轻型农用固定翼无人机设计分析

宗 剑,江 稳,李雨林

(1.江苏航空职业技术学院 航空工程学院,江苏 镇江 212134;2.华中科技大学 航空航天学院,湖北 武汉 430074;3.山东交通学院 航空学院,山东 济南 250357)

0 引言

根据航空行业规定[1],把最大起飞重量小于5.75 t的固定翼飞机称为轻型固定翼飞机,轻型农用固定翼无人机属于其中一种,它是发展现代化航空农业的重要组成部分[2]。相比传统有人驾驶的轻型农用飞机,轻型农用固定翼无人机具有设计制造要求低、飞行作业效率高、使用维护成本低廉、对起降场地要求较低等优势,因此广泛应用于农业播种、施肥、田地信息监测和植保等方面[3]。虽然目前其部分用途已被成本更加低廉且易操纵的多旋翼类无人植保机替代[4],但在现代化大面积承包农业高效作业方面暂时无法被取代,所以轻型农用固定翼无人机具有广阔的发展空间。本文主要介绍轻型农用固定翼无人机的主要发展方向、设计要求、布局形式,对其设计的主要参数进行假设,采用渐近法对设计重量进行计算,并对计算结果进行设计性能分析,所得结论可为后续从事轻型农用固定翼无人机设计人员提供参考。

1 发展方向

早期为提高大规模承包农业的作业效率和年产量,美国和西欧等一些国家和地区在设计专业性轻型农用固定翼飞机方面走在世界前列[2]。但至今为止它们所设计制造的各型号农用固定翼飞机基本以有人驾驶为主,例如美国AT-802F和波兰PZL-M18。我国在设计专业性轻型农用固定翼飞机方面起步较晚,二十世纪九十年代之前一直使用苏联有人驾驶的安-2双翼飞机改装的运-5乙为农用飞机,后期部分使用的是由航空工业320厂研制的我国第一种专业性轻型农用固定单翼飞机农-5飞机，有A和B两种机型,农-5A、B型飞机的出现填补了我国无专业性轻型农用固定单翼飞机设计的空白。为了能和近些年出现的多旋翼类无人植保机抢夺农业市场利润，降低传统农用固定翼飞机的使用成本,这几年,国内部分单位率先开始将运-5乙飞机改装为运-5无人机。

虽然如此,但其改装的效能还远远不能充分发挥出来。研究资料显示,单独设计的专业性轻型农用固定翼无人机比改装后的经济效益高50%～80%,因此设计专业性轻型农用固定翼无人机是现代航空农机发展的重点方向之一[5-8]。轻型农用固定翼无人机技术发展方向主要有[9-12]：(1)低速、高升阻比翼型的设计；(2)低阻力系数气动外形的设计；(3)最简单、可靠、便于维护、高性价比和寿命的结构设计；(4)设计可考虑采用新型动力,比如纯电动或油电混合动力；(5)地面先进导航控制技术。

2 设计要求

轻型农用固定翼无人机主要设计要求包括：气动要求、结构要求、动力要求和机载设备,具体如下[13]。

(1)保证非收放起落架可利用土质跑道进行起降,土质地面比强度不小于30 N/cm2。

(2)采用非收放后三点式起落架气动布局、结构设计时,应该保证飞机在应急着陆时不出现“拿大顶”现象。

(3)燃油箱或动力电池和化学制剂箱应最大限度地安置在空机的重心附近,并且对进入舱内的空气要彻底过滤。

(4)对飞机的零部件和农用设备采取防锈设计措施。

(5)对发动机要有可靠的防护,以防止在滑行或起降时吸入砂石和尘埃以及装载时的化学制剂。

(6)采用非电动动力应该可靠地保证整个飞行日发动机有起动自备电源。

(7)采用纯电动力设计时,动力电池要求可靠,动力电池舱与易燃农业化学剂舱隔离设计,无人控制无线电控制导航设备应可靠。

(8)机载设备要求小体积、高可靠和安全。例如,远距化学制剂测量仪、流量指示器、水平飞行和转弯的极限速度信号装置、起飞着陆次数记录器、发动机地面与空中飞行小时记录器、低空飞行自记计，完成播种、撒颗粒状和粉末状化学制剂、撒有毒诱杀物、喷洒液体溶液(或乳状液、悬浮液)及液体搅拌等农用设备。

3 布局形式

轻型农用固定翼无人机的布局形式与使用要求相关,参照传统有人驾驶的轻型农用飞机设计参数,轻型农用固定翼无人机的作业飞行速度vp的取值范围为120～230 km/h,通常取120～180 km/h;作业飞行高度HP的取值范围为5～50 m(国外允许HP≥1 m),起飞滑跑距离LP取120～170 m[14]。为了提高设计的可靠性、飞行稳定性、降低研制成本,轻型农用固定翼无人机的设计以无后掠角机翼倒T形垂尾为主[15]。

轻型农用固定翼无人机常规布局机翼的设计可有多种形式,机翼可选用无后掠角矩形单翼或双翼设计,其中单翼比双翼拥有更低的气动外形阻力系数,但双翼低空、低速性能较好,如美国罗克韦尔国际公司研制的S2R-H80为单翼设计,而苏联农用主力飞机安-2则为双翼设计。单翼机又分为上单翼和下单翼,其中下单翼的设计具有改善航空化学作业质量,容易安装起落架，可有效减轻机翼与机身结构重量,容易安装全翼展喷洒管，便于使用维护保养的优点[16]。

机翼翼型可考虑选用升阻比较大的GA(W)-1、NACA44、NACA230、NACA63、NACA65系列[17]。其中GA(W)-1与其他系列相比较,机翼最大厚度位于距前缘40%弦长处,带增升装置时可使Cya最大值约增大30%,获得最大值襟翼最佳偏转角为40°[18]。

动力系统一般采用单发动机+拉进式定桨距螺旋桨,安装在机身最前面发动机舱室。目前可选用发动机种类有：多缸活塞发动机、涡桨发动机、纯电动机或油电混合动力。其中受动力电池储能密度较低的影响,相比纯电动和油电混合动力,装备多缸活塞发动机和涡桨发动机的无人机续航能力较强。涡桨发动机比活塞发动机功重比高、体积小,但价格稍高,因此在要求较高的轻型农用固定翼无人机的设计上可选用。纯电动适合轻型小型农用固定翼无人机的设计的动力选择,而油电混合动力适用于轻型中小型农用固定翼无人机设计的动力选择[9-10]。拉进式定桨距螺旋桨应选择最大效率系数直径和系列。选择螺旋桨直径时,必须考虑无人机结构上的设计限制,即桨叶端部到地面距离不小于250 mm,从螺旋桨端部到螺旋桨旋转平面内的飞机任何部分的距离不得小于200 mm。

起落架布局设计采用非收放构架后三点式,主起落架安装在机翼下面,主起落架轮胎一般选用低压轮胎。

4 主要设计参数假设和性能计算分析

轻型农用固定翼无人机的设计同它的用途最佳化的任务一样具有综合性和系统性,设计时考虑的主要内容如下。

4.1 使用情况的主要参数和飞行作业方法

使用情况的主要参数包括作业土地面积、单程作业长度、跑道种类和长度、作业工种和规模以及10～15年工作变化动向。

飞行作业方法有梭式和地段式两种,如图1(a)和图1(b)所示,图中虚线为轻型农用固定翼无人机作业飞行轨迹。

(a)梭式飞行作业法

(b)地段式飞行作业法图1 农业飞机飞行作业示意图

轻型农用固定翼无人机的最佳作业飞行速度与发动机型号几乎无关,但却与单程长度和作业方法有关。在一定单程长度作业范围内,地段式飞行作业速度要比梭式飞行作业速度高。

4.2 主要设计参数假设和性能计算分析

轻型农用固定翼无人机型式与机翼增升装置的种类、发动机型别、化学制剂的计算重量、飞行各阶段的时间分配情况、安全飞行、结构强度与寿命要求都有关。

设计的轻型农用固定翼无人机采用无后掠角下单翼布局,起落装置采用高强度金属主支柱安装机翼下面非收放式无内胎机轮无整流罩起落架,动力系统为一台涡轮螺旋桨发动机,机翼承力构件采用复合材料,其增升装置采用滑动式襟翼和前缘襟翼、襟副翼；假设化学制剂重量(有效载荷)mx=800 kg,最小允许垂直速度vy=4 m/s；年飞行时间为825 h；航空化学作业的主要形式为喷洒。无人机及其部件的各种不变参数如表1所示。

表1 轻型农用固定翼无人机及其部件参数

假设轻型农用固定翼无人机一次加油作业时间分配如下:起飞,0.045 h,占比3%;作业，转场飞行0.75 h,占比50%;转变0.675 h,占比45%;着陆0.03 h,占比2%;总计1.5 h,其中不包含装填化学制剂时间。

采用渐近法求出起飞质量：

(1)

(2)

查阅轻型飞机设计手册,式中:

(3)

式中,pH为最大飞行高度上密封舱内余压,无人机为0。

(4)

(5)

式中,hzj为主起落架由跑道表面到支柱转动接头或固定接头的长度,pzty为主机轮轮胎胎压。

(6)

式中,kc=0.22～0.25。

由起飞滑跑条件求得

(7)

式中,P0为发动机起飞推力,g=9.81,ρ0=0.125,土质跑道fk=0.1。

不计喷洒杆的气动阻力,由作业速度的保证条件求得

(8)

式中,螺旋桨的效率系数ηB=0.72。

由给定的vy=4 m/s的计算求得

(9)

相对燃油质量按照飞行的各阶段求出。对每阶段的求法为

(10)

式中,kjl为发动机节流系数：起飞时,kjl=1.0；着陆时,kjl=0.25；装填时,kjl=0.20；转场、喷洒和转弯时,kjl=Ni/N0(Ni需用功率)。ceo=0.34 kg/(kW·h)。ti取值4.2中农用固定翼无人机一次加油作业时间分配。

用计算机求解公式(1)～(10)的结果示于图2～5。

图2 作业飞行速度对无人机起飞质量的影响关系图

图3 无人机翼载与化学制剂的相对质量关系图

图4 涡桨无人机翼载和展弦比关系图

图5 无人机滑跑距离与起飞质量关系图

从图2可以得出,当翼载取80 kg/m2、展弦比取6时,设计轻型农用固定翼无人机的飞行速度接近140 km/h时可获得最优的作业飞行速度。但是按照最优作业飞行速度所获得的m0的最优值并不理想,进一步提高m0的设计值,会提高作业飞行速度。

在一定范围内提高设计作业飞行速度,可有效减少飞行作业时间、降低油耗和使用费用。但设计作业飞行速度提高超过某个值,会增加作业过渡转弯半径,导致其他良性指标会下降。

从图3可以得出,起飞滑跑距离取150 m、作业飞行速度取140 km/h时,在一定设计翼载范围内,无人机的有效负荷化学制剂的相对质量随着设计翼载的增大而增大；当设计翼载超过一定值,其有效负荷化学制剂的相对质量随着设计翼载增大而减小；农用无人机设计翼载较佳取值范围为70～90 kg/m2,设计翼载最佳取值接近80 kg/m2。

轻型农用无人机设计的机翼展弦比取值越小对增加无人机的有效负荷化学制剂的相对质量越有利。 从图4可以得出,当起飞滑跑距离取150 m、作业飞行速度取140 km/h、化学制剂负荷质量取800 kg时,随着设计翼载的增大,其展弦比也在增大。小展弦比不仅可有效减小研制机翼和飞机的起飞质量,而且在作业飞行时会增加机翼后方产生的下洗流强度,有利于提高作业质量。但小展弦比会减小单程喷幅的宽度,增加作业频率,所以设计机翼展弦比取6～8是比较理想的。

从图5可以得出,当设计翼载取80 kg/m2、展弦比取6、化学制剂负荷质量取800 kg时,无人机起飞滑跑距离小于150 m时,会大大增加飞机的起飞质量。但起飞滑跑距离大于170 m时,虽可有效减少起飞质量,但会增加跑道长度,提高对跑道的要求,降低设计的轻型农用固定翼无人机使用范围。因此,设计的轻型农用固定翼无人机起飞滑跑距离的合理值在150～170 m。

5 结论

本文主要通过介绍轻型农用固定翼无人机的主要发展方向、设计要求、布局形式,对设计主要参数进行假设,并对设计计算结果进行分析,得出在一定范围内提高设计作业飞行速度,可有效减少飞行作业时间、降低油耗和使用费用，但设计作业飞行速度提高超过某个值,会增加作业过渡转弯半径,导致其他良性指标会下降,轻型农用无人机设计的机翼展弦比取值越小对增加无人机的有效负荷化学制剂的相对质量越有利,但小展弦比会减小单程喷幅的宽度,增加作业频率,设计机翼展弦比取6～8和起飞滑跑距离的合理值在150～170 m是比较理想的。