王思奇　吕鸿雁　曾传杨　于航程　蒋中铨　顾思衍

【摘 要】本文将固定翼飞行器和旋翼机相结合，设计了一种垂直起降的固定翼飞行器，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。机翼为平直翼的设计，翼稍有可倾转旋翼结构，能够实现90°的旋转。巡航飞行时，两个旋翼可以旋转90°为平行于飞机纵轴状态，为巡航飞行提供动力，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。

【关键词】垂直起降；固定翼；飞行器设计

0 引言

直升机和四旋翼飞行器均可垂直起降，但直升机的飞行控制系统开发复杂、不易维护，而四旋翼飞行器能耗大、飞行速度低、飞行半径很小；固定翼飞机飞行能耗小、飞行半径大，但垂直起降与悬停实现复杂，且不适用于狭小地段的侦查。因此，设计一种既可以像直升机那样垂直起降和竖直悬停，又可像固定翼飞机那样利用机翼升力进行相对低能耗飞行时间较长的无人机具有重要的意义。

1 设计目标

本文设计的垂直起降固定翼飞行器，将固定翼飞行器和旋翼机相结合，可实现垂直起降、空中悬停和固定翼方式巡航。该飞行器的主要特点为：（1）飞行器兼具旋翼机和固定翼飞行器的优点。既能够实现垂直起降和垂直悬停，又可变形为可较长时间飞行的固定翼飞行器，可以根据需要在这二者之间进行转换。（2）巡航飞行时，两个旋翼可以旋转90°为平行于飞机纵轴状态，为巡航飞行提供动力，能耗相对较小，并具有较高飞行速度和较大的飞行半径。

2 飞行器的设计方案

2.1 飞行器的总体设计方案

要实现飞行器的设计目标，主要有三个设计的关键点：（1）如何设计旋翼的90°旋转机构；（2）如何保证各个电机更好地协调；（3）在四轴飞行器状态下，如何控制飞机在航向上转弯。针对上述的关键点，确定了飞行器的总体设计方案。

飞行器主要由机翼、机身、动力装置、尾翼和起落架五个部分组成，气动布局采用双垂尾和平直翼的设计，翼尖安装可倾转旋翼机构，具体结构如图1所示：

机翼为平直翼的设计，翼稍有可倾转旋翼结构，能够实现90°的旋转，即在0°时为飞行器提供垂直力，实现飞行器的垂直起降和悬停，旋转到90°时，旋翼为飞行器提供向前的动力。双垂直尾翼的设计是为了加强飞机的方向稳定性和操纵性，以便在旋翼提供垂直力的状态下实现飞行器的航向控制。

由于机身宽度较小，在机翼与机身的连接部分使用了结构牢固的Y型支架连接以提高稳定性。起落架的设计为硬度较大的铁丝，考虑到支撑可能不够平稳，在铁丝的外侧包围一层厚海绵，以增大起落架的面积，增强其稳定性。

2.2 可倾转旋翼机构设计

如图2所示，在地面时，飞行器的发动机是垂直向上的，启动发动机后，通过桨叶高速旋转产生升力，将飞行器带到安全高度，此时，旋转遥控器的旋钮，可以控制飞行器的舵机旋转，即连接螺旋桨与机翼的部分旋转，从而带动发动机旋转90°，直至转换至“固定翼模式”。通过遥控器的控制，舵机可将发动机牢牢固定在平行于地面的角度，保证它的飞行稳定性。

2.3 控制部分的设计

控制部分，选择6通道红外线遥控器，遥控器可控制舵机转动，从而控制发动机转动，还可控制飞机的滚转，控制系统示意图见图3。

由红外遥控器向接收机传输信号，紧接着，接收机向飞控传输电信号以达到飞行器的控制。飞控作为整架飞行器的核心，分别控制4个舵机和两个电调，4个舵机中，由两个舵机控制发动机的旋转，另外，两个舵机控制飞行器的滚转。

3 材料的选择与制作

考虑到飞行器的经济性和易操控性，选择了轻质KT板作为飞行器机身及翼面的主要材料。结构方面，起初的设想是使用质量轻硬度高的碳棒作为整体的骨架，可是由于碳棒柔韧度满足不了需求，难加工，且易碎，最后选择了轻质的桃木作为飞行器的整体骨架，桃木虽然重量相比碳棒会增加不少，但是加工起来较为容易，坚硬程度也满足需求。将飞行器的骨架更改为桃木之后，便需要更大的升力将飞行器抬升到合适的高度，选择了2700KV的无刷电机。倾转旋翼机构的材料主要为金属，重量为12g，扭矩为1.5/1.8kg.cm，在旋转到需要固定的角度时，舵机内的齿轮进行旋转，舵机内侧有一个小的凹槽，以达到舵机固定后的稳定性。

4 结束语

对制作完成的飞行器进行了试飞，并就试飞中发现的问题进行改进与完善，最终，该飞行器成功实现了垂直起降、空中悬停和固定翼状态下的巡航，达到了预期设计目标。

【参考文献】

[1]王淑芬.叉"R.无人机发展的情报研究[J].飞航导弹，1998（10）：31-42.

[2]刘丽丽.四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D].中南大学，2009.

[3]聂博文.微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D].国防科技大学，2006.

[4]周建军，陈趋，崔友金.无人直升机的发展及其军事应用[J].航空科学技术，2003（1）：38-40.

[责任编辑：王楠]