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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-I-
摘要
无人机是飞行器中的一种,目前已经被各个国家广泛应用。随着社会
的发展,无人机在军事、民用和科研三个方面都得到广泛应用。在军事上,
可用于目标模拟、电子对抗、侦查监视等,在民用上可用于防火防灾、环
境保护、灾害救援等,在刚刚过去的地震救援中,无人机就凭借其优点大
显身手。由于无人机发展的重要性,很多国家和地区都在大力开发无人机
技术。
本课题研究的对象是无人机系统中的动力设备和发射装置。目前,无
人机主要有螺旋桨、涵道风扇、涡轮发动机等 3 种不同的动力设备,涵道
风扇由于其耗油量低,推力大等优点越来越被重视,是本文的主要研究对
象。涵道风扇的发展起步较晚,技术难度大,本文在研究了一般航空叶片
机的工作原理以及结构后,对涵道风扇发动机进行了研究和设计。无人机
有不同的发射方式,如地面滑跑起飞,火箭助推,弹射起飞等,其中弹射
起飞也应用的最为广泛,为本设计采取的起飞方式。本文在参考了各种弹
射起飞无人机的起飞装置后,研究和设计本课题无人机的弹射支架。
针对涵道风扇,本文首先从一般航空叶片机的气动原理出发,对涵道
风扇的气动原理进行了深入的研究,对涵道风扇进行了气动设计计算、结
构设计和电控设计。并在涵道风扇加工组装后,对涵道风扇进行了试车实
验,得出涵道风扇的推力转速关系。
对于弹射支架,本文在研究了比较成熟的弹射装置后,对本课题中所
研究的无人机弹射支架进行了总体设计和详细的结构设计,主要包括弹射
小车,弹射基座,缓冲机构,释放及锁紧机构等,并在加工组装后,进行
弹射实验,保证无人机的顺利起飞。
最后,根据涵道风扇的试车实验,得出涵道风扇在不同转速下不同叶
片安装角度下的推力值,找出涵道风扇的最佳状态;并与螺旋桨做比较,
得出推力增大效率提高的结论。
关键词 无人机;动力设备;弹射装置;设计计算
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-III-
At the end of the project, we did the experimental test for the ducted fan;
get the trusts in different speeds and in different angle of the engine blades. In
that way, find the best stat of the ducted fan and get the result that it can be
more efficiency than the Propeller.
Keywords U.A.V., ducted fan, launch system, design calculation
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-IV-
目录
摘要 ...................................................................................................................I
Abstract............................................................................................................ II
第 1 章 绪论................................................................................................... 1
1.1 课题背景及来源 ................................................................................... 1
1.2 无人机的现状及发展趋势.................................................................... 2
1.2.1 当代各国无人机的发展情况和主要机型 .......................................2
1.2.2 无人机发展趋势.............................................................................. 4
1.3 本文研究的主要内容 ...........................................................................6
第 2 章 涵道风扇的气动原理 ........................................................................ 7
2.1 涵道风扇中气体流动的性质 ................................................................ 7
2.1.1 涵道风扇的结构特点 ...................................................................... 7
2.1.2 涵道风扇中气体流动的性质...........................................................7
2.2 涵道风扇中气体控制方程的研究 ........................................................ 8
2.3 基元级的研究 ....................................................................................... 9
2.3.1 涵道风扇基元级............................................................................ 10
2.3.2 涵道风扇基元级的加功扩压原理 ................................................. 10
2.3.3 涵道风扇基元级速度三角形的研究 ............................................. 12
2.4 本章小结............................................................................................. 14
第 3 章 涵道风扇的气动及结构设计 .......................................................... 15
3.1 涵道风扇气动设计 ............................................................................. 15
3.1.1 涵道风扇气动设计流程 ................................................................ 15
3.1.2 涵道风扇气动设计计算 ................................................................ 16
3.2 无人机整体布局 ................................................................................. 32
3.3 涵道风扇的结构设计 ......................................................................... 33
3.3.1 涵道风扇的整体布局 .................................................................... 33
3.3.2 涵道风扇各部分的结构 ................................................................ 34
3.4 涵道风扇试车实验 ............................................................................. 36
3.5 本章小结............................................................................................. 38
第 4 章 无人机弹射装置的分析与设计....................................................... 39
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-V-
4.1 无人机的起飞方式 ............................................................................. 39
4.2 无人机弹射装置的分析...................................................................... 40
4.2.1 无人机弹射装置力学模型的建立 ................................................. 40
4.2.2 无人机弹射装置工作过程分析..................................................... 43
4.3 无人机弹射装置整体布局.................................................................. 47
4.4 无人机弹射装置各部分结构设计 ...................................................... 47
4.5 本章小结............................................................................................. 49
第 5 章 涵道风扇油门控制设计 .................................................................. 50
5.1 无人机控制系统 ................................................................................. 50
5.2 涵道风扇的油门控制 ......................................................................... 50
5.2.1 舵机控制原理 ............................................................................... 51
5.2.2 涵道风扇控制原理........................................................................ 52
5.2.3 涵道风扇油门控制设计 ................................................................ 52
5.3 本章小结............................................................................................. 53
结论 ................................................................................................................ 54
参考文献 ........................................................................................................ 55
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明................................................... 58
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书................................................... 58
致谢 ................................................................................................................ 59
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-1-
第1章 绪论
1.1 课题背景及来源
无人机(Unmanned Aerial Vehicle,缩写为 UAV)又称“空中机器人”,是 一
种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。它大体上是由
无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以
及有效载荷三部分组成的。根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离或执行
任务的性质等特点我们可以把它划分成不同种类。从总体结构来看,无人机
有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼、旋翼/固定翼之分;根据活动半径和续航
时间,无人机可大体分为近程、短程、中程和远程四类;根据用途,我们又
可以把无人机分为军用和民用两大类
[3]
。
无人机是 1917 年由英国首先研制成功的。虽然它问世己久,但直到 20
世纪 50 年代才得到了真正的发展。当时世界各国空军开始大量装备无人机,
将其作为空靶使用。此后,美国率先研制成功无人驾驶侦察机,并开始用于
越战。到了 80 年代,无人机得到了更为广泛的应用。在 1982 年的中东战争,
以色列在贝卡谷地交战中,用“侦察兵”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空
导弹制导雷达开机,侦查获取了雷达的工作参数并测定了其所在位置。
无人机的飞速发展是在海湾战争后,以美国为首的多国部队的无人机在
海湾战争中成功地完成了战场侦察、火炮校射、通信中继和电子对抗等任务。
在科索沃战争中,美国及北约盟国总共使用了近 300 多架无人机当开路先
锋,用于中低空侦察和长时间战场监视、电子对抗、战况评估、目标定位、
收集气象资料、营救飞行员和散发传单等任务。在美国对阿富汗的反恐战争
中,无人机更是大显身手,成了追捕拉登及其基地成员的有效兵器,尤其是
对基地组织成员发动的空袭,开创了无人机运用的先河
[1]
。
新世纪之初,无人机的发展进入了一个崭新的时代,各种性能各异、技
术先进、用途广泛的新型机种,如长航时无人机、战斗无人机和微型无人机
等不断涌现。2001 年,美国的“全球鹰”长航时无人机完成了越洋飞行,
创造了航程和飞行时间的世界记录。“捕食者”长航时无人机在美对阿富汗
的空袭中,首次挂载了导弹对阿富汗的地面目标进行了实弹攻击,从而开创
了无人机执行对地攻击任务的先例。
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