小型固定翼无人机设计

本书共包括4部分内容：第一部分为固定翼无人机介绍 （主要是前言，无人机的介绍）；第二部分为飞机详细介绍（主要是机翼机身和尾翼，推进，机身航空电子设备及系统，起落架 的介绍）；第三部分为无人机设计（主要是设计流程工具选择，概念设计：初始约束分析，扩展的概念设计和示例，初步几何设计，初步气动和稳定性分析，初步结构分析，重量和重心控制，实验测试与验证，详细设计：构造显式设计几何 ）； 第四部分为制造和飞行（主要是加工制造，监管审批和文件，测试飞行和维护，经验教训）。

第一部分 固定翼无人机介绍



1 前言



1．1 外部来源组件



1．2 制造方法



1．3 DECODE项目



1．4 设计阶段划分



1．4．1 概念设计



1．4．2 初步设计



1．4．3 详细设计



1．4．4 生产定型设计



1．4．5 服役和退役设计



1．5 结论



2 无人机



2．1 无人机的简要分类



2．2 无人机的组成



2．2．1 升力面



2．2．2 控制面



2．2．3 机身和内部结构



2．2．4 推进系统



2．2．5 油箱



2．2．6 控制系统



2．2．7 载荷



2．2．8 起落架



2．3 主要设计指针



第二部分 飞机详细介绍



3 机翼



3．1 简单翼理论和气动外形



3．2 翼粱



3．3 蒙皮



3．4 翼肋



3．5 机身附件



3．6 副翼滚转控制



3．7 襟翼



3．8 翼尖



3．9 翼上可伸缩起落架



3．10 整体式油箱



4 机身和尾翼



4．1 主机身引擎舱结构



4．2 机翼附件



4．3 发动机和电机安装



4．4 航空电子托盘



4．5 载荷-摄像机安装



4．6 整体式油箱



4．7 装配机构和检查舱门



4．8 起落架附件



4．9 尾翼



5 推进



5．1 液体燃料IC发动机



5．1．1 电热塞式IC发动机



5．1．2 火花点火式IC发动机



5．1．3 IC发动机测试



5．2 稀土无刷电机



5．3 螺旋桨



5．4 发动机电机控制



5．5 燃油系统



5．6 电池和发电机



6 机身航空电子设备及系统



6．1 主控制发射机和接收机



6．2 航空电源供应



6．3 伺服系统



6．4 线路、总线和安装板



6．5 自动驾驶仪



6．6 载荷通信系统



6．7 辅助设备



6．8 弹性和冗余设计



7 起落架



7．1 轮胎



7．2 悬挂系统



7．3 转向机构



7．4 收缩系统



第三部分 无人机设计



8 设计流程



8．1 目标和约束



8．2 适航性



8．3 可能的故障模式



8．3．1 气动和稳定性故障



8．3．2 结构故障



8．3．3 发动机电机故障



8．3．4 控制系统故障



8．4 系统工程



8．4．1 任务分解结构



8．4．2 接口定义



8．4．3 责任分配



8．4．4 需求分解



8．4．5 合规测试



8．4．6 成本和重量管理



8．4．7 “检查表”设计



9 工具选择



9．1 几何 CAD



9．2 概念设计



9．3 操作模拟和任务规划



9．4 气动和结构分析



9．5 设计和决策考量



9．6 支持数据库



10 概念设计：初始约束分析



10．1 设计简介



10．1．1 制定一个好的设计概要



10．1．2 环境和任务



10．1．3 约束



10．2 机身拓扑



10．2．1 无人与有人的重思考拓扑



10．2．2 拓扑空间搜索



10．2．3 无人机概念的系统“发明”



10．2．4 概念设计管理过程



10．3 通过约束分析对机身和动力装置进行缩放



10．3．1 约束分析的作用



10．3．2 客户需求的影响



10．3．3 概念约束分析——一个推荐的计算实现



10．3．4 约束空间



10．4 参数约束分析报告



10．4．1 关于本文件



10．4．2 设计纲要



10．4．3 单位转换



10．4．4 基础几何和初始猜测



10．4．5 前期准备



10．4．6 初步计算



10．4．7 约束



10．5 组合约束图及其在设计过程中的地位



11 扩展的概念设计和示例



11．1 概念设计算法



11．2 范围



11．3 结构荷载计算



11．4 重量和CoG估计



11．5 纵向稳定性



11．6 功率和螺旋桨尺寸



11．7 结果设计：Decode - 1



11．8 更大的单引擎设计：Decode - 2



11．9 双牵引设计：SPOTTER



12 初步几何设计



12．1 初步的机身几何图形和CAD



12．2 采用AirCONICS 设计Decode - 1



13 初步气动和稳定性分析



13．1 面元法解算器 - XFoil和XFLR5



13．2 RANS解算器 - Fluent



13．2．1 网格，湍流模型选择，y+



13．3 二维翼型分析示例



13．4 三维翼型分析示例



13．5 简单机翼的3D模型



13．6 机身空气动力学示例



13．6．1 用XFLR5分析Decode -1的气动特性



13．6．2 用XFLR5分析Decode -1的控制面



13．6．3 用XFLR5分析Decode -1的稳定性



13．6．4 飞行模拟器



13．6．5 用Fluent分析Decode -1



14 初步结构分析



14．1 用AirCONICS进行结构建模



14．2 基于简单梁理论的结构分析



14．3 有限元分析(FEA)



14．3．1 FEA模型准备



14．3．2 FEA完整翼梁和桁架模型



14．3．3 FEA分析3D打印和纤维或泡沫镀聚酯薄膜部件



14．4 结构动力学和气动弹性



14．4．1 评估机翼发散，控制反转，和颤振开启速度



14．5 初步结构分析总结



15 重量和重心控制



15．1 重量控制



15．2 纵向重心控制



16 实验测试与验证



16．1 风洞测试



16．1．1 模型安装



16．1．2 校准



16．1．3 堵塞度



16．1．4 典型结果



16．2 机身负载试验



16．2．1 结构测试仪器



16．2．2 结构安装和加载



16．2．3 静态结构测试



16．2．4 动态结构测试



16．3 航空电子测试



17 详细设计：构造显式设计几何



17．1 几何的生成。



17．2 机身



17．3 无人机装配示例



17．3．1 手绘草图



17．3．2 主草图



17．4 3D打印零件



17．4．1 Decode -1： SLS尼龙翼梁桁架的参数几何图形的发展



17．4．2 方法



17．4．3 输入



17．4．4 部件分解



17．4．5 参数功能



17．4．6 更详细的模型



17．4．7 加工制造



17．5 机翼



17．5．1 机翼截面图



17．5．2 三维机翼



第四部分 制造和飞行



18 加工制造



18．1 外部采购部件



18．2 3D印刷



18．2．1 选择性激光烧结(SLS)



18．2．2 熔融沉积建模(FDM)



18．2．3 密封组件



18．3 热丝泡沫切割



18．3．1 纤维和聚酯薄膜泡沫喷镀



18．4 激光切割



18．5 绝缘套管



18．6 组装工艺



18．6．1 卡销和锁针



18．6．2 钳夹



18．6．3 常规螺栓和螺钉



18．7 存储和运输案例



19 监管审批和文件



19．1 航空管理局要求



19．2 系统描述



19．2．1 机身



19．2．2 性能



19．2．3 航空电子设备和地面控制系统。



19．2．4 验收飞行数据



19．3 操作手册



19．3．1 组织、团队角色和通信



19．3．2 简要技术说明



19．3．3 运行、条件和控制



19．3．4 操作区域和飞行计划



19．3．5 操作和紧急程序



19．3．6 维修程序



19．4 安全案例



19．4．1 风险评估程序



19．4．2 故障模式和影响



19．4．3 操作危害



19．4．4 事故列表



19．4．5 缓解列表



19．4．6 事故序列和减灾



19．5 飞行计划手册



20 测试飞行和维护



20．1 测试飞行计划



20．1．1 飞行包线探索



20．1．2 依据风险的测试飞行排序



20．1．3 飞行测试数据的检测和记录



20．1．4 飞行前检查和检查清单



20．1．5 大气条件



20．1．6 事故和事故应急计划、事故后安全、记录和事故现场管理



20．2 测试飞行示例



20．2．1 无人机系统性能飞行测试(手动模式)



20．2．2 无人机系统 CoG飞行测试(手动模式)



20．2．3 燃油消耗测试



20．2．4 发动机故障、怠速和节流变化测试



20．2．5 自主飞行控制



20．2．6 自主起飞测试



20．2．7 自主着陆测试



20．2．8 运行和安全飞行场景



20．3 维护



20．3．1 机身整体维护



20．3．2 时间和飞行过期项目



20．3．3 电池



20．3．4 飞行控制软件



20．3．5 维修记录保持



21 经验教训



21．1 出错的事例及原因



第五部分 附录、参考书目和索引



A 通用飞机设计流程图



B AirCONICS代码用于Decode-1飞机 示例



C 已运行（有人驾驶飞机）详细设计实例



C．1 第一阶段：概念草图



C．2 第二阶段：部件定义



C．3 第三阶段：飞行表面



C．4 第四阶段：其他条款



C．5 第五阶段：详细定义



参考文献



索引