新型双涵道四旋翼无人飞行器设计分析

摘要

伴随着我国航空产业的蓬勃发展，四旋翼航拍无人机在消费级市场上的需求日益旺盛。四旋翼飞行器在作为空中平台的使用中通常需要搭载高精度的设备，故对其稳定性要求十分严格。但四旋翼飞行器受限于自身飞行特性，机体始终处于不稳定的变化状态，需要通过三轴云台来保持设备的稳定。但实际飞行时往往会超出云台的适用范围。因此，市场上迫切地需求一种飞行时机体更加稳定的空中平台，并要求保留四旋翼飞行器可垂直起降、空中悬停和机动灵活的优点。
　　根据上述要求，本文提出了一种在机体始终保持水平稳定状态下，可实现垂直起降、悬停、偏航和快速巡航的无人飞行器。该飞行器在常规四旋翼无人飞行器的基础上设计加入了一套带有推进及转向控制的涵道动力系统。旋翼动力只负责提供垂直方向的升力，并保持机体稳定；涵道动力则通过差速控制方法提供水平方向上的动力，使该飞行器从起飞到降落的整个飞行过程中机体都不会产生倾转，同时有效减小飞行阻力，提升航速。该飞行器在推进方式上的改变，巧妙地解决了现有四旋翼飞行器因自身姿态变化而对机载设备产生的干扰。
　　本文在确立了该飞行器总体设计要求的基础上，选择初步设计方案，并对其飞行原理进行详细阐述。通过计算总体参数，结合设计要求完成该方案飞行器的总体设计，并对主要结构部件进行初步结构设计，使用CATIA软件绘制出整机三维模型。在上述工作基础上，制作完成该方案飞行器的原理验证样机。
　　由于该飞行器动力系统由旋翼和涵道复合而成，为研究涵道动力对旋翼的气动影响，有必要对动力系统的气动特性进行 CFD分析。本文将该机整体模型简化为旋翼与涵道空间位置的计算模型，经过划分网格，将其导入 ANSYS Fluent软件中进行数值仿真。以涵道的不同安装位置作为变量，得出旋翼升力数据和所需图形。经过分析研究，确定出涵道与旋翼复合时的最佳安装位置。接着对涵道动力系统进行优化设计，通过对比普通涵道与收敛涵道在涵道扇叶转速相同情况下产生拉力的结果，得出收敛涵道将产生更大拉力的结论。完成理论分析后，对该方案验证样机进行外场试飞测试。测试结果表明，在飞行过程中，样机机体可始终保持水平稳定。最大航速可达19.2m/s，且各项指标均符合设计要求。从而验证了该方案的可行性和合理性，为后续研究奠定了良好的基础，尤其为旋翼与涵道动力的复合研究提供了一定的技术储备和制作借鉴。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 新型双涵道四旋翼无人飞行器总体设计

2.1设计要求

2.2设计方案

2.3材料选用

2.4操纵方式及典型飞行状态

2.5总体参数选择

2.6本章小结

第三章 新型双涵道四旋翼无人飞行器结构设计

3.1整体结构布局

3.2飞行器各主要部件结构设计

3.3验证样机主要部件选择

3.4本章小结

第四章 基于FLUENT的气动特性分析

4.1计算流体力学基础和FLUENT简介

4.2计算模型建立及网格划分

4.3仿真分析与结果

4.4本章小结

第五章 涵道动力系统设计及优化分析

5.1涵道风扇动力系统分析

5.2涵道动力系统设计、建模与网格生成

5.3数值求解方法与边界条件设置

5.4仿真分析与结果

5.5本章小结

第六章 验证机飞行试验

6.1飞行条件及起落架收放测试

6.2最大飞行速度

6.3航时

6.4航程

6.5飞行高度

6.6最小转弯半径

6.7本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2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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