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小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)方案設(shè)計(jì)研究

前言:想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)方案設(shè)計(jì)研究范文,希望能給你帶來(lái)靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)方案設(shè)計(jì)研究

摘要:太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的新型航空器,前景廣闊。太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)難度極大,但相關(guān)技術(shù)的帶動(dòng)效應(yīng)很大,能夠有力推動(dòng)航空技術(shù)發(fā)展。本文進(jìn)行一種小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的初步方案設(shè)計(jì)研究,內(nèi)容包括布局設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和分析(翼型和機(jī)翼)、重量估算等。聯(lián)翼布局能夠與小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)很好匹配,但氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜,方法上還有待完善。

關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能無(wú)人機(jī);電動(dòng)飛機(jī);方案設(shè)計(jì);聯(lián)翼布局

0前言

太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)(簡(jiǎn)稱太陽(yáng)能飛機(jī))采用太陽(yáng)能—電能作為推進(jìn)能源,具有很多優(yōu)點(diǎn),包括:高效節(jié)能、環(huán)境友好,可以實(shí)現(xiàn)零排放;噪聲和振動(dòng)水平極低;理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)限航時(shí)飛行。太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)的氣動(dòng)力設(shè)計(jì)要求比常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)苛刻,要達(dá)到極低能耗和極高效率,CD很低,而CL3/2/CD很高。同時(shí),電動(dòng)飛機(jī)巡航速度較低,特征尺寸(弦長(zhǎng))小,飛行雷諾數(shù)低,因此氣動(dòng)力設(shè)計(jì)難度大。高空長(zhǎng)航時(shí)(HALE)飛機(jī)飛行環(huán)境復(fù)雜(密度、溫度、高空風(fēng)等),大翼展機(jī)翼的氣動(dòng)彈性問(wèn)題難解決,氣動(dòng)力設(shè)計(jì)難度更大。太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)技術(shù)難度極大。設(shè)計(jì)上要求重量極輕,而超大尺寸/大撓度機(jī)體、大展弦比/大面積機(jī)翼、電動(dòng)力系統(tǒng)部件(如太陽(yáng)電池)集成安裝等都不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)。總之,太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)難度極大。發(fā)展太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)能夠有力推動(dòng)航空技術(shù)發(fā)展,有鑒于此,同時(shí)看到太陽(yáng)能電動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)展?jié)摿?,因此開(kāi)展了小型太陽(yáng)能電動(dòng)無(wú)人機(jī)的初步方案設(shè)計(jì)研究工作。

1布局設(shè)計(jì)

結(jié)合考慮,我們?cè)诜桨冈O(shè)計(jì)中決定采用另一種布局形式——連翼布局。使用兩副機(jī)翼前后布置,前翼后掠,后翼前掠,兩翼翼尖處相連接。

2翼型選擇

這里選擇專為高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的高升力翼型FX63-137,翼型厚度13.7%。FX63-137的低阻區(qū)較大,且很平緩??捎蒙ο禂?shù)很高。

3機(jī)翼設(shè)計(jì)

(1)前翼:翼展8m。弦長(zhǎng)400mm,從翼根到翼尖等弦長(zhǎng)。后掠角14°。(2)后翼:與前翼參數(shù)相同,翼展8m。弦長(zhǎng)400mm,從翼根到翼尖等弦長(zhǎng)。后翼前掠角14°。(3)太陽(yáng)能電池單元布置選用太陽(yáng)能電池單元尺寸為125*125mm,在前后翼面上方兩排布置,按現(xiàn)有機(jī)翼面積可以布置240片。本方案前翼后掠、后翼前掠,會(huì)在一定程度上降低升力線斜率,因此有必要對(duì)氣動(dòng)特性作進(jìn)一步分析。方案分別對(duì)前掠翼、后掠翼進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算,并與等弦長(zhǎng)和展弦比的平直翼作對(duì)比.計(jì)算結(jié)果表明,平直翼的升力線斜率最大,為0.0936。后掠翼和前掠翼的升力線斜率稍小,分別為0.0909和0.0911,但差別很小。但在阻力方面,卻是前掠翼阻力較小,平直翼次之,后掠翼較大。從升阻比曲線也可以看到這個(gè)趨勢(shì)。由于后掠角和前掠角比較小,實(shí)際的影響并不大,幾種參數(shù)的三條曲線都比較接近。因此,從計(jì)算結(jié)果來(lái)看采用連翼布局的氣動(dòng)效率與單純的直機(jī)翼相比差別不大,在氣動(dòng)方面不會(huì)有明顯影響。另外,由于在前后翼翼尖處有端板連接,可以減小翼尖渦的影響,實(shí)際上可以起到增大升力和降低阻力的作用,也就是說(shuō),氣動(dòng)方面還有潛力。

4全機(jī)氣動(dòng)特性

全機(jī)構(gòu)型基本等于前后翼相加,但由于前后翼的干擾,因此全機(jī)的氣動(dòng)阻力有所升高,升力降低,全機(jī)升阻比下降。計(jì)算結(jié)果為:全機(jī)最小阻力系數(shù):CDmin=0.027;最大升力系數(shù):CLmax=1.6;最大升阻比:Kmax=27;最大功率因子:(CL1.5/CD)max=23;設(shè)計(jì)升力系數(shù):CLdesign=0.9。

5重量分析

結(jié)構(gòu)重量:根據(jù)前期的經(jīng)驗(yàn),翼展8米的類似結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)全機(jī)結(jié)構(gòu)重量為4~5kg,因此,本方案取結(jié)構(gòu)重量等于5kg。太陽(yáng)能電池重量:目前能買到的太陽(yáng)能電池單元重約10g(裸板,面積125×125mm),加上封裝和連線,約為18g。本機(jī)安裝240片電池單元,總重4.4kg。動(dòng)力系統(tǒng)重量:初步選用DUALSKY公司的XM5050EA-10無(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī),單個(gè)重281g,加上螺旋槳、連接件、電線和電調(diào),單個(gè)重量約為350g。本方案配置4臺(tái)電動(dòng)機(jī),總重1.4kg。二次電池:本方案的二次電池僅作應(yīng)急用,重量2kg,可以提供500Wh的能量。其他:包括飛行控制、機(jī)載設(shè)備、航電系統(tǒng)等,總重600g。綜上,總重為13.4kg。重心位置:全機(jī)重量基本均勻分布,前后翼的中心位于幾何中心位置。通過(guò)機(jī)內(nèi)設(shè)備調(diào)節(jié)使重心位于距離前翼跟弦前緣1.0m的位置(全機(jī)焦點(diǎn)位于1.04m處),具備并不過(guò)分的靜穩(wěn)定性.

6方案總結(jié)

總體參數(shù)前翼:翼展8m;跟弦弦長(zhǎng)400mm;跟梢比1;后掠角14°;上反角2°;面積3.2m2。后翼:翼展8m;跟弦弦長(zhǎng)400mm;跟梢比1;前掠角14°;上反角0°面積3.2m2。全機(jī)長(zhǎng)度2.4m全機(jī)高度0.5m重量13.4kg重心位置距離前翼跟弦前緣1.0m全機(jī)焦點(diǎn)距離前翼跟弦前緣1.04m巡航速度10m/s飛行高度3000m

作者:李文麗 單位:中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

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