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固定翼无人机结构分类

2023-05-16

一、固定翼无人机常见的气动布局

  1. 常规布局
    常规布局就是水平尾翼在主翼之后，有一个或者两个垂危的气动布局方式。这种布局技术最成熟，理论研究已经非常完善，生产技术也成熟而稳定，同其他气动布局相比各项性能比较均衡。只是由于均衡所以也没有特别出色的地方。
    另外根据水平尾翼相对于无人机位置的不同，也可分为以下三类
    (1) 上单翼
    上单翼指的是主翼安装位置在机身上方的结构
    如下图
    伊尔-76运输机
    上单翼多用于运输机，因为运输机需要足够大的内部空间，所以将机翼布置在机身上方，机身中没有了机翼的阻挡，会便于装载货物，同时，运输机没有民航客机那么好的停机条件，上单翼的设计也可以减少因为停机条件不好，而使机翼受到路面的沙石的伤害。另外，运输机经常需要重载，需要一个稳定的飞行姿态，在飞行的时候上单翼的设计更有利于保持机身的稳定性。但是上单翼的设计使得机翼距离地面的高度很大，导致起落架很难布局在机翼上，为了能够容纳起落架，机身就需要额外考虑全套的起落架舱的空间，起落架的主轮距受到机身宽度的严重影响，就需要有较大的横向支撑的外斜臂，这需要有较大的缓冲行程，避免着陆冲击对机身和起落架主要结构星辰过大的应力冲击。另一个负面影响来源于起落架设计在机身时受到一些结构尺度的影响，飞机腹部距离地面的距离有时会被提高，导致整个飞机高度的增加。
    (2) 中单翼
    中单翼指的是主翼安装位置在机身中部的结构
    如下图
    F-16
    很多战斗机使用了中单翼，但是民航使用中单翼的极少（如果不是没有的话），因为中单翼翼盒会直接穿过客舱，将客舱分为两段。虽然外面看只是机翼，但其实机身里面有个翼盒结构，是飞机主要受力部件。机翼的升力、机身的重力以及扭曲变形等都靠这个部位来承担。在地面上，主起落架也在这个位置，也就是说，不管在空中在地面，两边机翼和机身交叉的这个部位都是受力的部位。因为战斗机内部不需要装载货物或者运送人员，所以可以接受这种设计，但对于运输机和客机来说就十分不合理了。
    (3) 下单翼
    下单翼指的是主翼安装在机身下方的结构
    如下图
    波音747
    下单翼的设计常见于民航客机，这主要是考虑到了飞机的安全性、舒适性和经济型。使用下单翼的布局飞机的机翼结构更强，可以在飞行时提供更大的升力，操控性也好，另外飞机在飞行的时候发动机的声音是巨大的，而下单翼能够物理隔绝发动机调仓的噪音，减低传到座舱内的噪音。下单翼的设计同时更便于人们对发动机和机翼的维修。
    由于现代生活中多用单翼机，所以不再对双翼机和多翼机展开赘述。
    虽然双翼机和多翼机已经渐渐淡出大众的视野，但其设计也并非毫无参考价值。早期的飞机，由于没有好的发动机，结构、材料也很粗糙，所以飞机的飞行速度不快。而固定翼飞机恰恰是通过机翼上下空气流动产生的压力差提供向上的升力的。速度不足以提供向上升力时只好增大机翼面积。因此，过去双翼机甚至三翼机都比较常见。尽管现在由于航空发动机的改进和航空结构材料的改良，飞机速度得到了很大提高，双旋翼、多旋翼这种结构也不再被需要，但是任何事情都要分析具体条件，有一些飞机，比如农业上使用的用来灭虫、播种、咋林、除草等的多用途飞机必须要飞的慢、飞的稳，因此仍在使用双翼的结构。
    参考文章有
    http://www.360doc.com/content/17/0201/00/39482574_625710003.shtml
    https://www.zhihu.com/question/23970648?from=profile_question_card
    http://tieba.baidu.com/p/3381386171
    http://blog.sina.com.cn/s/blog_5355eac00102wtwc.html
  2. 鸭式布局
    鸭式布局就是主翼在后，在主翼前加一个小的机翼，叫做鸭翼。鸭式布局的飞机短距起降性能更强，因为它们在地速度状况下也能获得较高的升力。其在高速飞行中有更高的稳定性，机动性也比常规布局飞机更出色。其难点在于鸭翼位置的选择，以及大迎角俯仰力矩上仰的问题。因为鸭翼面积大，产生的大升力在重心之前，俯仰力矩在大迎角时上仰严重，由于无平尾，如何保证在大迎角具有足够的低头操纵力矩成为难题，有时在后机身加边条(如X-29)或限制放宽静安定余度；当推力矢量技术成熟后，该问题容易解决了。
    如下图
    歼20
  3. 无尾布局
    即没有水平尾翼，主翼在后起到水平尾翼的作用。无尾布局高速飞行性能优异，是最适合高速飞行的气动布局。其缺点是低速性能不好，影响到了飞机的低俗机动性能和起降能力。另外无尾布局只能依靠主翼控制飞行，所以稳定性也不理想。
    这里写图片描述
  4. 三翼面布局
    三翼面的布局类似于鸭式布局的飞机加上了平尾。不同于鸭式布局的是，其主翼前方的两个小翼是不可动的，只能产生涡流的作用，不能算作鸭翼。这种设计的优势在于操纵效率高，配平阻力小，迎角特性佳。缺点在于其在高速和小迎角时的阻力比正常布局大，稳定性变化幅度较大。
    苏30mki
  5. 后掠式布局
    后掠式布局的特点在于它们的主翼不是固定死的。通过液压系统的作用，主翼能够在一定的角度范围内进行活动。这样的设计有点在于飞机可以根据不同的任务需要选择更高的超音速性能或者更好的低速飞行表现。缺点在于其维护难度较大，后掠翼所依赖的液压系统十分精密复杂并且容易损坏。这类飞机的代表作有F-14雄猫Tomcat。
    F-14雄猫Tomcat
    参考文章：
    https://wenku.baidu.com/view/1e9f415d814d2b160b4e767f5acfa1c7aa0082eb.html
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