覃禹智李德宝陈海揭子尧孙桐
（合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥230009）
项目基金：合肥工业大学2017年校级大学生创新创业训练计划项目资助(项目编号:2017CXCY)
摘要：本无人机相当于在一架大型飞机(母机)上建造了一个无人机的“机场”，母机承担运载小型无人机(子机)，建立无人机指挥站。但由于其体积大，重量大，展弦比高，航速较低等，存在无法纵深腹地，容易被敌方雷达发现，机动性差，被敌方追击时难以脱身等缺点。而子机的展弦比小，速度快，运载量小，无法承担大航时大航程的任务，但是机动性好，能携带战斗武器，体积小，不易被敌方雷达发现。且母机能携带大量子机，使敌方无暇防御。子机能与母机形成优势互补。子母无人机在军民方面都具有重要的战略意义，目前国内在这方面的研究才刚刚起步，本文对其母机模型进行设计。
关键词：子母机；航模；空中分离；结构设计
引言
美国曾进行“自主部署示范”实验，由一架体积略大的无人机携带两架微型无人机，飞到高空后释放子机，由于子机体积小，且无推进装置仅依靠滑翔飞行，因此可以轻松骗过敌方雷达，悄悄潜入敌区完成侦察任务[5]。美国海军研发的最终目标是一次可以向敌区投放上干架这样的微型无人机，采取“蝗虫战术”，用最低廉的成本获取有价值的情报[5]。本文根据一般航空模型的设计流程，主要对该无人机的主体母机部分做总体设计。
1、总体参数与方案设计
本无人机展弦比A=7，起飞重量1.7kg，其翼面积S为0.391m²，翼载荷43g/dm²。翼展长b约1.7m，翼弦长c=0.23m，机身长为1m。采用双垂尾常规布局，优点在于能提供较大的整机中部空间。为了增加横向稳定性，采用上单翼，U型上反角，上反角参考值0~5°，本机采用3°。为了减小诱导阻力，采用椭圆翼梢。为了使飞机在低速时仍有较大升力，采用2°机翼安装角。电机选用28141100KV电机，9×6螺旋桨，最大推力约20N。
2、材料选择
考虑到母机需要承受子机的重量，并且其本身结构要求质量轻，在材料选择上要求严格，选材应遵循在满足强度、刚度条件下尽可能减小飞机重量的原则。材料选用具有密度小，比强度大，易于加工，价格低廉等特点的木材。具体可以选用材质松软，纹理均匀，不易变形，密度很小的巴尔沙木来制作翼肋和翼梢等以提高模型质量，提升飞行性能。选用3mm层板来制作机身外壳，来保证航模强度，对于加强框、加强翼肋等受力较大的部件可采用碳片辅助加强。对于主要受力部位如翼梁、机身尾撑的采用碳纤维管。机身机翼蒙皮采用轻质热缩膜。
3、飞机总体参数详细设计
3.1机翼设计
对于较大载重或大展弦比的飞机一般采用双梁式或单块式机翼结构。双梁式机翼机构简单，抗弯集中在翼梁缘条上，便于开大口，接头简单，但蒙皮未能发挥承弯作用。单块式机翼的采用厚蒙皮，结构复杂，接头多，开大开口需用较强件补偿承弯能力，加工工艺复杂。根据飞机设计要求，这里采用双梁式机翼。
机翼前梁布置在距机翼前缘30%左右弦长处，后梁则在65%处，翼肋数量32个，间距为5.4cm。翼梁由一根8mm碳纤维管组成，要承受大部分弯矩和剪力。蒙皮仅起到支撑气动外形的作用。翼肋和桁条在结构中仅起传递局部载荷、支持蒙皮和维持翼型的作用。
机翼采用的翼型为GOE436翼型。该翼型在巡航时翼型最佳迎角约2°翼型阻力系数约0.01，升力系数约为0.5。
3.2机身设计
机身内部需要容纳电池，电子调速器，信号接收机，飞行姿态控制仪和其他任务用电子设备，应留有足够的空间。在模型飞机领域，机身对空气动力影响很小，为了便于设计和制造，通常采用正方形的截面轮廓，边长10cm，前机身长45cm。后段用16mm直径的碳纤维卷管连接尾翼段。机身内部安置两个隔框用来加强机身的抗扭刚度。机身上部开设两个开口，分别位于头部和中后部，目的是便于电子设备的电子设备的安放、调整、更换。
3.3尾翼设计
尾翼面积由尾容量系数法确定，根据经验水平尾容量取0.4，垂直尾容量取0.03。根据公式：
平尾容量=[平尾面积x尾力臂（平尾1/4弦线至机翼1/4弦线的距离）]/[机翼面积x机翼平均弦长]
垂尾容量=[垂尾面积x尾力臂（垂尾1/4弦线至机翼1/4弦线的距离）]/[机翼面积x机翼翼展]
机翼前缘起1/3处大致与机身总长最前端起1/3出相重合，在航模级飞机里这样的精度已经够用了。可以算出尾力臂约60cm。
故平尾垂尾面积分别为600cm²，330cm²，为了便于折叠采用双垂尾，故单个垂尾面积大约为165cm²。
4、动力系统
采用朗宇28141100KV电机，9×6螺旋桨，4S14.8V3300mah25C电池。测试数据如表1所示。
5、总结
本文根据一般航模设计流程对子母机的主体部分进行了总体设计，包括布局设计、选材、机翼设计、机身设计、尾翼设计等。并选取了合适的动力系统，并进行了实际的验证飞行工作，达成了本无人机的设计目标。
参考文献
[1]MartinSimons.ModelAircraftAerodynamics[M].Britain：SpecialInterestModelBooksLtd，2002.
[2]李为吉.飞机总体设计[M].西安：西北工业大学出版社，2004.12.
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[4]高泽迥.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，,2002.12.
[5]林徵道.美军研发“子母无人机”[N].南方都市报，2012-01-15（GB09）.
[6]许震宇.某型燃料电池无人机结构设计[J].玻璃钢/复合材料，2010，（6）.
[7]孙宪学.大展弦比无人机机翼结构初步设计研究[J].结构强度研究，2011，（3）.
作者简介：覃禹智（1996年—），本科生，专业为飞行器制造工程，合肥工业大学机械工程学院。
李德宝（1991年—），硕士，副教授，主要研究方向为数字化设计与制造