飞机总体设计---设计过程及算例.doc
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除无人机总体设计算例任务要求:飞行高度:30-200m,飞行速度:40-90km/h,巡航速度:18m/s,最大飞行速度28m/s,爬升率4m/s,续航时间:1h ,最大过载1.7,任务载荷重量:0.5kg,背包式运输,发射方式:手抛式,回收方式:机腹着陆设计过程:1.布局形式及布局初步设计无尾布局【方法:参考已有同类无人机】确定布局形式:主要是机翼、垂尾、动力、起落架等。(1)机翼根据经验或同类飞机确定:展弦比 5.5-6,尖削比 0.4-0.5,后掠角 28,下反角 1.5,安装角2展弦比 【展弦比增大,升致阻力减小,升阻比增大】【展弦比增大,
2、弦长减小,雷诺数降低,气动效率降低】【展弦比增大,弦长减小,翼型厚度减小,机翼结构重量上升】尖削比【尖削比影响升力展向分布,当展向升力分布接近椭圆时,升致阻力最小,低速机翼一般取0.4-0.5】后掠角【后掠角增加,横向稳定性增大,配下反角】【后掠角增加,尾翼舵效增加】【后掠角增加,纵向阻尼增强,纵向动稳定性增强】下反角 【上反角增加,横向稳定性增加,下反角相反】安装角 【巡航阻力最小对应机翼的迎角,通用航空飞机和自制飞机的安装角大约为2 ,运输机大约为1 ,军用飞机大约为0,在以后的设计阶段,可通过气动计算来检查设计状态所需要的机翼实际的安装角。】机翼外型草图(2)垂尾垂尾形式:翼尖垂尾尾空系
3、数:Cvt=0.04/2=0.02 【双重尾】(3)动力系统形式电动无人机推进系统安装位置主要有:机头拉进式、机尾推进式、单发机翼前缘拉进式、双发形式、单发机翼后缘推进式。下面研究各种布置形式对布局设计的影响。动力形式优点缺点实例机头拉进式螺旋桨前方进气稳定未被干扰;容易实现重心位置设计;手抛发射不会对发射员造成危害;排气被机身和机翼阻止,影响动力系统的效率;回收降落时,电动机和螺旋桨容易触地损坏机尾推进式机头可以安装任务设备;螺旋桨也不容易在着陆时触地损坏;对螺旋桨的干扰较小;重心配置在设计重心点非常困难;单发翼前缘拉进式电动机不在占用机头位置;以便在机头安装任务设备;机身的阻力会产生一个较
4、大的低头力矩;过高的机身也增大的结构重量,浸润面积也比较大双发翼前缘拉进式机头安装摄像设备布置需要两台电动机,增加了系统的复杂性单发机翼后缘推进式机头安装摄像设备螺旋桨的滑流直接吹在尾翼上,造成无人机的稳定性变化本方案为:机尾推进式2.无人机升阻特性(极曲线)估算前面确定了机翼的基本参数,要确定无人机的具体机翼参数,还需要知道“起飞重量”、“翼载荷”,然后进行布局缩放。确定起飞重量,关键是电池重量,电池重量由飞机需要的能量决定,能量由飞机升阻特性决定。升阻特性由飞机布局形式决定,可参考同类飞机,进行初步估算。 飞机的极曲线:(1) 零升阻力系数 ,一般可取为2.X(一张纸打比方)【参考面积统一
5、为机翼面积】对于机身:对于机翼、尾翼,一般以翼型最大相对厚度为基础计算。也可以直接根据各类飞机的统计值,选取参考值。这里假设:机翼:,则; 机身:取,则; 垂尾:,则;(2)升致阻力因子 对于后掠翼飞机:至此,可以估算得到飞机的极曲线(3)飞机极曲线升阻比最大时,最大升阻比:3.功重比与翼载荷的确定如果飞机重量知道,获得了升阻特性,根据速度可以得到功率需求,根据航时要求可以得到能量要求,即:起飞重量决定功率能量但是起飞重量主要包括机体结构、任务设备、动力装置、电池。而电池重量又决定它包含的能量的多少。即:功率能量决定起飞重量确定其中一个需要依靠对方,从而提出功重比的概念。起飞重量决定机翼大小,
6、机翼大小又决定起飞重量,从而提出翼载荷的概念。根据功率需求,可推出飞机功重比与翼载荷的约束分析方程:一般情况下,可先根据经验值确定翼载,然后在无人机巡航、爬升、盘旋、最大飞行速度等多个工况下,由翼载计算功重比。表4-1 无尾布局小型电动无人机参数统计名称翼展(m)机长(m)机翼面积(m2)重量(kg)翼载荷(kg/m2)Dragon Eye1.140.90.352.77.7Duigan 3-0.96.57.2P150351.51.060.5252.9-4.65.52-8.76UAVZALA421-080.80.410.251.76.8从统计值可知,翼载可取7kg/m2代入上式,可得到巡航状态:
7、V=18m/s:功重比为:11.19W/kg爬升状态:手抛速度V=10m/s:V=0.5(人手抛速度+巡航速度)=12m/s,Vy=4m/s:功重比为:48.4 W/kg巡航盘旋状态:V=18m/s,n=1.73; 功重比为:20.1 W/kg最大平飞速度状态:V=28m/s; 功重比为:33.9W/kg工况功重比巡航状态11.19W/kg爬升状态48.4 W/kg巡航盘旋状态20.1 W/kg最大平飞速度状态33.9W/kg由上得出最大功重比为:48.4 W/kg,巡航功重比为:11.19W/kg实际上,各种工况下,翼载与功重比之间关系图可以画出来,然后根据一些限制条件(起飞距离。),找范围
8、,确定相应满足条件的翼载和功重比若干组。4.起飞重量确定其中,是结构重量,是动力装置重量,是电池重量,是航空电子与任务设备。其中,在重量设计中是不变的,是任务要求中给定的。(1)飞机结构重量其中,为结构重量系数。一般起飞重量在几公斤范围内的小型无人机结构重量系数在0.25-0.35范围内,作为初步分析,可取为0.3。常规飞机种类结构重量系数飞机种类亚音速干线客机轻型0.30-0.32中型0.28-0.30重型0.25-0.27。(2)动力装置重量动力装置包括电机、减速器、螺旋桨等。电动飞机起飞重量不随飞行发生变化。推导过程:其中,为电机的最大输出功率,为飞机最大功重比,为动力装置的比功率(功率
9、/动力装置重量)。这一参数可以取统计值。【分析:最大功重比为48.4w/kg,小型手抛电动无人机重量不大于5kg,因此,最大需求的功率:250W】注:通常手抛电动无人机300w的电机重量约为100g,电调约为50g,电机与螺旋桨连接器为30g。从而有,动力装置的重量约为(3)电池重量电池重量=能量/能量密度其中,为飞行中电池提供的能量,为电池实际比能量(能量密度)。其中,为飞行中电池提供的平均功率,为飞行时间。由于飞机在爬升段需要较高功率,在飞行高度不高(相对地面最大平飞功率/最大效率。(如果多桨,则可以根据功率情况进行选择,以”可用功率需用功率且两者接近”为准则,排除一部分)【分析:由前可知
10、,最大需用功率为:43.4W,可在最大飞行速度下,螺旋桨功率满足大于且接近的要求。最小功率需求是在12m/s下为13W,在12m/s下,螺桨最小转速功率为29W,较为接近。】第五步:一旦选定螺旋桨,则根据巡航速度V下的效率最大化确定巡航最佳转速。(这就为电机选择提出了要求)a. 巡航状态昌敏做法:巡航速度:18m/s,推力:0.9605ND=0.8J10/nD12/nD14/nD16/nD18/nD20/nD22/nD24/nD26/nD28/nD0.29530.35430.41340.47240.53150.59060.64960.70870.76770.82680.510.590.690.
11、710.750.750.740.720.720.69n(V=18m/s)299.9752250.0217214.2784187.5163166.6654149.9876136.3650124.9932115.3871107.1392100001.79991.50011.28571.12511.00000.89990.81820.75000.69230.6428T23.209615.627211.41137.65945.64463.71642.48941.62171.04830.5873 巡航转速约6500转,效率约0.72从功率角度也可以,避免了以下的迭代再由算出功率,计算出扭矩。为电机选择作
12、输入,选取效率最高的电机。电机最大工作电压16.9V下,计算不同速度下的可用推力或功率,进而确定最大最小飞行速度,即速度范围。需要迭代计算,迭代出合适的转速。效率就不考虑了。巡航速度:18m/s满足效率最高,螺旋桨功率: 功率校核:(实际上不用校推力,只要功率即可) 22.34W 0.995N以n=9600r/min为巡航转速,效率最高,但螺旋桨功率过高,不匹配,不合适。【降低转速,损失一点效率,换取功率】取n=7500r/min,J=0.7087,效率为=0.72,螺旋桨功率: 功率校核: 23.88W 取n=6000r/min,J=0.8858,效率为=0.66螺旋桨功率:功率校核: 23
13、.88W 反复迭代,约6900转为最佳转速,可以满足效率与功率兼得。巡航最佳转速:n=6800r/min,J=0.7816,=0.70螺旋桨功率:功率校核:巡航扭矩:【分析:如果想进一步提高效率,则需换桨,因此要准备尽可能多的螺桨作为备选桨。如果选择了效率最高的桨,仍想再提高效率,则需要改进飞机升阻特性。也就是说,一方面改桨,一方面改飞机升升阻特性】【总结:为什么不能用需用功率、推力反推转速,因为这是一个隐式关系,无法事前确定Ct,Cp】b.最大飞行速度状态 飞机需用功率:43.4W,飞行速度:28m/s由前面的功率-转速-速度表可得出,取转速n=162.5r/s,(9750r/min),前进
14、比为J=0.8480,效率=0.65,螺旋桨功率:功率校核:61.1W取n=167r/s(10000 r/min),前进比为J=0.8274,效率=0.68螺旋桨功率:功率校核:144.3W功率不接近。取转速n=187.5r/s(11250 r/min),J=0.3307,=0.54螺旋桨功率:功率校核:144.3W取转速n=175r/s(10500 r/min),J=0.3543,=0.59螺旋桨功率:功率校核:124.7W取转速n=162.5r/s(9750 r/min),J=0.3816,=0.64螺旋桨功率:功率校核:115.0W取转速n=150r/s(9000 r/min),J=0.
15、4134,=0.69螺旋桨功率:功率校核:106.7W反复迭代,爬升最佳转速约为:9000r/min爬升扭矩为:状态螺桨效率螺桨功率最佳转速扭矩爬升0.69106.790000.1132巡航0.7024.668000.0340最大速0.7062.0102000.0585(3)电机的选择电机的主要性能参数有:,内阻,空载电流电机的效率:选择电机的要求:巡航效率高,电机的输出扭矩:电动机的电压:电机扭矩常数与KV值的关系:根据上面公式:备选电动机的性能参数型号Kv空载电流I0(A)内阻Rm()重量(g)Hacker A20 34S15000.90.14742.5Hacker A20 22L9240
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- 飞机 总体 设计 过程
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