专利名称：井字型反扭矩舵结构布局方法
技术领域：
本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构布局方法。
背景技术：
小型单桨涵道式无人机由发动机提供的推力实现垂直起飞、悬停等飞行动作，同时，旋翼旋转还产生了绕垂直飞行器中心轴的扭矩，该扭矩会严重影响无人机的稳定性和可靠性。单螺旋桨固定翼飞机采用偏移重心或调整发动机推力线的方法克服螺旋桨自旋 影响，单旋翼直升机采用尾桨平衡主螺旋桨产生的扭矩。小型单桨涵道式无人机由于自身结构特点，通常采用一组反扭矩舵实现扭矩的平衡，其原理是，反扭矩舵位于涵道内部螺旋桨产生的滑流流场内，反扭矩舵片同向偏转，在螺旋桨滑流的作用下，舵片上产生相应的升力和阻力。其中，作用在舵片上的升力对涵道式无人机产生扭矩，该扭矩与螺旋桨产生的扭矩大小相等，方向相反，从而实现无人机扭矩的平衡，使无人机无自转；反扭矩舵通常布置在涵道内部旋翼下方。但受到涵道内部空间的限制，单片反扭矩舵尺寸较为有限。因此，在涵道式无人机设计中常采用多片反扭矩舵分布的方式来满足抵消旋翼扭矩的要求，而涵道内组合舵片的气动特性与单片反扭矩舵的气动特性是不同的。目前，小型涵道式无人机反扭矩舵的布局方式尚未形成统一的方案和整体设计思路，国内外各研究团队对反扭矩舵均匀分布布局大多没有进行过较详细的分析论证，对组合舵片平行排列片数，舵片交错角以及平行舵片间距等参数对其整体气动特性的影响尚未有明确的分析结果。由此使得目前各类涵道式无人机反扭矩舵的布局大多无法充分利用其气动特性，无法充分提高无人机整体气动特性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是本发明提供了一种井字形反扭矩舵的布局方法，可应用于小型函道式无人机，满足了抵消旋翼扭矩的要求，充分提高无人机整体气动特性和稳定性；本发明的技术方案是一种井字型反扭矩舵结构布局方法，它包括以下步骤第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的扭矩T ^ ;第二步，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计；在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的参数有反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s ；经过数据仿真确定s = 0且I彡g/b彡2 ;设计时首先确定b的取值，再根据涵道内部空间大小按照I ( g/b ( 2的限制确定g的值； 第三步，反扭矩舵与桨盘间距设计反转舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入口的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离Z的气动特性，根据仿真过程获知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；设计时，在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘；第四步组合舵组合方式设计首先，“井”字布局反扭矩舵分为4组分布布置，其舵效应满足4X T = Q其中，T为一组反扭矩舵组的扭矩，Q为发动机扭矩；根据单个舵片扭矩T ^确定组合舵平行排布所需舵片的数目n，n取整数
nX T 0 = T第五步井字型反扭矩舵的结构布局综合上述第一步至第四步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，实现井字形反扭矩舵的结构布局。本发明提供的方法首次对小型涵道式无人机反扭矩舵组合对称式布局的排布方式提供了一种较为合理的设计流程和设计方案。通过数值仿真和总体结构设计的方法为组合舵片布局片数和相邻平行舵片的间距、交错角等参数设计提供了一种方便可行的方案，经过本课题组设计的小型涵道式无人机实际试飞试验证明，该方法设计的反扭矩舵布局能够合理利用其气动特性，充分提高组合舵整体气动效率，满足无人机反扭矩需求。
图I影响平行并排舵片气动特性的结构参数图2 “井”字平行分布不同s/b舵片组合升力系数对比图3反扭矩舵与桨盘相对位置示意4井字形反扭矩舵示意5反扭矩舵片示意图
具体实施例方式一种井字型反扭矩舵结构布局方法，它基于如图4所示的井字型反扭矩舵，所述井字形反扭矩舵，包括将涵道圆周分为4组的反扭矩舵组，相邻反扭矩舵组之间的夹角为90°，每个反扭矩舵组包括多片相互平行的反扭矩舵，其中，反扭矩舵的弦长为b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离为g，相邻舵片交错距离为s ;固定反扭矩舵的高强度碳管在舵片靠近前缘1/4弦长处穿过，碳管两端均由轴承连接；一侧固定于涵道壁的梁上，另一端固定于无人机机身中轴上；每个反扭矩舵组共用一个舵机；4台信号同步的舵机通过连杆机构带动，实现对无人机周转的控制；井字型反扭矩舵结构布局方法包括以下步骤第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的升力系数G和扭矩
1O ；第二步，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计；在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的参数有以下几个，反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s ；参照以下设计原则，进行数据仿真(I)舵片间距g/b ≥I时，舵片组合升力系数受交错距离s/b变化较小，即组合反扭矩舵间距数据应取g/b ≥ I ;(2)舵片交错距离应取s/b ≤ 0. 33 ;当舵片交错距离s/b > 0. 33时，舵片组合升力系数随s/b变化幅度较大，约为49^28% ;因此，应避免该影响；(3)附图2为当s = b、s = 0和s = -b时,上下舵片升力系数比值；可见当s =0时，上下舵片升力系数比值接近于1，效果最佳；当s = 0时，平行舵片升力系数为
权利要求
1.一种井字型反扭矩舵结构布局方法，其特征是，它包括以下步骤 第一歩，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的扭矩Ttl ; 第二歩，利用CFD软件仿真反扭矩舵布局设计； 在涵道式无人机反扭矩舵中，影响反扭矩舵组中相邻两平行并排舵片气动特性的參数有反扭矩舵的弦长b，每个反扭矩舵组中相邻的反扭矩舵之间的距离g，相邻舵片交错距离s ； 经过数据仿真确定s = O且I < g/b < 2 ;设计时首先确定b的取值，再根据涵道内部空间大小按照I≤g/b≤2的限制确定g的值； 第三歩，反扭矩舵与桨盘间距设计 反转舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入ロ的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离z的气动特性，根据仿真过程获知z值越大，滑流速度越大即涵道升カ越大，但同时反扭矩舵工作效率降低； 设计时，在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘； 第四步组合舵组合方式设计 首先，“井”字布局反扭矩舵分为4组分布布置，其舵效应满足 4X τ = Q 其中，T为ー组反扭矩舵组的扭矩，Q为发动机扭矩；根据单个舵片扭矩Ttl确定组合舵平行排布所需舵片的数目η，η取整数ηΧ τ 0 = τ 第五步井字型反扭矩舵的结构布局 综合上述第一歩至第四步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，实现井字形反扭矩舵的结构布局。
全文摘要
本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构布局方法。本发明提供了一种反扭矩舵的布局方法，可应用于小型函道式无人机；它基于一种井字型反扭矩舵，通过确定反扭矩舵的翼型、仿真反扭矩舵气动布局、反扭矩舵与桨盘间距设计、组合舵组合方式设计和对反扭矩舵的结构设计，得到井字型反扭矩舵的结构布局方法；经理论和实验论证，利用该方法可以较方便的设计出结构合理并满足实际应用的反扭矩舵。
文档编号B64F5/00GK102673801SQ20121016323
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者刘志军, 吴炎烜, 张威, 徐旻, 李陈 申请人:北京理工大学