无人机空气动力学与飞行原理课件(第二版)课件12 固定翼无人机气动布局

无人机空气动力学

与飞行原理

（第二版）

（12）无人机气动布局和复合的概念

无人机气动布局的概念与总体结构布局的概念不一样。无人机气动布局与它所受到的空气动力密切相关，主要关系到无人机的飞行特征及动态特性，特别是对无人机飞行中平衡、稳定性、操纵性和机动性起关键作用。固定翼无人机气动布局是指其主要产生和承受空气动力的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，至于动力装置及外挂的任务载荷等放在哪里的问题，则笼统地称为固定翼无人机的总体结构布局。什么是复合？复合就是混合，是把两种或多种不同东西混合在一起产生出一种新的东西。复合无人机气动布局的定义是指在固定翼无人机气动布局的基础上，加上升力旋翼后而得到的一种全新气动布局。固定翼无人机气动布局的类型（1）

固定翼无人机受到的空气动力是各部件受到的空气动力之和，其总体空气动力形态布局与位置安排称作气动布局。常见的有：传统的常规布局、飞翼布局、鸭翼布局，串列翼布局和三重翼布局等。固定翼无人机气动布局的类型（2）复合无人机的总体结构

复合无人机是在固定翼无人机基础上加上升力螺旋桨而构成的复合结构体。它能以旋翼无人机模式进行垂直起降，同时又能以固定翼无人机模式进行较高飞行速度的巡航。固定翼无人机作为复合的基础，在5种气动布局形态的基础上增加升力旋翼，有5种构型：固定旋翼构型，顷转旋翼构型，顷转机翼构型，单旋翼构型和倾转电动涵道喷气发动机。美国V-22倾转旋翼构型复合战斗机

在人类航空技术发展史上，不同构型的复合设计方案早就有了，其中倾转旋翼构型的设计方案如美国V-22，它的机翼固定不动，在起降和悬停飞行时安装在机翼两端上的两个旋翼及其发动机同时向上倾转，使旋翼旋转平面与地面平行变成升力螺旋桨；随着飞机进入平飞状态，安装在机翼两端上的两个旋翼及其发动机又逐步向下倾转，恢复原位，使旋翼旋转平面与地面垂直，变成拉力螺旋桨。有人驾驶的倾转机翼运输机XC-142与倾转旋翼构型设计方案不同，倾转机翼构型的设计方案是螺旋桨安装在机翼上，当旋翼需要倾转时，是整个机翼带着螺旋桨一起倾转。在V-22问世之前，美国于1964年9月已经研制出了有人驾驶的倾转机翼运输机XC-142。复合无人机飞行过程分析

复合无人机飞行过程可以分为6个阶段：垂直起飞阶段、上升过渡阶段、巡航飞行阶段，下降过渡阶段、缓速下降阶段、地效悬停着陆阶段。复合无人机总体结构的特点（1）复合无人机载重能力取决于升力旋翼系统的升力大小。（2）升力旋翼系统的可靠性决定了起飞和着陆阶段的安全性。（3）在巡航飞行阶段，升力旋翼系统部件会增加飞行阻力。（4）复合无人机与固定翼无人机相比，速度低、航程短等缺点。（5）复合无人机与旋翼无人机相比，空中悬停性能略逊一筹（6）固定机翼会导致复合无人机迎风面积增加，结构重量增加。（7）在巡航飞行阶段，固定升力螺旋桨会降低飞行速度。（8）复合无人机各主要部件之间存在着很强的非线性气动干扰。倾转机翼与倾转旋翼两种构型比较1）优势（1）进行垂直升降、空中悬停飞行时，旋翼下洗气流不会被处于水平状态的机翼所拦截，可减少升力损失。（2）倾转机翼复合无人机过渡阶段飞行过程要比倾转旋翼复合无人机进行的快。（3）倾转机翼只需一套倾转机构即可完成全部旋翼的倾转。2）劣势（1）由于倾转机翼复合无人机机翼面积大，其悬停飞行时对气流的敏感性高。（2）倾转机翼上安装有多个旋翼，倾转时需要承载更大的倾转机构才能完成。（3）倾转机翼构型的悬停升力效率比倾转旋翼构型低，因此其单位功率有效载重小。（4）倾转机翼构型的噪音比倾转旋翼构型的大。

eVTOL常规气动布局分析（1）定义：在常规气动布局固定翼无人机基础上，增加安装多个由电动机驱动的升力旋翼系统及适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备。

（2）优势：固定翼飞机和无人机的常规气动布局是一种久经历史考验的布局，经历过几代人充分研究和大量实践，给现在研究电动垂直起落飞行器常规气动布局打下了坚实基础。可以借鉴的历史实践经验和理论著作比较多，未知因素比较少。具有较高的气动效率，良好的稳定性和操纵性，可以提高其安全性和可靠性。

（3）缺点：重心布置的灵活性较低。美国乔比航空公司的设计方案

乔比航空公司是一家美国风险资本投资的创业公司，成立于2009年，总部位于美国加利福尼亚州圣克鲁斯。2018年2月1日其电动垂直起落飞行器S4进行了第一次试飞测试，飞行了15分钟。该机采用常规气动布局倾转旋翼构型方案，机长6.4m，翼展11.6m，最大起飞重量2171kg，乘员5人。美国波音客机公司的设计方案

美国波音客机公司成立于1916年7月1日，总部设在美国华盛顿州的西雅图，是世界上最大的客机制造商之一。波音下属极光公司的复合电动垂直起落飞行器采用常规气动布局固定旋翼构型，使用固定安装在机身两边支架上的8个升力螺旋桨（旋翼）进行起飞和着陆；使用单台固定安装在机身后部的推进螺旋桨（旋翼）进行向前飞行和巡航飞行。美国维斯克公司的设计方案

美国维斯克（Wisk）公司成立于2010年。2019年12月2日与美国波音客机公司成立了合资企业，专注研制复合电动垂直起落飞行器产品。总共研制了6个具有不同气动布局构型的设计方案。采用常规气动布局倾转旋翼构型，在固定机翼前后两边各安装了6个升力旋翼，共计12个，其中后面6个螺旋桨是固定的，机翼前面的6个螺旋桨是可向前倾转的。可搭载4名乘客，机上没有驾驶员。机体长度8.53m，固定机翼翼展15.3m，航飞行速度222km/h，最大航程144km。美国贝塔技术公司的设计方案

美国贝塔技术公司是一家2017年成立的航空初创企业，总部位于佛蒙特州南伯灵顿市。其电动垂直起降飞行器阿里亚（Alia）采用常规气动布局固定旋翼构型，纯电动动力装置，翼展12m，有4个升力螺旋桨，1个推力螺旋桨安装在机身后部。载重680kg，乘员6人。最大飞行速度270km/h，最大航程463公里。JDC科技有限公司的设计方案JDC科技有限公司是一家航空初创企业，于2020年8月成立，总部设在美国加州洛杉矶市。2022年初在加州硅谷召开产品发布会，推出具有环保、低能耗、低噪音、低成本、低运营等优势的设计方案。采用常规气动布局固定旋翼构型，机身两侧分别安装有4台涵道风扇作为升力螺旋桨。机身长度8m，机身高度1.8m，机身外形流线型水滴形状，航程500km巡航速度200km/h；实用升限3000m，可搭载5名乘客。美国贝尔直升机公司设计方案美国贝尔直升机公司成立于1935年7月10日，总部位于美国得克萨斯州沃思堡市。2018年公布了其电动垂直起落飞行器计划。采用常规气动布局倾转旋翼构型方案，固定机翼两端各安装一台倾转涵道风扇，加上机身两侧前后安装的4台倾转涵道风扇，总共有6台倾转涵道风扇，负责提供电动垂直起落飞行器空中悬停或上升下降时所需的升力及前飞时所需的的拉力。起飞全重是3175kg，可搭载五名乘客，巡航速度240km/h，最大航程95km，起飞全重2954kg。美国德事隆公司的设计方案

美国德事隆公司于1923年成立，总部位于美国罗德岛州，2021年3月提出复合电动垂直起落飞行器设计方案，采用常规气动布局倾转旋翼构型，双尾撑结构，上单翼、倒V尾，共有6个开放螺旋桨，其中4个可倾转螺旋桨采用可变距的4叶桨，有两个安装在翼尖小翼上。起飞重量3632kg，乘员4人，巡航速度222km/h，航程185km。韩国现代汽车公司的设计方案韩国现代汽车公司成立于1967年，公司总部位于韩国首尔。2022年公布了其首个电动垂直起落飞行器产品方案，采用常规气动布局倾转旋翼构型，共有12个开放螺旋桨提供升力，其中4个可倾转，作为巡航飞行动力，另外8个螺旋桨分为4组固定式开放旋翼，每组都是上下共轴式双旋翼。动力系统为纯电动，乘员5座，巡航速度290km/h，飞行高度600m，航程100km。为保障安全，安装有整机降落伞。美国捷特航空旅游公司的设计方案

美国捷特航空旅游公司采用常规气动布局单旋翼构型，升力旋翼为一个直径很大的开放旋翼，安装在机身顶部支撑塔上，用来提供垂直起降和空中悬停所需的升力。在机身两侧的固定机翼上，各安装了两个拉力螺旋桨，用来拉动复合电动垂直起落飞行器在空中向前飞行。当前飞速度达到一定的速度时，固定机翼会产生足以抵消全机重量的升力，顶部的升力旋翼就会完全卸载，以实现低阻力、高效率飞行。动力装置为油电混合动力系统，乘客5人，飞行速度184km/h。中国吉利科技集团有限公司的方案中国吉利控股集团有限公司是民营轿车生产经营企业，于2003年03月24日成立，总部位于浙江省杭州市。2017年吉利控股集团收购了美国太力飞行汽车公司后，开发了一款电动飞行汽车，名为TF-1。2020年6月22日，该公司采用常规气动布局固定旋翼构型方案，推出TF-2A设计方案，机翼两侧的撑杆分布有8个升力旋翼，机身后端安装了1个推力螺旋桨。最大起飞重量1.2吨，搭载2名乘客，航程100km。美国底特律飞机公司的设计方案美国底特律飞机公司成立于2011年，主要设计制造小型飞机。2015年，成立子公司专注于可用于货运和客运大型电动旋翼飞行器的研制。2018年1月展示了其设计方案，采用常规气动布局倾转机翼构型，具有全自主飞行能力。使用6个安装在机翼上的开放旋翼，可运载4名乘客或超过200kg的有效载荷，最高速度402km/h，续航里程为104km。瑞士杜福尔公司的设计方案

瑞士杜福尔航空航天技术公司于2017年成立，总部在瑞士苏黎世。该公司方案采用常规气动布局倾转机翼构型，其研制目的最初打算作为技术示范机使用。后来，随着在飞行测试过程中的优越表现日渐明显，促使该公司决定正式生产销售这款飞行器。最大起飞重量为150kg，最大负载40kg，巡航速度170km/h，使用油电混合动力系统时最长飞行时间为3小时，使用纯电动系统时最长飞行时间为1小时。美国弓箭手电动飞机公司设计方案美国弓箭手电动飞机公司是2020年初成立的初创公司，位于美国圣何塞，短短一年多时间迅速崛起，组建了由航空业资深人员牵头的技术团队。其设计方案采用常规气动布局倾转旋翼构型，在机翼两边支架上安装12个升力旋翼，其中安装在机翼后边支架上的6个是不能倾转的固定旋翼，安装在机翼前边支架上6个是可倾转旋翼。乘员5人，航程100km，巡航速度240km/h。复合eVTOL飞翼气动布局

（1）定义：在飞翼气动布局固定翼无人机基础上，增加安装多个由电动机驱动的升力旋翼系统及适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备。（2）特点：飞翼气动布局整个机体如同一个巨大机翼，所有的机载设备完全浸没在巨大的机翼内，在气动效率和隐身性能上有着无可比拟的优势，能满足超长航时、超高空、低可探测性等苛刻的性能要求。其缺点主要是操控难度大，飞行器偏转或纵向摆动时难以及时纠正，对机体重心位置的要求比其他类型气动布局更严格复合eVTOL飞翼气动布局案例

意大利阿古斯塔∙韦斯特兰公司是世界著名的直升机研制生产厂商。该公司eVTOL采用飞翼气动布局倾转旋翼（涵道风扇）构型方案。2011年6月首次进行了系留飞行试验；2013年6月在巴黎航展上正式展出了该验证机。该机前飞时，由机翼提供大部分升力，融合在机翼中的机身及涵道周围的护罩也提供部分升力。机翼副翼在前飞和巡航飞行中提供俯仰和滚转控制，而翼尖小翼和短V形尾翼提供横向/方向稳定。复合eVTOL鸭翼气动布局1．定义：在鸭翼气动布局固定翼无人机基础上，增加安装多个由电动机驱动的升力旋翼系统及适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备。

2．特点：美国莱特兄弟创造的世界上第一架飞机采用的就是鸭翼气动布局，控制纵向爬升和下降的小翼在前，提供升力的主翼在后。位于机身前面那个小翅膀，称为鸭翼，主要作用是提升飞行机动性能。其特点有：（1）因有前翼而不易失速，有利飞行安全。（2）飞行机动性好。（3）鸭翼差动配以方向舵操纵可实现直接侧力控制。（4）鸭翼气动布局低空驾驭性较好，但纵向稳定性差复合eVTOL串列翼气动布局定义：在串列翼气动布局固定翼无人机基础上，增加安装多个由电动机驱动的升力旋翼及适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备。

特点：串列翼气动布局有两个机翼，一前一后地串列在一起。在上下方向通常是前机翼下置，后机翼上置，这样前翼的下洗气流不至于对后翼造成不利影响。串列翼与鸭翼相比，最大的差别不仅是串列翼的机翼平面面积比鸭翼的平面面积大，而且两者的用途不一样，串列翼的前翼主要用来产生升力，鸭翼主要用于产生配平和俯仰控制力矩。因此不能把串列翼的前翼视为“大鸭翼”。复合eVTOL串列翼气动布局案例德国百合花电动飞机公司由慕尼黑工业大学三位同学于2015年创立。该公司采用串列翼气动布局倾转电动涵道喷气发动机构型方案，于2017年立项进行研制生产。2019年10月完成了5座原型机的第一阶段测试，并开始了7座型的研制。该设计方案有一对平行串列机翼，前机翼每边有两个襟翼，后机翼每边有4个襟翼，共计12个襟翼；。在每个襟翼中都安装3个可倾转的电动涵道喷气发动机，总共有36个，由320千瓦可充电电池供电。最大起飞重量1.5t，可乘坐5人，巡航速度300km/h，最大航程300km，最大续航时间1h。欧洲空客公司设计方案

欧洲空客公司的A3创新中心位于美国硅谷，采用串列翼气动布局倾转机翼构型方案，前后两个机翼上分别安装了4个顷转旋翼，共计8个。2018年1月31日，该机全尺寸原型机在美国俄勒冈州彭德尔顿无人机试验场成功完成了首次悬停飞行测试。以后又通过反复多次的自主飞行实验，结果表明：该设计方案优点明显，倾转旋翼在前后串列的两个机翼上安装布置的自由度高，具有宽阔的重心位置布置区域，有助于解决机载乘员和设备位置与飞行稳定性之间的冲突。大众汽车集团（中国）设计方案大众汽车集团（中国）2022年7月27日对外发布其设计方案，采用串列翼气动布局固定旋翼构型方案，前后两个固定机翼长11.2m，跨度10.6m，具有8个垂直升力旋翼和2个用于水平飞行的推力涵道风扇。动力系统为纯电动，具有自动化驾驶全自主飞行能力，可以搭载4名乘客和行李，最大飞行距离为200km。预计原型机将在2023年夏末进行行测试。上海峰飞航空科技公司设计方案

上海峰飞航空科技有限公司于2019年09月26日成立，其设计采用串列翼气动布局固定旋翼构型方案，由安装在机体支架上的8个电动升力旋翼提供向上的升力，2套位于机体支架后部的尾推螺旋桨提供向前飞行的推力。采用纯电系统，机身使用高强度碳纤维复合材料一体成型技术便。机身长度10.3m，机翼翼展12.8m，机身高度3.1m，最大起飞重量1500kg，最大载客数量3-4人，巡航速度200km/h，最大航程250km。2021年10月，该方