反扭矩舵结构设计方法

摘要

本发明属于飞行器结构设计领域，具体涉及一种反扭矩舵的结构设计方法。一种小型单桨涵道式无人机反扭矩舵结构设计方法，其特征是，它通过对发动机参数进行辨识和对反扭矩舵参数辨识，确定反扭矩舵结构设计，得到所需反扭矩舵舵面面积Sinv，根据无人机内部涵道面积，即可确定反扭矩舵的长和宽。经理论和实验论证，利用该方法可以较方便的设计出结构合理并满足实际应用的反扭矩舵，从而实现无人机扭矩的平衡。

主权项

1.一种反扭矩舵结构设计方法，其特征是：它包括以下步骤：第一步，对小型单桨涵道式无人机的发动机参数进行辨识：通过扭矩传感器测得发动机输出扭矩Q，且有$Q=K_Q(1-{\tan }^{-1}(r_{{\omega }_Z}^b,{\omega }_e{l}_p)){\omega }_e^2---\left(1.1\right)$其中，ω_e为发动机转速，利用角速度传感器测得；K_Q为发动机扭矩系数；为飞行器运动速度沿机体中轴线Z_b轴的投影；l_p为来流气动阻力矩的等效臂长；由于小型单桨涵道式无人机飞行速度慢，远小于ω_el_p，即因此将式1.1简化为：$Q=K_Q{\omega }_e^2---\left(1.2\right)$通过风速传感器测得螺旋桨滑流速度V_e，且有$V_e=K_{V_e}{\omega }_e---\left(1.3\right)$利用式1.2、1.3即可得到扭矩系数K_Q和滑流速度系数第二步，对反扭矩舵参数辨识小型单涵道无人机反扭矩舵需保证在尽量减小本身阻力的条件下实现无人机扭矩平衡，即τ_Z＝Q    （1.4）其中，τ_Z为反扭矩舵产生的控制力矩；对于绕一圆心等间距发散排列的反扭矩舵，两对称反扭矩舵的舵面压心距离为d_T，d_T即为两对反扭矩舵的舵面的合力臂长度；a片反扭矩舵舵片同时从垂直方向顺时针偏转最大角度c时，其产生的绕Z_b轴抑制无人机反转的反扭矩舵产生的控制力矩为${\tau }_Z=-\underset{i=1}{\overset{a}{\Sigma }}\frac{1}{2}{F}_L^{\mathrm{inv}}{d}_T=a\times \frac{1}{2}\rho S_{\mathrm{inv}}{V}_e^2(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\times c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\times d_T---\left(1.5\right)$其中，为气动升力；ρ为大气密度；S_inv为反扭矩舵有效面积；为升力系数；为零升力系数；选取一种翼型的舵片，且当反扭矩舵舵片同时偏转的最大角度c确定时，利用空气动力学计算软件Xfoil得到和第三步，确定反扭矩舵结构设计根据式1.2、1.4和1.5得到：$a\times \frac{1}{2}\rho S_{\mathrm{inv}}·K_{V_e}^2{\omega }_e^2·(C_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{inv}}\times c+C_{\mathrm{lf}0}^{\mathrm{inv}})\times d_T=K_Q{\omega }_e^2---\left(1.6\right)$式中各参数均已由参数辨识获得，因此，可由上式确定所需反扭矩舵面积S_inv，根据无人机内部涵道面积，确定反扭矩舵的长和宽。