旋翼+气囊复合动力无人机旋翼系统设计分析

摘要

新型旋翼气囊复合动力无人机，是一种低空低速、高效低耗、性能稳定、维护性好的飞行器。这种飞行器不仅能够实现重载、长航时飞行，而且具有结构简单、安全性好等特点，是结合旋翼技术与静升力的一种低空混合动力飞行器。可主要用于军事侦察、公安消防、航空摄影、地质调查、环境评估、地震救援、核能源泄露探测等方面。其中在地震救援中，该飞行器可以在复杂的气象状况下作为临时空中通讯中继站，实时传回高清照片并反馈损失和路况情况。
　　该新型无人机的动力主要由气囊和变距四旋翼组成。充满氦气的气囊主要为该无人机提供了大部分起飞重量的静升力，从而很大程度上减小了变距旋翼对电机动力源的消耗依赖，同时增大了有效载荷。变距四旋翼是一种六自由度的垂直起降机，是通过控制旋翼桨距角度和旋翼速度来改变升力，进而改变该无人机的姿态和位置，同时提供部分的升力。变距旋翼与传统的四旋翼相比，通过改变桨距角度可以获得较优的升阻比，比固定桨的效率更高。并且固定旋翼根据设计要求一旦使用更大的桨，电机调整转速的响应能力会迅速降低，而变距旋翼由于是外转子电机则不存在这样的问题。同时应用变距旋翼系统会使该无人机获得较强的机动能力，如控制桨距角为负则会使该无人飞行器产生负升力从而快速降落。变距旋翼系统可以在不同的飞行状态下通过控制桨距角度获得最佳桨距角，充分实现提高电机效率，增强该无人飞行器长航时的目的。
　　本文在旋翼+气囊复合动力无人机总体设计要求以及结构布局的基础上，首先，确定变距旋翼系统旋翼翼型、直径、弦长等主要参数以及对动力系统的选择。其次，应用FLUENT流体计算软件分析变距旋翼在悬停状态和前飞状态下，不同转速、不同桨距角度的拉力系数、扭矩系数以及螺旋桨效率的情况。然后，通过CATIA软件建立三维变距旋翼模型，对其进行运动模拟仿真和模态分析，研究分析变距旋翼系统在无阻尼状态下自身的振动特性。最后，通过地面悬停试验和风洞前飞试验来进一步检验变距旋翼系统数值模拟的正确性，以及对试验数据进行修正和试验结果的误差分析，为日后新型旋翼+气囊无人机的结构优化提供了一定的参考。

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第1章 绪论

1.1课题来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 变距旋翼系统相关参数的确定

2.1变距旋翼系统设计要求

2.2 变距旋翼系统参数的确定

2.3本章小结

第3章 变距旋翼气动性能分析

3.1引言

3.2变距旋翼悬停状态下的控制方程

3.3变距旋翼模型三维实体建模

3.4基于FLUENT的数值分析

3.5悬停状态下变距旋翼模型数值模拟

3.6变距旋翼前飞状态下的相似条件

3.7前飞状态下变距旋翼模型数值模拟

3.8 本章小结

第4章 变距系统设计及力学性能分析

4.1变距系统三维建模及运动仿真

4.2变距系统强度分析

4.3变距系统模态分析

4.4本章小结

第5章 变距系统试验与分析

5.1变距系统地面悬停试验

5.2变距系统风洞前飞试验

5.3变距系统风洞试验前的准备和调试

5.4风洞试验结果对比分析

5.5试验数据修正与分析

5.6本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

硕士学位期间发表的学术论文和参加项目情况说明

致谢

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