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复合翼无人机的抗风设计(一):抗风策略

 limao164 2022-09-13 发布于四川
复合翼无人机是在固定翼和四旋翼的基础上发展而来,即具备四旋翼无人机起降方便的特点,又兼有固定翼无人机的长续航的性能。因此成为无人机发展的重要方向。舰载应用领域通常要求无人机具有5级海况或7级风条件下的起降能力。相比四旋翼无人机,复合翼无人机的抗风设计难度更大,这是因为固定翼的机翼、尾翼等翼面在旋翼起降阶段产生明显的干扰,风越大干扰越强。因此需要根据复合翼无人机固有的特点,研究起降阶段的飞行控制策略,提高复合翼无人机在复杂气象条件下的起降性能。

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图 1 复合翼无人机

四旋翼无人机的布局是对称的,因此其纵向和横向的抗风能力相当,而且没有翼面的影响,航向的干扰力矩也很小。因此,四旋翼无人机的起降策略相对简单。

复合翼无人机旋翼模式起降时,机身、机翼和尾翼的气动干扰,导致其纵向和横向的抗风能力相差很大,这是因为纵向和横向的阻力相差很多,导致抗风对应的姿态角有很大的不同,某无人机纵向和横向的抗风能力见下图(拉力分量大于风阻力即不会被风吹跑),由图可知,纵向的抗风能力远大于横向,同样的风,复合翼横向飞行时,被大风吹跑的可能性比纵向大得多。因此,在复杂的气象条件下,无人机最好处于机头对风的状态起飞和降落。

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某无人机纵向和横向抗风能力

由于尾翼的作用,复合翼无人机在起降阶段的航向力矩干扰非常明显。某复合翼无人机航向力矩随侧滑角的变化曲线如下图。

  • 稳定区域:在中小侧滑角区域(-30°~30°),航向是稳定的,而且偏航力矩也比较小,控制最为简单;

  • 中间区域:侧滑角-110°~-30°、30°~110°,即有稳定区也有不稳定区域,而且偏航力矩很大,控制难度比较大,为了保持航向,需要旋翼系统提供较大的偏航控制力矩;

  • 不稳定区域:侧滑角-180°~-110°、110°~180°,航向是不稳定的,控制难度最大,容易航向失控,进而影响飞行安全,存在较大的飞行安全隐患;

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航向力矩随侧滑角的变化曲线

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图 4 大风影响区域分布图

结合复合翼无人机相比四旋翼无人机的固有特性,可以得出几条提高起降安全性的策略。

  • 复合翼无人机起飞时,逆风(稳定区域)起飞最有利,如果场地限制无法逆风起飞,可优先选择中大侧滑角(中间区域)起飞,只有风速较小时,可以使用顺风起飞。

  • 固定翼归航降落时,模式转换完成后,旋翼模式的航向控制选择跟风最为有利;

  • 归航降落阶段若选择保持当前航向的飞行策略时,要确保无人机不冲过降落点上空,否则,后退时会进入不稳定区域,增加航向不可控的风险,进而影响飞行安全。

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