第一章无人直升机设计概论

第一章无人直升机设计概述内容•无人直升机的优势•无人直升机的分类•已有无人直升机一览•无人直升机构型•国内的无人直升机无人直升机优势无人直升机的定义无人直升机是一种由动力驱动，机上无人驾驶的航空器。它由机体、动力装置、飞行控制与管理设备等组成，能遥控能自主飞行。无人机系统由无人飞行器、任务设备、测控与信息传输、指挥控制、发射与回收、保障与维修等分系统等组成，能完成特定任务的系统导弹与无人机的区别：1、无人机、直升机可以回收；2、无人机携带的弹药无需特殊制造，不与机身形成一体。无人直升机优势无人直升机的组成无人直升机分系统：机体、动力、飞控与设备管理任务设备分系统：侦查、校射、电子对抗、中继等设备测控与信息传输分系统：遥控遥测、信息传输、中继设备指挥与控制分系统：操纵与管理、综合显示、地图与飞行航迹显示、任务规划、记录与回放设备、情报处理等发射与回收分系统：运载平台、发射平台保障与维修分系统：基层、基地保障维修设备无人直升机优势无人直升机的功能无人直升机分系统：执行任务的载体、携带任务载荷飞行之目标区完成任务。任务设备分系统：完成侦查、校射、电子对抗、通信中继等任务测控与信息传输分系统：通过上行信道实现对无人机与任务载荷的控制；通过下行信道完成对无人机、任务载荷的遥测，并获取情报信息。指挥与控制分系统：作战计划制定，任务数据加载，对无人机、任务载荷的状态监视与操纵控制，飞行参数情报数据的记录发射与回收分系统：完成无人直升机的起飞，回收任务保障与维修分系统：完成无人机的日常维护，状态测试和维修等任务。无人直升机优势机上无人＋垂直起降和悬停无空勤人员伤亡：不怕冒风险不受人员生理限制：时间、空间、温度、视界、过载低成本、低消耗：结构和布局不须保障乘员需求（无驾驶舱、低防护）操纵手培养费用远低于飞行员培养费、且伤亡少可广泛用于高风险、长航时、起降环境受限、要求定点和低速飞行的各种复杂任务按照功能分军用无人直升机侦查无人直升机电子对抗无人直升机通信中继无人直升机攻击无人直升机无人直升机靶机民用无人直升机巡查与监视无人直升机气象无人直升机其他类型无人直升机无人直升机分类按照大小分微型无人直升机小于1kg小型无人直升机1-100kg中型无人直升机100-1000kg大型无人直升机1000kg以上按照活动半径分超近程5-15km，近程15-50km，短程50-200km，中程200-800km，远程大于800km按照升限分超低空0-100m，低空100m-1km，中空1-7km，高空7-18km，超高空大于18km已有无人直升机一览无人直升机的四种型式：单旋翼+尾桨共轴双旋翼涵道螺桨转换式美国：“圆圈”（Cypher）美国：QH-50奥地利：CAMCOPTERS-100美国：“鹰眼”（Eagleeye）已有无人直升机一览（续）（一）单旋翼/尾桨式★国内曾经研制的单旋翼/尾桨无人直升机南航的“翔鸟”（WZ-1）无人直升机上海雏鹰公司的LE-110无人直升机•注：另有仿制的小型无人直升机已有无人直升机一览（续）（一）单旋翼/尾桨式（续）★国外研制成功的单旋翼/尾桨无人直升机美国：VIGILANTE496美国：VIGILANTE502瑞典：APIDMK5奥地利：CAMCOPTER5.1日本：RAMXTYPEII日本：RPH2A已有无人直升机一览（续）（一）单旋翼/尾桨式（续）★国外正在研制的部分单旋翼/尾桨无人直升机奥地利：CAMCOPTERS-100美国：A-160HUMMINGBIRD已有无人直升机一览（续）（一）单旋翼/尾桨式（续）★国外正在研制的部分单旋翼/尾桨无人直升机法国：ORKA1200美国：FIRESCOUT(RQ-8A)美国：DRAGONWARRIOR已有无人直升机一览（续）（二）共轴双旋翼式★国内外曾经使用过和正在研制的共轴双旋翼无人直升机美国：QH-50加拿大：Guardian英国：Sprite德国：Seamos俄罗斯：ka-137北航：“BZK010”无人直升机已有无人直升机一览（续）（三）涵道螺桨式★美国正在研究的涵道螺旋桨式无人飞行器美国：“圆圈”（Cypher）美国：“圆圈－Ⅱ”（Cypher－Ⅱ）已有无人直升机一览（续）（三）涵道螺桨式(续）★美国正在研究的涵道螺旋桨式无人飞行器美国：“I-星”（ISTAR）美国：OAV已有无人直升机一览（续）（四）转换式美国：X-50海蝙蝠直升翼已有无人直升机一览（续）（四）转换式（续）美国：鹰眼EAGLEEYE倾转旋翼机无人直升机构型分析四种型式的优劣比较常规型式：单旋翼/尾桨式、共轴双旋翼式★优点：技术成熟、研制风险小★缺点：未发挥无人的优势（个别型号除外）如：保留了座舱位置（对视界、尺寸的要求）、沿用了有人机的起落架型式和布置等，因而迎风面积大、重心范围受限等无人直升机构型分析（续）四种型式的优劣比较涵道螺桨式、转换式★优点：开始摆脱有人机构型的定式，针对任务需求设计构型，因而任务适应性强★缺点：涵道式气动效率不佳，转换式技术难度大无人直升机构型分析（续）构型与布局，应当：保留大旋翼：气动效率高，下洗速度低，操纵力矩大；无驾驶舱，布局自由度大：重心变化可控制在很小范围内，传力可直接（结构重量可小），任务设备可放在最合适处；简化起落架：保证起飞时自动配平，可简单（无轮、无缓冲器）无人直升机构型分析（续）任务功能应当：飞行包线范围大：适用性广、任务效率高；机动性高：躲避敌方打击；飞行控制功能强：保证自主起飞、着陆，飞行安全性好国内的无人直升机开拓2号蒲公英国内的无人直升机开拓2号无人直升机设计的定义、任务和要求任务：确定无人直升机的构型、布局、结构和其他各组成部分，以保证在一定的限度内使无人直升机最有效地满足给定的技术要求。重点解决三个问题：1、选择和确定总体技术方案。战术要求的论证，提出最佳技术方案，系统可靠性、维修性、保障性、安全性和生产性的综合与权衡，系统风险分析与控制，系统地费效分析，各分系统的兼容性设计、接口设计；2、对分系统提出技术要求，并进行协调；3详细的成本估算、周期估计，并提出关键技术试验。要求：1）要有明确的设计目标，在分析、综合的基础上确定新机的设计技术状态；2）要考虑主、客观条件，处理好各种关系；3）要有专门的设计机构，比较完善的试验、试制基地。定义：在现实的基础上最佳地拟定“技术文件”的过程。无人直升机设计的特点：1）无人直升机设计是一门应用科学。无人直升机设计是无人飞行器设计学科的重要组成部分。2）综合运用了一系列基础科学、应用科学和工程技术的最新成果。空气动力学、飞行动力学、结构强度、材料与制造、航空发动机、飞行控制与管理、制导与导航、无线电与通信、信号处理、光电成像、电子对抗、情报与侦查。1.2无人直升机设计的一般过程无人直升机研制的阶段可划分为：研制总要求论证阶段、方案论证阶段、工程设计阶段、试制与试验阶段、设计定型阶段、生产定型阶段按照设计任务和内容的不同及先后次序，无人直升机设计划分为三个阶段：1）概念设计（ConcepturalDesign）2）初步设计（PreliminaryDesign）3）详细设计（DetailDesign）概念设计（方案设计或总体设计）主要工作内容：1.气动布局方案论证2.全机总体布局方案论证3.全机总体结构方案论证4.各部件和系统的方案论证5.全机重量计算、重量分配和重心定位6.全机配套附件和设备等成件的选择和确定，新材料和新工艺的选择和确定，对要求新研制的成件要确定技术要求和协作关系概念设计阶段的任务是依据设计技术要求形成对所设计无人直升机的构思及基本概念，并拟定出能满足设计要求的初步技术方案。现代无人直升机设计都采用计算机辅助设计，因此，在这个阶段中通常可以选择几个方案进行对比分析，经过充分论证后初步确定无人直升机的构型和气动布置方案。初步设计（技术设计或打样设计）主要工作内容：1.气动方面–性能、操稳、外载荷2.结构设计–结构草图、强度计算、试验3.系统设计–系统布局图4.总体布局–改善外形和内部布置，绘制样机图、协调、审查详细设计（工程设计或零件设计）主要工作内容：继续进行性能、操稳、气动、动力学等方面的校核性试验，利用校核试验结果和由图纸得到的重量、重心和惯量数据进行全面的性能、操稳等方面的计算，同时根据正式的外载荷进行零、部件的强度校核计算，提前进行零构件、部件的强度试验或有关的振动试验。完成全机和零部件的重量、重心和惯量的计算，提交静、动力试验任务书和飞行试验任务书。完成原型机试制所需的全部图纸和技术文件，包括：零件图、装配图、理论图等和直升机各部件、各系统及全机进行生产、安装、装配工作所要的全部技术文件。1.3无人直升机总体设计工作的特点无人直升机总体设计是指从概念设计到初步设计阶段进行总体方案设计的全过程，其最终目标是给出最优的新机总体方案，是直升机研制中最为重要的一个阶段。主要特点：1.3.1综合与协调1.3.2反复迭代、逐次逼近1.3.3创新性与科学性随着现代科学技术的发展，作为高技术产品的直升机的设计思想、设计技术和设计方法也发生了革命性的变化。另一方面，新技术也推动了航空科学技术的进步和发展，直升机新概念、新理论、新结构、新的设计原则和设计方法的应用，使得直升机设计趋于复杂化和综合化，单纯的总体设计、气动设计、结构设计、工艺设计的直升机设计概念已不能满足现代直升机研制的要求。