專利名稱：米字型反扭矩舵結構布局方法
技術領域：
本發明屬于飛行器結構設計領域，具體涉及一種反扭矩舵的結構布局方法。
背景技術：
小型單槳涵道式無人機由發動機提供的推力實現垂直起飛、懸停等飛行動作，同時，旋翼旋轉還產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定性和可靠性。單螺旋槳固定翼飛機采用偏移重心或調整發動機推力 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生的扭矩。小型單槳涵道式無人機由于自身結構特點，通常采用一組反扭矩舵實現扭矩的平衡，其原理是，反扭矩舵位于涵道內部螺旋槳產生的滑流流場內，反扭矩舵片同向偏轉，在螺旋槳滑流的作用下，舵片上產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生扭矩，該扭矩與螺旋槳產生的扭矩大小相等，方向相反，從而實現無人機扭矩的平衡，使無人機無自轉；反扭矩舵通常布置在涵道內部旋翼下方。但受到涵道內部空間的限制，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一的方案和整體設計思路，國內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，舵片夾角等參數對其整體氣動特性的影響尚未有明確的分析結果。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定性。
發明內容
本發明的目的是本發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定性；本發明的技術方案是一種米字型反扭矩舵結構布局方法，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nmin，如果nmin為小數則取整，并且當Iiniin為奇數時,令其加1，變為偶數;從nmin開始在[nmin，12]的范圍內取遍所有的偶數，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內取遍所有的偶數，作為下一步進行仿真時所用的反扭矩舵片數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構模型，利用第二步中獲得的各個n的數值，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)根據仿真結果，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，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數帶來的影響，由此近一步縮小反扭矩舵片數n的取值范圍；在(2)確定反扭矩舵片數n的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內的最小值，確定3 ;第四步，確定反扭矩舵與槳盤的間距反轉舵位于槳盤正下方的涵道內且距離槳盤較近，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，在結構允許的范圍內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構布局綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內，以無人機機身中軸為圓心，每隔^設置一片反扭矩舵，反轉舵到涵道入口的位置關系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結構布局。本發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計流程和設計方案。通過數值仿真和總體結構設計的方法為舵片布局片數和相鄰舵片夾角設計提供了一種方便的方案，經過本課題組設計的小型涵道式無人機實際試飛試驗證明，該方法設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構布局方法，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；一側固定于涵道壁的梁上并由舵機驅動，另一端固定于無人機機身中軸上；米字型反扭矩舵結構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nmin，如果nmin為小數則取整，并且當Iiniin為奇數時,令其加1，變為偶數;從nmin開始取在[nmin，12]的范圍內取遍所有的偶數，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內取遍所有的偶數，作為下一步進行仿真時所用的反扭矩舵片數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構模型，利用第二步中獲得的各個n的數值，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)根據仿真結果，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，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升力系數帶來的影響，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；由舵片外側至內側，反轉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n的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內的最小值，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舵位于槳盤正下方的涵道內且距離槳盤較近，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構模型，明確z、C、h定義，其中C、h為已知量；2)利用CFD軟件對經過反扭矩舵的滑流速度分布進行仿真分析；調整反扭矩舵片1/4弦長位置到槳盤距離z的數值，利用CFD軟件仿真不同z值下滑流速度分布；根據數值仿真結果，可以得到如下規律(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值在允許范圍內越大越好。(2)流經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值應盡可能的減小；綜上所述，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設計中應該根據需要權衡取值，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，在結構允許的范圍內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構布局綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內，以無人機機身中軸為圓心，每隔^設置一片反扭矩舵，反轉舵到涵道入口的位置關系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結構布局。更優的，考慮到涵道式無人機起飛、降落以及加速飛行時發動機轉速的變化，使得扭矩也會產生相應的變化，這種情況下，需要反扭矩舵能夠根據發動機扭矩的變化做出實
時的偏轉，實現扭矩的動態平衡。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實時做出相應動作，以保持無人機在發動機不同
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轉速下都能保持其周向的穩定性，舵片與豎直方向夾角的活動范圍為±3° ;經扭矩傳感器測得數據驗證，在該角度范圍內，反扭矩舵完全能夠保證抵消發動機不同轉速產生的扭矩。
權利要求
1.一種米字型反扭矩舵結構布局方法，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nmin，如果nmin為小數則取整，并且當η—為奇數時，令其加I，變為偶數； 從nmin開始在[nmin，12]的范圍內取遍所有的偶數，如果nmin小于或等于4，則在[4，12]的范圍內取遍所有的偶數，作為下ー步進行仿真時所用的反扭矩舵片數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構模型，利用第二步中獲得的各個η的數值，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)根據仿真結果，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，綜合氣流擾動、舵片上下表面靜壓分布、舵片升カ系數帶來的影響，由此近ー步縮小反扭矩舵片數η的取值范圍； 在(2)確定反扭矩舵片數η的取值范圍的情況下，由360°除以該范圍內的最小值，確定β ; 第四步，確定反扭矩舵與槳盤的間距 反轉舵位于槳盤正下方的涵道內且距離槳盤較近，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，在結構允許的范圍內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構布局 綜合上述第一步至第三步，在涵道360°圓周內，以無人機機身中軸為圓心，每隔β設置一片反扭矩舵，反轉舵到涵道入口的位置關系由第四步確定，從而確定米字型反扭矩舵的結構布局。
2.如權利要求I所述的ー種米字型反扭矩舵結構布局方法，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實時做出相應動作，以保持無人機在發動機不同轉速下都能保持其周向的穩定性，舵片與豎直方向夾角的活動范圍為±3° ;經扭矩傳感器測得數據驗證，在該角度范圍內，反扭矩舵完全能夠保證抵消發動機不同轉速產生的扭矩。
全文摘要
本發明屬于飛行器結構設計領域，具體涉及一種反扭矩舵的結構布局方法。本發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，設計出反扭矩舵；經理論和實驗論證，利用該方法可以較方便的設計出結構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 優先權日2012年5月23日
發明者劉志軍, 吳炎烜, 張威, 徐旻, 李陳 申請人:北京理工大學