一步縮小反扭矩舵片數(shù)n的取值范圍，獲得滿足所需性能的較佳排布方式; (3)對于米字型反扭矩舵，從仿真結(jié)果還可以看出，隨著舵片之間夾角0的變化，舵片間隔的空間也隨之變化，而舵片間氣流的擾動隨著P的減小而加強，為了盡量減小擾動影響，則希望P盡量大；隨著P增大，舵片上下表面靜壓曲線所包圍的面積也隨之增大；由舵片外側(cè)至內(nèi)側(cè)，反轉(zhuǎn)舵片表面靜壓分布受夾角P影響的程度逐漸增強；隨著P的減小，舵片升力系數(shù)的下降幅度越大；因此，確定了 n取值范圍情況下，P越大越好，即在(2)確定反扭矩舵片數(shù)n的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內(nèi)的最小值，確定3 ；如附圖2、3所示，在一個實例中，n取4、6、8、10、12，進行靜壓分布情況與氣動性的分析，但是在圖中僅示出了 ￠=30°、60°或90°時的涵道內(nèi)的靜壓分布情況與氣動性對比，當￠=60°時，效果最佳。第四步，參見附圖4，確定反扭矩舵與槳盤的間距反轉(zhuǎn)舵位于槳盤正下方的涵道內(nèi)且距離槳盤較近，其相對于槳盤的位置會對涵道氣動性能、旋翼動力性能以及自身的氣動性能產(chǎn)生影響；首先，將反扭矩舵片1/4弦長位置到槳盤的距離用z表示，c為涵道的長度，h為槳盤到涵道入口的距離，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋槳槳盤不同距離z的氣動特性，從而確定安裝位置，CFD仿真過程如下I)建立反扭矩舵三維結(jié)構(gòu)模型，明確z、C、h定義，其中C、h為已知量；2)利用CFD軟件對經(jīng)過反扭矩舵的滑流速度分布進行仿真分析；調(diào)整反扭矩舵片1/4弦長位置到槳盤距離z的數(shù)值，利用CFD軟件仿真不同z值下滑流速度分布；根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，可以得到如下規(guī)律(I)隨著反扭矩舵位置z的逐漸增大，其對旋翼滑流的阻塞作用降低，但理論上要求z最佳取值應使舵片對滑流速度影響越小越好，即舵片盡量不要阻擋螺旋槳滑流；因此，Z值在允許范圍內(nèi)越大越好。(2)流經(jīng)舵片的滑流在靠近中軸位置處速度會提高，隨著z的增大，其最大值會降低，即經(jīng)過舵片的流速越高，舵片工作效率越高，因此，在不考慮其它條件的情況下，Z值應盡可能的減?。痪C上所述，增大反扭矩舵與螺旋槳的距離z可以提高涵道升力，但相應的反扭矩舵自身工作效率也會降低，在小型涵道式無人機系統(tǒng)設(shè)計中應該根據(jù)需要權(quán)衡取值，一般應首先考慮反扭矩舵工作效率，在其扭矩達到要求的前提下兼顧涵道升力，即在反扭矩舵扭矩達到要求的前提下，在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)令反扭矩舵盡量遠離螺旋槳槳盤。第五步，參見附圖5、6，米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內(nèi)，以無人機機身中軸為圓心，每隔^設(shè)置一片反扭矩舵，反轉(zhuǎn)舵到涵道入口的位置關(guān)系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局。更優(yōu)的，考慮到涵道式無人機起飛、降落以及加速飛行時發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，使得扭矩也會產(chǎn)生相應的變化，這種情況下，需要反扭矩舵能夠根據(jù)發(fā)動機扭矩的變化做出實
時的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)扭矩的動態(tài)平衡。因此，可將n片反扭矩舵中的相間隔的-片固定，而另外相
間隔的I片由單獨舵機操縱隨著機身姿態(tài)實時做出相應動作，以保持無人機在發(fā)動機不同
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轉(zhuǎn)速下都能保持其周向的穩(wěn)定性，舵片與豎直方向夾角的活動范圍為±3° ;經(jīng)扭矩傳感器測得數(shù)據(jù)驗證，在該角度范圍內(nèi)，反扭矩舵完全能夠保證抵消發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的扭矩。
權(quán)利要求
1.一種米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法，其特征是，它包括以下步驟 第一歩，選取反扭矩舵的翼型，從而得到單片反扭矩舵的扭矩τ ； 第二步，通過測量得到發(fā)動機扭矩Q，由公式 nmin ·て=QI· I 得到達到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片數(shù)nmin，如果nmin為小數(shù)則取整，并且當η—為奇數(shù)時，令其加I，變?yōu)榕紨?shù)； 從nmin開始在[nmin，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內(nèi)取遍所有的偶數(shù)，作為下ー步進行仿真時所用的反扭矩舵片數(shù)η ; 第三步，分析確定反扭矩舵排布方式，獲得不同舵片之間夾角β ; (1)建立反扭矩舵三維結(jié)構(gòu)模型，利用第二步中獲得的各個η的數(shù)值，得到每個η值對應的舵片之間夾角β，針對每種排布方式進行舵片整體氣動特性仿真； (2)根據(jù)仿真結(jié)果，測試每種排布方式下的氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數(shù)，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升カ系數(shù)帶來的影響，由此近ー步縮小反扭矩舵片數(shù)η的取值范圍； 在(2)確定反扭矩舵片數(shù)η的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內(nèi)的最小值，確定β ; 第四步，確定反扭矩舵與槳盤的間距 反轉(zhuǎn)舵位于槳盤正下方的涵道內(nèi)且距離槳盤較近，首先，將反扭矩舵片1/4弦長位置到槳盤的距離用ζ表示，c為涵道的長度，h為槳盤到涵道入口的距離，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋槳槳盤不同距離z的氣動特性，根據(jù)仿真過程獲知z值越大，滑流速度越大即涵道升カ越大，但同時反扭矩舵工作效率降低； 設(shè)計時兼顧反扭矩舵工作效率和涵道升力，在反扭矩舵扭矩達到要求的前提下，在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)令反扭矩舵盡量遠離螺旋槳槳盤； 第五步，米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局 綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內(nèi)，以無人機機身中軸為圓心，每隔β設(shè)置一片反扭矩舵，反轉(zhuǎn)舵到涵道入口的位置關(guān)系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種米字型反扭矩舵結(jié)構(gòu)布局方法，其特征是，將第五步中m片反扭矩舵中的相間隔的マ片固定，而另外相間隔的Y片由單獨舵機操縱隨著機身姿態(tài)實時做出相應動作，以保持無人機在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下都能保持其周向的穩(wěn)定性，舵片與豎直方向夾角的活動范圍為±3° ;經(jīng)扭矩傳感器測得數(shù)據(jù)驗證，在該角度范圍內(nèi)，反扭矩舵完全能夠保證抵消發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的扭矩。
全文摘要
本發(fā)明屬于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種反扭矩舵的結(jié)構(gòu)布局方法。本發(fā)明提供了一種反扭矩舵的布局方法，可應用于小型函道式無人機；它基于一種米字型反扭矩舵，其特征是通過確定反扭矩舵的翼型、至少所需要的反扭矩舵片數(shù)n、分析確定反扭矩舵排布方式、確定反扭矩舵與槳盤的間距、確定反扭矩舵的安裝方式的步驟，設(shè)計出反扭矩舵；經(jīng)理論和實驗論證，利用該方法可以較方便的設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理并滿足實際應用的反扭矩舵。
文檔編號B64F5/00GK102673802SQ20121016323
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者劉志軍, 吳炎烜, 張威, 徐旻, 李陳 申請人:北京理工大學