低成本货运无人机的气动布局方案设计_张俊宝.pdf

成都航空职业技术学院学报Journal of Chengdu Aeronautic Polytechnic2023 年 3 月第 1 期（总第 134 期）Vol.39 No.1（Serial No.134）2023无人机按用途发分主要分为军用无人机和民用无人机，其中民用无人机又分为消费级无人机和工业级无人机。无人机最早主要应用于军事领域，随着技术进步、成本下降，无人机逐渐往民用领域拓展。从各细分应用领域来看，消费级无人机主要应用于航拍、灯光秀表演等;工业级无人机应用领域则比较广泛，包括农业植保、电力巡检、物流、安防等。目前，农业植保无人机已经成为现代农业的新宠儿，占工业级无人机市场的比重为 41.5%，排名第一1。例如成都航空职业技术学院的李吉博士带领的C3、AI 团队正在研发一款用于高原山地的放牧无人机2。此外，物流领域增长潜力较大，特别是新冠疫情之下无人机配送“大显身手”，令这一领域吸引了更多的关注，为未来发展奠定了良好的基础。在全球物流运输业中传统的陆运、水运由于成本低、范围广而广受各大物流公司的青睐；而近年来,随着电子商务产业的迅猛发展，全球快递物流业随之获得快速增长的同时又面临着高速、高效的难题，于是空运逐渐被各大物流公司重视起来。2022年，大型无人机公司丰鸟科技正式取得了中国民航局颁发的支线物流无人机试运行许可和经营许可，标志着大型无人机送货时代正式开启3。目前的货运无人机都是有人飞机的适应性改装，没有做过详细的气动布局设计。而在飞机设计过程中，确定合适的气动布局是最为重要的事情之一。优异的气动布局不仅可以在气动效率上获得很高的收益，更能因为外观优秀在激烈的竞争中获得订单。本文旨在以某单发货运无人机为载体，进行气动布局方案设计，分别以上单翼+“T”型尾翼布局和下单翼+机身平尾布局两种常见货运飞机布局方案为主要研究对象。通过计算和仿真，从重量和耗油率两个方面对两种方案进行成本分析，最后得出一种低成本货运无人机气动布局方案。一、气动布局方案设计（一）飞机总体参数本文将以某单发货运无人机为载体，设计一种低成本货运无人机的气动布局方案设计张俊宝1，郭 东1，李 吉2，苟 标2，陶 庚2，廖 瑞2（1.四川腾盾科技有限公司，成都 610037；2.成都航空职业技术学院，成都 610100）摘要：分析了现代电子商务快速发展的背后物流行业面临的难题，提出可以采用货运无人机作为解决方案。以某单发货运无人机为载体，进行气动布局方案设计，分对几种同量级飞机常用气动布局作为货运飞机布局方案为主要研究对象。通过计算和仿真，从重量和气动效率两个方面对方案进行成本分析，最后得出一种低成本货运无人机气动布局方案。关键词：货运无人机 飞机总体设计 气动布局CFD仿真分析中图分类号：V211.3文献标识码：A文章编号：1671-4024（2023）01-0042-05Design of Aerodynamic Layout Scheme for Low-cost Cargo UAVZHANG Junbao1,GUO Dong1，LI Ji2，LIAO Rui2，TAO Geng2，GOU Biao2（1.Sichuan Tengdun Technology Co.Ltd.,Chengdu 610037,China;2.School of Aeronautical Manufacturing Industry,Chengdu Aeronautic Polytechnic,Chengdu 610100,China）AbstractThis paper analyzes the problems faced by logistics industry with the rapid development of modern e-commerce,andputs forward the use of cargo UAV as a solution.Taking cargo UAV as the carrier,and common aerodynamic layout of several air-crafts of the same class as the main research subject,this paper carries out aerodynamic layout design.Through calculation and simula-tion,the scheme cost is analyzed from two aspects of weight and aerodynamic efficiency,and finally the aerodynamic layout schemeof low-cost cargo UAV is obtained.Key Wordscargo UAV,overall aircraft design,aerodynamic layout,CFD simulation analysis收稿日期：2022-10-13基金项目：四川省科技计划重点研发项目（2020YFN0027）；阿坝州科技计划重点研发项目（R22YYJSYJ0001）。作者简介：张俊宝（2002），男，四川射洪人，助理工程师，研究方向为飞行器设计。42 低成本货运无人机的气动布局方案设计优异的气动布局方案，并从空机重量和巡航时的耗油率方面分析该布局的运营成本，下表为该无人机的部分总体参数。表1 总体参数性能最大起飞重量翼展机翼参考面积机身长机身高指标3100kg16.74m28m213m1.7m性能巡航速度机翼稍根比平均气动弦长机身宽参考重心指标240km/h0.61.711.9m5280mm（二）气动布局设计1.同类飞机气动布局为使研究更加严谨，参考起飞重量在1.5t-5t内的单发陆地起降货运或通用飞机气动布局并做简单分析，如下表所示。表2 典型飞机气动布局机型DA50P750赛斯纳208AT200最大起飞重量1660350039693400机翼位置下单翼下单翼上单翼下单翼发动机位置机头机头机头机头起落架位置机身底部主起机翼机身底部主起机翼尾翼布置形式T型尾翼机身平尾机身平尾机身平尾表3是各种布局的优劣势的初步评判：表3 各布局优劣势机翼位置上单翼上单翼下单翼下单翼尾翼布置形式机身平尾T型尾翼机身平尾机身平尾起落架位置机身底部机身底部机身底部主起机翼底部优势结构简单平尾、垂尾效率高结构简单、加油方便、平 尾 处 理 洗流、拆解运输方便结构简单、加油方便、平 尾 处 理 洗流，起落架短，结构重量小劣势平尾处于机翼洗流，效率低垂尾结构较重，加油不方便起落架偏长且会占用机身空间，重量略大拆解运输时需机身托架根据表2 和表3 可知，货运飞机比较有优势的气动布局有这样两种：上单翼+T型尾翼的布局和下单翼+机身平尾的布局；这两种方案都具有较优的气动效率且结构简单，为减少设计周期，下面将从空机重量和气动效率两个方面对两种布局进行分析。2.气动布局模型根据已有的总体参数分别对两种进行初步总体方案设计，并形成如图 1和图 2所示的三维数字模型，为气动特性仿真提供模型基础。图1 方案一上单翼+T型尾翼布局图 2 方案二下单翼+机身平尾布局（三）重量评估无人机空机重量包括机体结构重量、动力系统重量和航电设备重量。本章只是针对因气动布局改变带来的飞机重量改变做评估，因此只评估机体结构重量改变，其他重量认为不变。机体结构重量主要分为机身结构重量、机翼结构重量、尾翼结构重量和起落架系统结构重量。1.机身重量评估机身重量，无人机机身重量一般占起飞重量的8%10%,占结构重量的30%40%；根据无人机机身重量估算公式1：WFUS=0.328()W0nz0.5LF0.75S0.302()L D0.11+0.75|()1+2l1+l()bwtanc 4（1）为机身重量估算值，kg；nz为最大过载；W0为设计最大重量，kg；LF为机身长度，m；S为机身浸润面积，；L/D为全机升阻比；l为机翼根稍比；bw为机翼翼展；c/4为1/4弦线后掠角度。nz取经验值为6；W0前文已知为3100kg；LF前文已知为 13m；L/D 按经验约为 16；l前文已知约为1.67；bW前文已知为16.74m；c/4为0。方案一和方案二由于机身上述参数没有改变，机身重量都为295.08kg。2.机翼重量评估机翼重量，无人机机身重量一般占起飞重量的8%12%，占结构重量的30%40%；根据尼古拉机翼重量计算公式2：（2）式中：Ww为机翼重量估算值，lbf；nz为最大过载；W0为设计最大重量，lbf；ARw为机翼展弦比；c/4Ww=96.948|()nzW01050.65|ARWCOS2()c40.57()SW1000.61|1+2()tc0.361+VH5000.993 43 为1/4弦线后掠角，度；Sw为梯形机翼面积，ft2；为机翼稍根比；t/c为机翼相对厚度；VH为海平面最大平飞空速，KEAS。nz经验值取为 6；W0前文已知 3100kg，约为6835.5lbf；ARw机翼展弦比为10；c/4为1/4弦线后掠角0度；Sw为梯形机翼面积28m2，约为301.39ft2；为机翼稍根比前文已知为 0.6；t/c为机翼相对厚度为18%；VH海平面最大平飞空速为162KEAS。方案一和方案二机翼估算重量均为348.22kg。3.尾翼重量计算平尾重量，根据尼古拉平尾重量计算公式3：WHT=127|()nzW01050.87()SHT1001.2()lHT100.483bHTtHTmax0.458（3）式中：WHT为平尾重量估算值，lbf；nz为最大过载；W0为设计最大重量，lbf；SHT为平尾梯形面积，ft2；lHT为平尾力臂，ft；bHT为平尾翼展，ft；tHTmax为平尾根弦最大厚度，in。SHT为平尾梯形面积4.55m2，48.976ft2；lHT为平尾力臂 7.22m，23.688ft；bHT为平尾翼展 4.27m，14ft；tHTmax为平尾根弦最大厚度127.92mm，5.036in。方案一和方案二的平尾重量均为42.79kg。垂尾重量，根据雷默垂尾重量计算公式：WVT=0.073()1+0.2Ftail()nzW00.376q0.122S0.873VT()100 t/ccosVT-0.49()ARVTcos2VT0.357-0.032VT（4）式中：WVT为垂尾重量估算值，lbf；Ftail为修正系数，常规尾翼为0，T型尾翼为1；nz为最大过载；W0为设计最大重量，lbf；q为巡航时动压，lbf/ft2；SVT为梯形垂尾面积，ft2；VT为垂尾 25%MGC 处后掠角；ARVT为垂尾展弦比；VT为垂尾力臂，ft。q为巡航时动压3772.35lbf/ft2；SVT为梯形垂尾面积28.42ft2；VT为垂尾25%MGC处后掠角5；ARVT为垂尾展弦比1.5；VT为垂尾力臂23.29ft。方案一的Ftail为修正系数为1，垂尾重量估算值为28.425kg；方案二的Ftail为修正系数为0，垂尾重量估算值为23.69kg。4.起落架重量评估主起落架重量公式：WMLG=0.095()nlWl0.768()lm120.409（5）式中：WMLG为主起落架重量估算值，lbf；nl为最大着陆过载；Wl为设计最大着陆重量，lbf；lm为主起落架支柱长度，in。nl为最大着陆过载经验取值为1.2；Wl为设计最大着陆重量按最大起飞重量算，6835.5lbf；lm为主起落架支柱长度，50.26in。方 案 一 和 方 案 二 主 起 落 架 重 量 估 算 值 为173lbf，约为80.32kg。前起落架重量公式：WNLG=0.125()nlWl0.566()ln120.845（6）式中：WNLG为前起落架重量估算值，lbf；nl为最大着陆过载；Wl为设计最大着陆重量，lbf；ln为前起落架支柱长度，ft。ln为前起落架支柱长度，4.2ft方案一和方案二前起落架重量估算值为；8.45lbf，约为3.924kg。（四）气动效率评估1.网格模型以上单翼+“T”型尾翼布局为例，分析的网格模型均采用非结构网格，为了满足高精度的计算要求，对模型网格进行布局加密，便于结果收敛以及计算精度。2.仿真条件计算状态对应迎角 a=-610；监测升力系数CL、阻力系数 CD、俯仰力矩系数 CM、滚转力矩系数Cl、偏航力矩系数 Cn。机翼参考面积、平均气动弦长、翼展等参数前文已给出。3.仿真结果分析下图为飞机模型在V=66.7m/s，飞行迎角在0条件下明显看出机翼上表面的负压绝对值较大，说明该布局是合理可行的。主要条件飞行速度为66.7m/s时，飞机迎角变化范围（-6至10，每隔2度做一次计算），数据内容为升力、阻力、升阻比等主要气动参数。计算结果如图4-图7所示，可以看出两种气动布局在小迎角区域升力系数线性都较好，产生的升力相当；最大升阻比均可达到18以上，上单翼布局的方案最大可达约20；两种布局的纵向静稳定性都较好。图 4 升力系数曲线低成本货运无人机的气动布局方案设计 44 图5 阻力系数曲线图 6 升阻比曲线图 7 俯仰力矩曲线飞机迎角变化范围（-6至10，每隔2度做一次计算），加入侧滑角（010，每隔5度做一次计算），数据内容为侧力，偏航力矩、滚转力矩等主要气动参数。上单翼+“T”型尾翼计算结果如图8图9所示，可以看出该气动布局在常用迎角范围，全机横航向安定性较好。图 8 偏航力矩曲线（Cn-a）图 9 滚转力矩曲线（Cl-a）下单翼+机身尾翼布局计算结果如图10图11所示，可以看出该气动布局在常用迎角范围内，整体具有一定横航向稳定性；在以10侧滑角飞行，小迎角范围内横航向静稳定性较差。图 10 偏航力矩曲线（Cn-a）图 11 滚转力矩曲线（Cm-a）二、结论根据市场调研和客户满意性调查，提出部分典型飞机成本指标，综合各方面对比上单翼+T型尾翼布局和下单翼+机身平尾布局方案，得出表4对比得分表。表4 方案对比得分表项目气动效率空机重量维护性使用性运输方便总计方案一100010.4方案二011100.6加权系数0.30.350.150.10.11（下转第58页）低成本货运无人机的气动布局方案设计 45 5侧滑角10侧滑角0侧滑角5侧滑角10侧滑角0侧滑角5侧滑角10侧滑角0侧滑角5侧滑角10侧滑角0侧滑角屏蔽层接地方式对飞机电缆电磁屏蔽效能的影响研究与优化设计算模型进行仿真验证。再根据屏蔽层各种接地形式和静电屏蔽理论，对屏蔽层采用不同的接地情况加以讨论。最后基于某型无人机一些容易发生电磁干扰的部位进行元器件的重新选型，电缆线束的重新绘制重新布局，然后对绘制线缆进行360度搭接进行了CST仿真。最后对屏蔽层360度搭接在实际工程的操作进行了演示和总结。结语论文根据传输线理论，在仿真软件中构建了无人机常用线缆不同接地方式的计算模型，并在CST中搭建了无人机常用线缆不同接地方式的仿真模型和电路。通过比较计算模型与仿真分析所得结果，对所建计算模型与仿真模型进行相互验证。文中在上述模型的基础上，除了对接地方式的研究外，还研究了双绞线接地阻值偏移对电磁干扰的影响。然后在以上研究的基础上，针对某型无人机机载线缆目前存在的一系列问题，对典型产生电磁干扰部位的线缆线束进行了整体重新选型和布局优化。根据以上研究，可以给出结论：当机上装载的机载设备功率较大时，即会对线缆产生高频信号，建议电缆接地方式选择屏蔽层360度接地形成法拉第罩；如果现场条件恶劣，会在屏蔽层两端形成感应电压，两个接地端可能存在电位差，容易发生干扰，尤其对模拟量干扰严重，故此时即要单端接地。本文只对目前有的屏蔽层材料进行了研究分析，未来可以根据不同材料屏蔽层不同接地方式进行深入研究对比。参考文献：1Li J,Ling M,Shui J,et al.Smart Grazing in Tibetan Pla-teau:Development of a Ground-Air-Space Integrated Low-CostInternet of Things System for Yak MonitoringJ.WirelessCommunications and Mobile Computing,2022,2022:1-19.2Schelkunoff S A.The electromagnetic theory of coaxialtransmission lines and cylindrical shieldsJ.Bell Labs Techni-cal Journal,1934,13(4):532-479.3平碧波,宋文武,王春.舱室电源电缆对屏蔽双绞线线束的电磁干涉研究J.舰船电子工程,2016,36(08):188-192.4崔勇,杨世武,刘志明,王颖.铁路信号电缆屏蔽及接地方式的研究分析J.铁道学报,2017,39(11):77-82.5徐亮.Pigtail的电磁辐射分析及测试J.国外电子测量技术,2009,28(10):20-22+31.6国防科学技术工业委员会.GJB 1014.1-90.飞机布线通用要求S.7向艳.浅析飞机装配布线方法C/.第三届民用飞机先进制造技术及装备论坛论文汇编.出版者不详,2011:297-303.8肖培.机电设备互连线缆电磁干扰建模及计算方法研究D.成都：电子科技大学,2019.（责任编辑唐斌）（上接第45页）由前文仿真分析和上表可以得出以下结论：（1）两种气动布局方案均具备一定的纵向稳定性和横航向稳定性；其中纵向静稳定性差异不明显，采用上单翼+“T”型尾翼的布局横航向稳定性有明显提升。（2）上单翼+“T”型尾翼布局方案升阻特性最佳，但结构重量较大，货物载量减少，导致运营成本增加，不应采用此布局方案；（3）下单翼+机身尾翼布局方案升阻特性满足使用需求，虽然横航向稳定性相比方案一较差，但飞机结构重量大幅减轻，且使用维护方便，货物载量相对较多，大大减少运营成本，此布局方案为最佳方案；（4）本研究在单发货运无人机气动布局设计方面作了有益的探索，具有一定的工程参考价值；（5）本文在研究时，仅结合了典型布局优劣势和气动特性分析，实际研制、生产过程还有很多因素影响布局，如客户需求、操稳特性、生产技术等方面。参考文献：1骄傲！全球首张支线物流无人机商业试运行牌照给了这家重庆企业N.潇湘晨报,2022,01,25.2LI J,LING M,SHUI J X,et al.Smart Grazing in Tibet-an Plateau:Development of a Ground-AirSpace Integrated Low-Cost Internet of Things System for Yak MonitoringJ.WirelessCommunications and Mobile Computing.2022.https:/doi.org/10.1155/2022/1870094.3吴江,佟胜喜,高峰,尹崇,杨凤田.某型燃料电池飞机气动布局方案对比J.科学技术与工程,2021,21(31):13574-13579.4田海平,苏健,肖泽琦,王菡,李志强,雷锦慧.氢动力固定翼无人机气动布局的气动特性评估J.太原理工大学学报,2021,52(04):607-613.DOI:10.16355/ki.issn1007-9432tyut.2021.04.01.（责任编辑田园)58