[发明专利]米字型反扭矩舵结构布局方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构布局方法。

背景技术

小型单桨涵道式无人机由发动机提供的推力实现垂直起飞、悬停等飞行动作，同时，旋翼旋转还产生了绕垂直飞行器中心轴的扭矩，该扭矩会严重影响无人机的稳定性和可靠性。

单螺旋桨固定翼飞机采用偏移重心或调整发动机推力线的方法克服螺旋桨自旋影响，单旋翼直升机采用尾桨平衡主螺旋桨产生的扭矩。小型单桨涵道式无人机由于自身结构特点，通常采用一组反扭矩舵实现扭矩的平衡，其原理是，反扭矩舵位于涵道内部螺旋桨产生的滑流流场内，反扭矩舵片同向偏转，在螺旋桨滑流的作用下，舵片上产生相应的升力和阻力。其中，作用在舵片上的升力对涵道式无人机产生扭矩，该扭矩与螺旋桨产生的扭矩大小相等，方向相反，从而实现无人机扭矩的平衡，使无人机无自转；反扭矩舵通常布置在涵道内部旋翼下方。但受到涵道内部空间的限制，单片反扭矩舵尺寸较为有限。因此，在涵道式无人机设计中常采用多片反扭矩舵分布的方式来满足抵消旋翼扭矩的要求，而涵道内组合舵片的气动特性与单片反扭矩舵的气动特性是不同的。

目前，涵道式无人机反扭矩舵的布局方式尚未形成统一的方案和整体设计思路，国内外各研究团队对反扭矩舵均匀分布布局大多没有进行过较详细的分析论证，对舵片周向排列片数，舵片夹角等参数对其整体气动特性的影响尚未有明确的分析结果。由此使得目前各类涵道式无人机反扭矩舵的布局大多无法充分利用其气动特性，无法充分提高无人机整体气动特性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是：本发明提供了一种米字型反扭矩舵的布局方法，可应用于小型函道式无人机，满足了抵消旋翼扭矩的要求，充分提高无人机整体气动特性和稳定性；

本发明的技术方案是：一种米字型反扭矩舵结构布局方法，它包括以下步骤：

第一步，选取反扭矩舵的翼型，从而得到单片反扭矩舵的扭矩τ；

第二步，通过测量得到发动机扭矩Q，由公式

n_min·τ＝Q    1.1

得到达到克服反扭矩效果至少所需要的反扭矩舵片数n_min，如果n_min为小数则取整，并且当n_min为奇数时，令其加1，变为偶数；

从n_min开始在[n_min,12]的范围内取遍所有的偶数，如果n_min小于或等于4，则在[4,12]的范围内取遍所有的偶数，作为下一步进行仿真时所用的反扭矩舵片数n；

第三步，分析确定反扭矩舵排布方式，获得不同舵片之间夹角β；

（1）建立反扭矩舵三维结构模型，利用第二步中获得的各个n的数值，得到每个n值对应的舵片之间夹角β，针对每种排布方式进行舵片整体气动特性仿真；

（2）根据仿真结果，测试每种排布方式下的气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数，综合气流扰动、舵片上下表面静压分布、舵片升力系数带来的影响，由此近一步缩小反扭矩舵片数n的取值范围；

在（2）确定反扭矩舵片数n的取值范围的情况下，由360°除以该范围内的最小值，确定β；

第四步，确定反扭矩舵与桨盘的间距

反转舵位于桨盘正下方的涵道内且距离桨盘较近，首先，将反扭矩舵片1/4弦长位置到桨盘的距离用z表示，c为涵道的长度，h为桨盘到涵道入口的距离，利用CFD仿真方法初步分析反扭矩舵距螺旋桨桨盘不同距离z的气动特性，根据仿真过程获知z值越大，滑流速度越大即涵道升力越大，但反扭矩舵工作效率降低；

设计时兼顾反扭矩舵工作效率和涵道升力，在反扭矩舵扭矩达到要求的前提下，在结构允许的范围内令反扭矩舵尽量远离螺旋桨桨盘；

第五步，米字型反扭矩舵的结构布局

综合上述第一步至第三步，在涵道360°圆周内，以无人机机身中轴为圆心，每隔β设置一片反扭矩舵，反转舵到涵道入口的位置关系由第四步确定，从而确定米字型反扭矩舵的结构布局。

本发明提供的方法首次对小型涵道式无人机反扭矩舵均匀分布式布局的排布方式提供了一种较为合理的设计流程和设计方案。通过数值仿真和总体结构设计的方法为舵片布局片数和相邻舵片夹角设计提供了一种方便的方案，经过本课题组设计的小型涵道式无人机实际试飞试验证明，该方法设计的反扭矩舵布局能够合理利用其气动特性，充分提高组合舵整体气动效率，满足无人机反扭矩需求。

附图说明

图1“米”字均匀布局反扭矩舵平面图

图2“米”字均匀布局不同β角舵片表面静压分布