宗 劍,江 穩(wěn),李雨林

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學院 航空工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134;2.華中科技大學 航空航天學院,湖北 武漢 430074;3.山東交通學院 航空學院,山東 濟南 250357)

0 引言

根據(jù)航空行業(yè)規(guī)定[1],把最大起飛重量小于5.75 t的固定翼飛機稱為輕型固定翼飛機,輕型農(nóng)用固定翼無人機屬于其中一種,它是發(fā)展現(xiàn)代化航空農(nóng)業(yè)的重要組成部分[2]。相比傳統(tǒng)有人駕駛的輕型農(nóng)用飛機,輕型農(nóng)用固定翼無人機具有設計制造要求低、飛行作業(yè)效率高、使用維護成本低廉、對起降場地要求較低等優(yōu)勢,因此廣泛應用于農(nóng)業(yè)播種、施肥、田地信息監(jiān)測和植保等方面[3]。雖然目前其部分用途已被成本更加低廉且易操縱的多旋翼類無人植保機替代[4],但在現(xiàn)代化大面積承包農(nóng)業(yè)高效作業(yè)方面暫時無法被取代,所以輕型農(nóng)用固定翼無人機具有廣闊的發(fā)展空間。本文主要介紹輕型農(nóng)用固定翼無人機的主要發(fā)展方向、設計要求、布局形式,對其設計的主要參數(shù)進行假設,采用漸近法對設計重量進行計算,并對計算結(jié)果進行設計性能分析,所得結(jié)論可為后續(xù)從事輕型農(nóng)用固定翼無人機設計人員提供參考。

1 發(fā)展方向

早期為提高大規(guī)模承包農(nóng)業(yè)的作業(yè)效率和年產(chǎn)量,美國和西歐等一些國家和地區(qū)在設計專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼飛機方面走在世界前列[2]。但至今為止它們所設計制造的各型號農(nóng)用固定翼飛機基本以有人駕駛為主,例如美國AT-802F和波蘭PZL-M18。我國在設計專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼飛機方面起步較晚,二十世紀九十年代之前一直使用蘇聯(lián)有人駕駛的安-2雙翼飛機改裝的運-5乙為農(nóng)用飛機,后期部分使用的是由航空工業(yè)320廠研制的我國第一種專業(yè)性輕型農(nóng)用固定單翼飛機農(nóng)-5飛機，有A和B兩種機型,農(nóng)-5A、B型飛機的出現(xiàn)填補了我國無專業(yè)性輕型農(nóng)用固定單翼飛機設計的空白。為了能和近些年出現(xiàn)的多旋翼類無人植保機搶奪農(nóng)業(yè)市場利潤，降低傳統(tǒng)農(nóng)用固定翼飛機的使用成本,這幾年,國內(nèi)部分單位率先開始將運-5乙飛機改裝為運-5無人機。

雖然如此,但其改裝的效能還遠遠不能充分發(fā)揮出來。研究資料顯示,單獨設計的專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼無人機比改裝后的經(jīng)濟效益高50%～80%,因此設計專業(yè)性輕型農(nóng)用固定翼無人機是現(xiàn)代航空農(nóng)機發(fā)展的重點方向之一[5-8]。輕型農(nóng)用固定翼無人機技術(shù)發(fā)展方向主要有[9-12]：(1)低速、高升阻比翼型的設計；(2)低阻力系數(shù)氣動外形的設計；(3)最簡單、可靠、便于維護、高性價比和壽命的結(jié)構(gòu)設計；(4)設計可考慮采用新型動力,比如純電動或油電混合動力；(5)地面先進導航控制技術(shù)。

2 設計要求

輕型農(nóng)用固定翼無人機主要設計要求包括：氣動要求、結(jié)構(gòu)要求、動力要求和機載設備,具體如下[13]。

(1)保證非收放起落架可利用土質(zhì)跑道進行起降,土質(zhì)地面比強度不小于30 N/cm2。

(2)采用非收放后三點式起落架氣動布局、結(jié)構(gòu)設計時,應該保證飛機在應急著陸時不出現(xiàn)“拿大頂”現(xiàn)象。

(3)燃油箱或動力電池和化學制劑箱應最大限度地安置在空機的重心附近,并且對進入艙內(nèi)的空氣要徹底過濾。

(4)對飛機的零部件和農(nóng)用設備采取防銹設計措施。

(5)對發(fā)動機要有可靠的防護,以防止在滑行或起降時吸入砂石和塵埃以及裝載時的化學制劑。

(6)采用非電動動力應該可靠地保證整個飛行日發(fā)動機有起動自備電源。

(7)采用純電動力設計時,動力電池要求可靠,動力電池艙與易燃農(nóng)業(yè)化學劑艙隔離設計,無人控制無線電控制導航設備應可靠。

(8)機載設備要求小體積、高可靠和安全。例如,遠距化學制劑測量儀、流量指示器、水平飛行和轉(zhuǎn)彎的極限速度信號裝置、起飛著陸次數(shù)記錄器、發(fā)動機地面與空中飛行小時記錄器、低空飛行自記計，完成播種、撒顆粒狀和粉末狀化學制劑、撒有毒誘殺物、噴灑液體溶液(或乳狀液、懸浮液)及液體攪拌等農(nóng)用設備。

3 布局形式

輕型農(nóng)用固定翼無人機的布局形式與使用要求相關,參照傳統(tǒng)有人駕駛的輕型農(nóng)用飛機設計參數(shù),輕型農(nóng)用固定翼無人機的作業(yè)飛行速度vp的取值范圍為120～230 km/h,通常取120～180 km/h;作業(yè)飛行高度HP的取值范圍為5～50 m(國外允許HP≥1 m),起飛滑跑距離LP取120～170 m[14]。為了提高設計的可靠性、飛行穩(wěn)定性、降低研制成本,輕型農(nóng)用固定翼無人機的設計以無后掠角機翼倒T形垂尾為主[15]。

輕型農(nóng)用固定翼無人機常規(guī)布局機翼的設計可有多種形式,機翼可選用無后掠角矩形單翼或雙翼設計,其中單翼比雙翼擁有更低的氣動外形阻力系數(shù),但雙翼低空、低速性能較好,如美國羅克韋爾國際公司研制的S2R-H80為單翼設計,而蘇聯(lián)農(nóng)用主力飛機安-2則為雙翼設計。單翼機又分為上單翼和下單翼,其中下單翼的設計具有改善航空化學作業(yè)質(zhì)量,容易安裝起落架，可有效減輕機翼與機身結(jié)構(gòu)重量,容易安裝全翼展噴灑管，便于使用維護保養(yǎng)的優(yōu)點[16]。

機翼翼型可考慮選用升阻比較大的GA(W)-1、NACA44、NACA230、NACA63、NACA65系列[17]。其中GA(W)-1與其他系列相比較,機翼最大厚度位于距前緣40%弦長處,帶增升裝置時可使Cya最大值約增大30%,獲得最大值襟翼最佳偏轉(zhuǎn)角為40°[18]。

動力系統(tǒng)一般采用單發(fā)動機+拉進式定槳距螺旋槳,安裝在機身最前面發(fā)動機艙室。目前可選用發(fā)動機種類有：多缸活塞發(fā)動機、渦槳發(fā)動機、純電動機或油電混合動力。其中受動力電池儲能密度較低的影響,相比純電動和油電混合動力,裝備多缸活塞發(fā)動機和渦槳發(fā)動機的無人機續(xù)航能力較強。渦槳發(fā)動機比活塞發(fā)動機功重比高、體積小,但價格稍高,因此在要求較高的輕型農(nóng)用固定翼無人機的設計上可選用。純電動適合輕型小型農(nóng)用固定翼無人機的設計的動力選擇,而油電混合動力適用于輕型中小型農(nóng)用固定翼無人機設計的動力選擇[9-10]。拉進式定槳距螺旋槳應選擇最大效率系數(shù)直徑和系列。選擇螺旋槳直徑時,必須考慮無人機結(jié)構(gòu)上的設計限制,即槳葉端部到地面距離不小于250 mm,從螺旋槳端部到螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的飛機任何部分的距離不得小于200 mm。

起落架布局設計采用非收放構(gòu)架后三點式,主起落架安裝在機翼下面,主起落架輪胎一般選用低壓輪胎。

4 主要設計參數(shù)假設和性能計算分析

輕型農(nóng)用固定翼無人機的設計同它的用途最佳化的任務一樣具有綜合性和系統(tǒng)性,設計時考慮的主要內(nèi)容如下。

4.1 使用情況的主要參數(shù)和飛行作業(yè)方法

使用情況的主要參數(shù)包括作業(yè)土地面積、單程作業(yè)長度、跑道種類和長度、作業(yè)工種和規(guī)模以及10～15年工作變化動向。

飛行作業(yè)方法有梭式和地段式兩種,如圖1(a)和圖1(b)所示,圖中虛線為輕型農(nóng)用固定翼無人機作業(yè)飛行軌跡。

(a)梭式飛行作業(yè)法

(b)地段式飛行作業(yè)法圖1 農(nóng)業(yè)飛機飛行作業(yè)示意圖

輕型農(nóng)用固定翼無人機的最佳作業(yè)飛行速度與發(fā)動機型號幾乎無關,但卻與單程長度和作業(yè)方法有關。在一定單程長度作業(yè)范圍內(nèi),地段式飛行作業(yè)速度要比梭式飛行作業(yè)速度高。

4.2 主要設計參數(shù)假設和性能計算分析

輕型農(nóng)用固定翼無人機型式與機翼增升裝置的種類、發(fā)動機型別、化學制劑的計算重量、飛行各階段的時間分配情況、安全飛行、結(jié)構(gòu)強度與壽命要求都有關。

設計的輕型農(nóng)用固定翼無人機采用無后掠角下單翼布局,起落裝置采用高強度金屬主支柱安裝機翼下面非收放式無內(nèi)胎機輪無整流罩起落架,動力系統(tǒng)為一臺渦輪螺旋槳發(fā)動機,機翼承力構(gòu)件采用復合材料,其增升裝置采用滑動式襟翼和前緣襟翼、襟副翼；假設化學制劑重量(有效載荷)mx=800 kg,最小允許垂直速度vy=4 m/s；年飛行時間為825 h；航空化學作業(yè)的主要形式為噴灑。無人機及其部件的各種不變參數(shù)如表1所示。

表1 輕型農(nóng)用固定翼無人機及其部件參數(shù)

假設輕型農(nóng)用固定翼無人機一次加油作業(yè)時間分配如下:起飛,0.045 h,占比3%;作業(yè)，轉(zhuǎn)場飛行0.75 h,占比50%;轉(zhuǎn)變0.675 h,占比45%;著陸0.03 h,占比2%;總計1.5 h,其中不包含裝填化學制劑時間。

采用漸近法求出起飛質(zhì)量：

(1)

(2)

查閱輕型飛機設計手冊,式中:

(3)

式中,pH為最大飛行高度上密封艙內(nèi)余壓,無人機為0。

(4)

(5)

式中,hzj為主起落架由跑道表面到支柱轉(zhuǎn)動接頭或固定接頭的長度,pzty為主機輪輪胎胎壓。

(6)

式中,kc=0.22～0.25。

由起飛滑跑條件求得

(7)

式中,P0為發(fā)動機起飛推力,g=9.81,ρ0=0.125,土質(zhì)跑道fk=0.1。

不計噴灑桿的氣動阻力,由作業(yè)速度的保證條件求得

(8)

式中,螺旋槳的效率系數(shù)ηB=0.72。

由給定的vy=4 m/s的計算求得

(9)

相對燃油質(zhì)量按照飛行的各階段求出。對每階段的求法為

(10)

式中,kjl為發(fā)動機節(jié)流系數(shù)：起飛時,kjl=1.0；著陸時,kjl=0.25；裝填時,kjl=0.20；轉(zhuǎn)場、噴灑和轉(zhuǎn)彎時,kjl=Ni/N0(Ni需用功率)。ceo=0.34 kg/(kW·h)。ti取值4.2中農(nóng)用固定翼無人機一次加油作業(yè)時間分配。

用計算機求解公式(1)～(10)的結(jié)果示于圖2～5。

圖2 作業(yè)飛行速度對無人機起飛質(zhì)量的影響關系圖

圖3 無人機翼載與化學制劑的相對質(zhì)量關系圖

圖4 渦槳無人機翼載和展弦比關系圖

圖5 無人機滑跑距離與起飛質(zhì)量關系圖

從圖2可以得出,當翼載取80 kg/m2、展弦比取6時,設計輕型農(nóng)用固定翼無人機的飛行速度接近140 km/h時可獲得最優(yōu)的作業(yè)飛行速度。但是按照最優(yōu)作業(yè)飛行速度所獲得的m0的最優(yōu)值并不理想,進一步提高m0的設計值,會提高作業(yè)飛行速度。

在一定范圍內(nèi)提高設計作業(yè)飛行速度,可有效減少飛行作業(yè)時間、降低油耗和使用費用。但設計作業(yè)飛行速度提高超過某個值,會增加作業(yè)過渡轉(zhuǎn)彎半徑,導致其他良性指標會下降。

從圖3可以得出,起飛滑跑距離取150 m、作業(yè)飛行速度取140 km/h時,在一定設計翼載范圍內(nèi),無人機的有效負荷化學制劑的相對質(zhì)量隨著設計翼載的增大而增大；當設計翼載超過一定值,其有效負荷化學制劑的相對質(zhì)量隨著設計翼載增大而減??；農(nóng)用無人機設計翼載較佳取值范圍為70～90 kg/m2,設計翼載最佳取值接近80 kg/m2。

輕型農(nóng)用無人機設計的機翼展弦比取值越小對增加無人機的有效負荷化學制劑的相對質(zhì)量越有利。 從圖4可以得出,當起飛滑跑距離取150 m、作業(yè)飛行速度取140 km/h、化學制劑負荷質(zhì)量取800 kg時,隨著設計翼載的增大,其展弦比也在增大。小展弦比不僅可有效減小研制機翼和飛機的起飛質(zhì)量,而且在作業(yè)飛行時會增加機翼后方產(chǎn)生的下洗流強度,有利于提高作業(yè)質(zhì)量。但小展弦比會減小單程噴幅的寬度,增加作業(yè)頻率,所以設計機翼展弦比取6～8是比較理想的。

從圖5可以得出,當設計翼載取80 kg/m2、展弦比取6、化學制劑負荷質(zhì)量取800 kg時,無人機起飛滑跑距離小于150 m時,會大大增加飛機的起飛質(zhì)量。但起飛滑跑距離大于170 m時,雖可有效減少起飛質(zhì)量,但會增加跑道長度,提高對跑道的要求,降低設計的輕型農(nóng)用固定翼無人機使用范圍。因此,設計的輕型農(nóng)用固定翼無人機起飛滑跑距離的合理值在150～170 m。

5 結(jié)論

本文主要通過介紹輕型農(nóng)用固定翼無人機的主要發(fā)展方向、設計要求、布局形式,對設計主要參數(shù)進行假設,并對設計計算結(jié)果進行分析,得出在一定范圍內(nèi)提高設計作業(yè)飛行速度,可有效減少飛行作業(yè)時間、降低油耗和使用費用，但設計作業(yè)飛行速度提高超過某個值,會增加作業(yè)過渡轉(zhuǎn)彎半徑,導致其他良性指標會下降,輕型農(nóng)用無人機設計的機翼展弦比取值越小對增加無人機的有效負荷化學制劑的相對質(zhì)量越有利,但小展弦比會減小單程噴幅的寬度,增加作業(yè)頻率,設計機翼展弦比取6～8和起飛滑跑距離的合理值在150～170 m是比較理想的。