兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 231172-.doi: 10.12382/bgxb.2023.1172
张鑫泽1, 肖海建2, 刘兴龙3, 邢孔睿1, 卢翔1,*()
收稿日期:
2023-12-07
上线日期:
2024-03-12
通讯作者:
基金资助:
ZHANG Xinze1, XIAO Haijian2, LIU Xinglong3, XING Kongrui1, LU Xiang1,*()
Received:
2023-12-07
Online:
2024-03-12
摘要:
涵道风扇无人机可以实现起降与悬停,结构简单可靠且安全系数高。针对常规水空两栖无人机起降环境受限、折叠翼机构冗余与气动效率较低等问题,设计一种新型双涵道风扇水空两栖跨介质无人机。借鉴水下无人潜航器和无人驾驶飞机对机身进行优化设计,并采用倾转双涵道风扇动力系统。基于改进叶素动量理论,得出小型涵道风扇升力计算理论公式。分析力学物理场下无人机整体的结构振型,并通过流场有限元仿真验证整机的气动性能。分析结果表明:改进的小型涵道风扇升力计算公式计算结果与风洞试验结果基本一致,两者最大误差为4.5%,设计出的小型涵道风扇可提供20%的附加升力,气动效率高;通过模态分析发现该无人机机体结构较为稳定,振型合理;完成了风洞试验与新型涵道风扇水空两栖无人机在不同介质下的试飞验证,证明了无人机设计方案的可行性。
中图分类号:
张鑫泽, 肖海建, 刘兴龙, 邢孔睿, 卢翔. 新型涵道风扇水空两栖无人机设计与实现[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231172-.
ZHANG Xinze, XIAO Haijian, LIU Xinglong, XING Kongrui, LU Xiang. Design and Realization of a Ducted Fan Water-air Amphibious UAV[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231172-.
参数 | 取值 |
---|---|
无人机总质量/kg | 3 |
机身质量/g | 800 |
单涵道质量/g | 100 |
桨叶参数 | 三叶桨 |
涵道动平衡 | 消除 |
涵道转动角与舵机转动角之比 | 1 |
表1 无人机总体设计参数
Table 1 General design parameters of UAV
参数 | 取值 |
---|---|
无人机总质量/kg | 3 |
机身质量/g | 800 |
单涵道质量/g | 100 |
桨叶参数 | 三叶桨 |
涵道动平衡 | 消除 |
涵道转动角与舵机转动角之比 | 1 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
c/mm | 170 | r*/mm | 37.91 |
d/mm | 260 | 涵道展弦比d/c | 1.529 |
D/mm | 260 | 涵道唇口半径与高度之比r/c | 0.223 |
b/mm | 19 | 涵道最大厚度与高度之比b/c | 0.112 |
h/mm | 56 | 涵道出口直径与涵道内径之比D/d | 1 |
β/(°) | 7 | 桨盘面高度与涵道高度之比h/c | 0.329 |
df/mm | 254.4 | 涵道间隙比(d-df)÷2df ×100% | 1.1% |
表2 涵道风扇设计参数
Table 2 Design parameters of ducted fan
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
c/mm | 170 | r*/mm | 37.91 |
d/mm | 260 | 涵道展弦比d/c | 1.529 |
D/mm | 260 | 涵道唇口半径与高度之比r/c | 0.223 |
b/mm | 19 | 涵道最大厚度与高度之比b/c | 0.112 |
h/mm | 56 | 涵道出口直径与涵道内径之比D/d | 1 |
β/(°) | 7 | 桨盘面高度与涵道高度之比h/c | 0.329 |
df/mm | 254.4 | 涵道间隙比(d-df)÷2df ×100% | 1.1% |
参数 | 数值 |
---|---|
旋翼桨叶叶数k/片 | 3 |
R1/m | 0.127 |
旋翼攻角θ/(°) | 6 |
旋翼扭转角/(°) | 0 |
旋翼转速范围/(r·min-1) | 7000~13000 |
表3 旋翼相关参数
Table 3 Related parameters of rotor
参数 | 数值 |
---|---|
旋翼桨叶叶数k/片 | 3 |
R1/m | 0.127 |
旋翼攻角θ/(°) | 6 |
旋翼扭转角/(°) | 0 |
旋翼转速范围/(r·min-1) | 7000~13000 |
序号 | 电调电压/V | 风扇转速/ (r·min-1) | 角速度/ (rad·s-1) | 风扇拉力/kg | 无涵道 拉力/kg | 有涵道 拉力/kg | 附加升力/% | 试验值与理论 值误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 11.1 | 7200 | 753.6 | 0.724 | 0.658 | 0.706 | 7.29 | 2.5 |
2 | 12.5 | 9240 | 967.12 | 0.879 | 0.745 | 0.854 | 14.63 | 2.8 |
3 | 15.8 | 12800 | 1340 | 1.243 | 0.995 | 1.186 | 19.20 | 4.5 |
表4 风洞试验数据
Table 4 Wind tunnel experimental data
序号 | 电调电压/V | 风扇转速/ (r·min-1) | 角速度/ (rad·s-1) | 风扇拉力/kg | 无涵道 拉力/kg | 有涵道 拉力/kg | 附加升力/% | 试验值与理论 值误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 11.1 | 7200 | 753.6 | 0.724 | 0.658 | 0.706 | 7.29 | 2.5 |
2 | 12.5 | 9240 | 967.12 | 0.879 | 0.745 | 0.854 | 14.63 | 2.8 |
3 | 15.8 | 12800 | 1340 | 1.243 | 0.995 | 1.186 | 19.20 | 4.5 |
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