混合式垂直起降倾斜三旋翼无人机的初步设计及快速原型制作方法

《Aerospace Science and Technology》：Preliminary Design and Rapid Prototyping Method for a Hybrid VTOL Tilt Tri-Rotor UAV

　　S M Tarikul Islam|徐元明|戴伟|Mehedi Hasan|Atiqur Rahman
中国北京北京航空航天大学航空科学与工程学院，邮编100191

摘要
传统的混合式垂直起降无人机通常是通过将多旋翼飞行器的框架简单安装在固定翼无人机上构成的。由于多旋翼的旋翼暴露在外，这种设计在高速飞行时会出现显著问题。为解决这一难题，本研究提出了一种新型倾转旋翼垂直起降无人机设计，该设计能够在纯固定翼模式巡航时实现三个旋翼的倾斜以及前两个螺旋桨的折叠，从而提升垂直起降和高速水平飞行的性能。通过对倾斜旋翼和可折叠螺旋桨的计算流体动力学分析，发现其升阻比有了显著提升，相比传统混合式垂直起降无人机提升了135%。设计过程包括初步尺寸确定、参数估算，以及利用计算流体动力学和有限元方法进行的详细空气动力学与结构分析。此外，还采用了低精度面板法快速优化机翼，进一步提升空气动力学和结构效率。所提出的快速原型制作方法为未来混合式无人机的制造提供了可行路径，也为研究人员提供了高效的无人机开发手段。这项工作为监控、搜救及相关工程领域带来了新的应用可能，同时推动了混合式无人机技术的发展。

引言
低空经济作为一种新兴领域，正在从根本上改变城市物流和交通模式，而无人机正是推动这一变革的重要力量。在现代航空领域，无人机因其能够替代 manned飞机执行多种常规且成本较低的作业而被广泛使用。固定翼无人机相较于其他类型的无人机具有更远的飞行距离和更高的续航能力。不过，它们需要跑道进行起飞和降落，且无法实现垂直飞行。旋翼无人机则类似直升机，能够在有限空间内垂直起降并保持悬停状态，但其速度和飞行距离存在局限。混合式无人机则结合了两种类型的优势，既能实现悬停和前进飞行，又能像直升机一样垂直起降，之后还可转换为适合高速飞行的固定翼形态。根据Zhou等人[3]、McCormick[4]以及Hirschberg[5]的研究，现有的混合式垂直起降飞机可分为六类：复合型飞机、倾转旋翼式、倾转翼式、尾坐式、升力风扇式以及矢量推力式。每种配置都有各自的优缺点。倾转翼式垂直起降无人机虽然采用旋转翼，但由于易受侧风影响，悬停效率较低[6,7]。尾坐式无人机虽能通过倾斜机制实现垂直起降和前进飞行，但重量较大且功耗更高[8,9]。复合型飞机虽然结合了垂直和水平推进方式，但在功率和速度方面存在限制[10]。矢量推力控制式垂直起降无人机通过调节发动机转速来控制高度和速度。倾转升力导管风扇式垂直起降无人机虽提高了效率，但增加了机械复杂度和成本[11,12]。而倾转旋翼式垂直起降无人机则在能量利用、稳定性以及载荷能力方面表现优异，在低雷诺数条件下能提升飞行距离和速度[6,[10], [11], [12], [13]]。因此，本研究重点探讨了倾转旋翼式混合式垂直起降无人机的设计。

尽管倾转旋翼式设计具有诸多优势，但现有设计仍存在一些缺陷。目前的无人机型号，如Panther[14]、mini-Panther[15]、TURAC[16]、SABER220[17]以及Nimbus 1800[18]，大多采用前部螺旋桨倾斜而后部螺旋桨不变的配置，部分型号还在后部配备固定或导管式螺旋桨。这种部分倾斜的设计限制了巡航时的空气动力学优化效果。此外，大多数现有倾转旋翼式无人机没有可折叠螺旋桨装置，导致前进飞行时空气阻力增大，进而降低了整体效率和飞行距离。即便有部分机型采用了可折叠螺旋桨技术，如NASA GL-10倾转翼无人机[7]和PteroDynamics X-P4 Transwing[19]，但这些方案也仅限于特定的设计类型（倾转翼或Transwing），并未与完整的三旋翼倾斜架构相结合。目前尚未有研究将可折叠螺旋桨与全旋翼倾斜技术结合起来。此外，现有研究也缺乏将空气动力学优化、结构分析以及快速原型制作方法整合在一起的统一设计框架。

基于上述缺陷，倾转旋翼式混合式垂直起降无人机领域还存在若干关键研究空白。首先，目前还没有任何研究将完整的全旋翼倾斜机制（所有螺旋桨均可倾斜）与可折叠螺旋桨系统整合到同一无人机设计中。其次，缺乏能够同时兼顾空气动力学优化、结构强度以及快速原型制作的系统性设计方法。第三，尚未通过高精度计算流体动力学分析定量评估全旋翼倾斜与可折叠螺旋桨组合所带来的空气动力学优势。第四，现有文献中也缺乏从概念性尺寸设计到详细空气动力学及结构分析的可靠、可重复的设计框架。

本文提出的倾转三旋翼无人机设计通过三项创新解决了这些问题：（1）全旋翼倾斜功能，使三个旋翼都可在垂直起降和前进飞行模式下倾斜，以优化推力方向；（2）专门设计的可折叠螺旋桨装置，旨在降低巡航时的空气阻力；（3）优化的机翼设计方法，进一步提升整体空气动力学性能，如图1所示。这种设计尤其适用于城市货物配送任务，因为在屋顶或小型场地等紧凑空间内，无人机需要能够垂直起降，同时又要以较高速度巡航以缩短配送时间。此外，这类垂直起降无人机在救援或应急任务中也非常有用，能够从缺乏跑道的偏远地点迅速出发，快速抵达目的地，之后自动返回。

本文描述的混合式垂直起降倾转三旋翼无人机的飞行模式主要包括垂直起降、过渡到前进飞行、旋翼倾斜、螺旋桨折叠、固定翼巡航、空中悬停以及其他状态。其任务流程如图2所示。虽然本文引言部分已经介绍了一些倾转旋翼式无人机的示例，但本研究在快速原型制作方法、空气动力学性能以及独特的倾转旋翼和可折叠螺旋桨机制方面取得了多项创新，旨在提升效率。本研究主要采用确定性建模方法（计算流体动力学和有限元分析），未进行推断性统计假设检验。

这种新型混合式垂直起降倾转三旋翼无人机的设计参数如表1所示。图3展示了该无人机的概念性3D模型和2D图纸布局。

本研究的目标如下：
1. 制定一种系统的倾转三旋翼混合式垂直起降无人机设计方法，涵盖概念性尺寸设计、空气动力学分析、结构验证以及推进系统选型。
2. 设计一种将全旋翼倾斜功能与可折叠螺旋桨装置相结合的新架构，以减少前进飞行时的阻力。
3. 通过高精度计算流体动力学模拟，评估该设计在提升升阻比方面的效果。
4. 利用有限元分析，验证该设计在典型空气动力载荷下的结构完整性。
5. 建立一种快速原型制作框架，便于将设计高效转化为可制造的实物原型。

本研究的主要贡献包括：
1. 新型无人机架构：提出了具有全旋翼倾斜功能（三个旋翼均可倾斜）且配备可折叠螺旋桨系统的倾转三旋翼无人机，突破了传统部分倾斜设计的方式。
2. 综合性多学科设计框架：开发了一种统一的design流程，将低精度优化（BOBYQA算法与3D面板法）、高精度计算流体动力学验证、结构有限元分析以及快速原型制作整合在一起。
3. 空气动力学效率提升：在模拟巡航条件下，证明了该设计相比传统固定螺旋桨和部分倾斜设计，升阻比有显著提升。
4. 快速原型制作集成：采用了成本较低、效率较高的3D打印技术（Bambu PLA Aero），缩短了从概念设计到实体验证的时间。
5. 可重复的设计方法：提供了完整的文档化设计流程，包括输入参数、假设条件以及仿真设置，便于其他研究人员复制和调整。

本文的结构安排如下：第2节介绍了总体设计方法，包括概念设计、初步尺寸确定、推进系统选型以及倾斜和折叠机构的设计。第3节详细阐述了利用计算流体动力学进行的空气动力学分析，包括模型简化、网格划分、计算参数设定，以及对四种无人机配置的对比分析。第4节介绍了利用有限元方法进行的结构分析，涉及材料选择、载荷与约束设置、应力分布以及变形结果。第5节对分析结果进行了深入讨论，解释了研究结论，将其与现有文献进行比较，并分析了该设计所涉及的工程意义及权衡因素。最后，第6节总结了本文的主要研究成果、核心贡献，指出了存在的局限性，并提出了未来的研究方向。

在明确了研究空白、理论依据和目标之后，下一节将详细介绍用于实现所提出的倾转三旋翼无人机设计的系统化方法。