四旋翼微型直升机

凉　亭

进入90年代,各种先进微型制造技术、微电机系统、微电子和一体化技术的迅速发展,使微型飞行器的研制成为可能。1992年,在美国国防部预先研制计划局(DARPA)美国兰德公司主持召开的一次专题讨论会上,首次提出了微型飞行器概念。当时兰德公司高级科学家奥根斯坦领导着一个微型飞行器研究专家小组,他们在研制如同蜂鸟和1厘米大小的各种微型飞行器。

多大的飞行器才算微型飞行器呢?1996年,美国国防部预先研究计划局在开始执行微型飞行器计划时所下的定义是:飞行器外形的长、宽、高都小于15.24厘米,起飞重量低于100克的称为微型飞行器。现在,人们普遍采用这个定义。

微型飞行器的用途

微型飞行器由于体积小、隐蔽性好、性能稳定,因而在军事方面能执行多项任务,甚至可完成其他飞行器无法完成的任务。例如:

可用作侦察和监视。微型飞行器携带能全天候工作的图像传感器后,非常适宜于在50米左右的空中执行侦察任务。它可以贴近目标实施侦察,尤其是对侦察卫星和军用侦察机监视不到的死角,或人员无法到达的险要地区进行侦察,还可以部署到适当位置,充当固定的、不被注意的地面传感器,并能实时准确地把侦察到的信息传送回来。

可实施突袭。微型飞行器虽然尺寸小、有效载荷量有限,但如果装上一些高效能弹药或者一些其它武器,就能趁敌不备实施各种突袭和打击任务。

可用于通信中继。微型飞行器装上摄像机和传送机后,可执行一些危险的拍摄任务,并能实时传输给作战指挥中心,或前线士兵手中的微型计算机。它不必担心有人员伤亡,若被击落,损失也不大,可及时再发送新机继续执行任务。

可执行电子干扰任务。微型飞行器可以充分发挥隐身性能好的长处,携带微型电子干扰机,飞抵距敌雷达、通信设施工作区足够近的地方,实施有效的干扰。如果干扰效果不理想,可增加飞行器的数量,实行“集群干扰”的战术。

可用于生化探测。在遭敌核武器、生物武器和化学武器袭击后,携带特殊设备的微型飞行器可以飞入污染区的上空,进行仔细周密的探测,而不必考虑人员伤亡问题。

此外,微型飞行器还可以执行目标指示,为被击落的飞行员提供信息,或给搜索救援人员发射求救信号等多种任务。

在民用方面,微型飞行器可用于生物和化学物质检测、交通监视、城市情报搜集、大气探测和行星探测等。微型飞行器在行星探测中具有很大优势,因为把每一克重量送上行星的费用都很高,而它的重量却极轻。

微型直升机的优点

微型飞行器许多任务的一个共同要求是要能悬停和巡逻。对于执行这些任务,微型直升机与微型固定翼飞机相比有很多优点,特别是在很有限的空间环境下,需要飞行器保持静止不动的悬停或做机动飞行时更是这样。例如,在建筑物周围和内部搜集情报,就需要具有先进自主导航系统的能悬停的飞行器。因为微型直升机结构紧凑,悬停时保持位置的能力强,所以微型直升机用于执行这些任务是较理想的。在许多摄像任务中,不能使用速度较高的微型固定翼飞机,却能使用四旋翼微型直升机。

在微型尺寸条件下,直升机通常具有效率低的缺点并不明显,而固定翼飞机较高的升阻比和升力系数优势却有明显减小,所以使用微型直升机就更有利。

四旋翼微型直升机

微型直升机与普通直升机一样有各种构型,如单旋翼带尾桨式、双旋翼共轴式和多旋翼式等。下面介绍的是美国斯坦福大学研制的一种四旋翼微型直升机。

该机的4副旋翼成正方形布置,分别由4个直流电机直接驱动。全机的最大尺寸小于5厘米,总重小于15克。从题图可以看出该机的基本布局和结构:机体为四方形框架结构,中间对称装有8个微型电池,由它们为驱动直流电机提供能源;微型旋翼布置在机体的四角,每个旋翼下面则是直流电机。

在研制四旋翼微型直升机的过程中,斯坦福大学的研究者们主要遇到以下3个难题:

低雷诺数空气动力学问题微型直升机旋翼的雷诺数在1000至6000范围内。在这个范围内,气流的粘性问题十分明显,以前用于螺旋桨和旋翼设计的一些简单工具已不适用了,甚至一些基本设计规则也不适用。

微型制造技术为了达到要求的升阻比,必须制造小尺寸的光滑旋翼。传统的微型制造技术已不能满足要求,它一般不用于制造50微米的薄零件,必须重新考虑加工工艺和加工步骤。

动力与控制系统虽然可以使用高能电池的种类越来越多煹要找到具有高能量、大电流,适合于微型直升机使用的特小电池仍不容易。而且,这些小装置的控制也是一个问题。由于它们的尺寸小,所以持续稳定工作的时间也非常短。此外,电机、飞行控制传感器的加工工艺和质量也有些问题需要解决。

美国斯坦福大学的研制者们经过努力,基本上解决了上述问题,制造出了四旋翼直升机的原型机,并进行了系留飞行试验。

经优化设计的微型直升机旋翼桨叶,是一种非常薄的三维结构。考虑到桨毂的连接强度可能不够,同时也为了避免应力集中,又对桨毂部分进行了加强。由于旋翼的设计直径为1.5厘米,厚度不能超过50微米,超过50微米其空气动力性能就会大大下降,因此它的强度和刚度极小,选择材料和制造都十分困难。

斯坦福大学的研制者们考虑了用于制造旋翼的3种材料,即聚合物、金属和陶瓷,摸索了使用这3种材料的各种制造工艺,并最终选择了一种特殊的制造方法。这种制造方法由制造复杂形状石蜡模型工艺发展而来,适合用于对聚合物和陶瓷材料进行成形加工。

制造微型旋翼的步骤如下:

将旋翼设计参数输入计算机,通过计算机辅助设计给出旋翼桨叶各点的弦长、扭转角和翼型形状,最后设计出旋翼的计算机模型;

根据旋翼的计算机模型,编制计算机数字控制加工程序,并加工出旋翼铸造模具;

用聚合物填充模具铸造出旋翼;

脱模,对旋翼表面进行打磨加工,以保证表面光滑洁净。

四旋翼微型直升机最初的原型机,采用从市场上购买来的无刷直流电机。这些电机虽从市场购得,但效率却很高,可达到60%至67%。为控制电机的功率和转速,斯坦福大学的研制者们采用了总重量小于1克的电子控制设备,即电机控制器。由于需要4至9伏的电压才能驱动电机,所以微型直升机采用了8个小电池。

通过电机控制器对电机功率和转速的控制,不仅可以控制整个直升机升力的大小,而且还能调节操纵力矩,使直升机实现横滚、俯仰和偏航等飞行。虽然飞行的稳定性问题已得到解决,但控制这种飞行器的通信系统还在研制之中。

微型直升机试验计划,包括电机、电池和控制器的特性试验,确定旋翼升力和操纵力矩的试验,以及四旋翼微型直升机的系留飞行试验。通过对单个旋翼的旋转试验,以及由3毫米电机驱动的微型直升机原型机的系留飞行试验,表明旋翼的最大升力已达到预期值的80%左右。

斯坦福大学对微型直升机的研制和研究说明,1.5厘米的微型直升机是可能成功的,并能载运10克有效载荷。因此,它们有可能在不久的将来用于携带较为简单的传感器执行任务,并在此后逐渐改进、完善,最终形成可控成组飞行力量,执行特殊的信息搜集任务。

责任编辑:飞友 ■