1、榫卯结构三角支撑轻质薄板安全多旋翼 飞行器 徐知非 临沂第四中学 摘 要: 针对多旋翼飞行器训练中存在的飞行安全、设备昂贵、组装维修繁琐的状况, 受 中国木结构建筑的启发, 把中国最古老的柔性框架结构技术-榫卯结构三角 支撑用于现代飞行器制造, 发明出基于榫卯结构三角支撑、KT板式轻质薄板的 安全多旋翼飞行器。该飞行器主要包括机身、旋翼、位于机身中部的飞行控制模 块以及集成线束式的连接线。 机身由若干块轻质垂直结构板榫卯插接组成的框架, 在垂直结构板最外侧相交处的竖直方向设有旋翼。 和框架垂直面连接有固定用的 水平结构板, 水平结构板上以旋翼电机轴为圆心, 设有若干保护旋翼用略大于 旋翼直径的
2、圆形旋翼孔, 该孔既保护底部电源控制模块, 又增加机身整体强度, 旋翼安装在水平结构板的旋翼孔内, 有效地保证了设备和人身安全。 改进后的多 旋翼飞行器具有结构坚固、 安装简单、 安全可靠、 线路集成、 成本低廉的优点, 解 决了当今多旋翼飞行器结构复杂、安装繁琐、碳纤材质单一、维修成本昂贵和飞 行训练中人身及设备的安全问题。 适合多旋翼飞行培训教学使用, 具有广泛的推 广应用价值。 关键词: 多旋翼飞行器; 榫卯结构; 三角支撑; 轻质薄板集成化动力系统; 安全; 低成 本; XU Zhi-fei 1 项目背景 由于多旋翼飞行器的造价和技术的特殊性, 在航空学习培训过程中, 我们学生 更多接
3、触的是理论性知识, 很少亲手实践操作, 即使经过阶段培训后再进行实 际飞行, 也会出现摔机事故。 摔机后小则更换多处部件, 许多电路也需要重新整 理焊接, 大则飞行器报废。 因此, 飞行器的维修需要耗费教练和我们大量的时间 和精力, 还得花费一笔不小的开支。 有的学员因此产生心理阴影而惧怕飞行训练, 摔机现象很大程度上影响了飞行训练的效率和效果。 此外, 市面上的飞行器大都是旋翼外置、 碳纤杆式结构, 而我们在飞行训练时经 常有人围观, 一旦出现设备故障或操作不当, 可能会造成人身伤害。 为避免意外 伤害, 教练要花费大量精力去劝退人群并维持秩序, 而学员在训练中也提心吊 胆, 心理压力极大。
4、 2 设计目的 我们一直在思考, 是否可以设计出一架更加适合学习训练用的多旋翼飞行器?这 款飞行器既不用过多地考虑训练成本风险, 也不必担心飞行安全, 学员还可以 亲自动手组装, 并且成本低廉, 可以让更多的学生参与到这项科技含量较高的 活动中。 受中国传统木结构建筑和现代钢架结构的启发, 我们采用榫卯结构“以柔克 刚”的思维, 根据三角支撑的结构原理, 结合现代电子集成化技术, 设计出一 款榫卯结构三角支撑、电路线束集成化、轻质薄板的安全多旋翼飞行器。这款结 构坚固、安装简单、安全可靠、成本低廉的榫卯结构三角支撑轻质薄板的多旋翼 飞行器达到了预定的设计初衷和技术性能。 3 设计思路 现在市面
5、上的训练用多旋翼飞行器的都是金属连接件将碳纤板和碳纤管相结合 的杆式结构 (图1) , 这种结构的多旋翼飞行器具有高强度、重量轻的优点。旋 翼的驱动电机固定在碳纤管上可具备较高的抗震精度, 更有利于飞控的稳定性。 图1 市面上四旋翼飞行器结构形式 下载原图 但这种结构在组装、调试、维修等方面会给学员增加了技术难度, 很大程度上降 低了学习效率, 高昂的成本也让很多学员难以接收。 针对这一状况, 我们把多旋 翼飞行器不方便操作训练的情况归纳为以下四点: 1、技术含量较高, 供电电路需要焊接, 组装过程繁琐, 需使用专业安装工具和 校准仪器, 学员很难短时间内学会独立操作。 2、飞行时安全警戒级别
6、较高, 要时刻提防飞行器撞人或被旋翼意外砍伤等意外 发生。 3、现有的多旋翼飞行器不适合在室内进行飞行训练。 4、多旋翼飞行器的碳纤结构一旦损伤就只能进行更换, 无法修补或用其他材料 替代, 维修成本较高。 针对上述四点问题, 我们查阅了大量资料, 发现中国传统的榫卯结构建筑在抵 抗地震冲击力时, 采用的是”以柔克刚”的思维, 通过巧妙的构造, 以最小的 代价将强大的自然破坏力消弥至最小程度。 这给我们带来一系列启发, 可否采用 中国传统木结构建筑中的榫卯结构三角支撑的原理, 再借助现代化的电子集成 化技术和新型材质来实现我们的设计目的。 我们通过多次设计和试验, 制作出专门用于学习训练的榫卯
7、结构三角支撑轻质 薄板多旋翼飞行器。 该飞行器的机身是若干块轻质垂直结构板榫卯插接组成的框 架, 在垂直结构板最外侧相交处的竖直方向设有旋翼。 和框架垂直面连接有固定 用的水平结构板, 每个垂直结构板与水平结构板接触部分设有若干榫头, 水平 结构板上对应的设置有卯孔, 榫头与卯孔对应榫卯连接。 水平结构板上以旋翼电机轴为圆心, 设有若干保护旋翼用略大于旋翼直径的圆 形的旋翼孔, 这既保护底部的电源控制模块, 又增加机身整体强度。 旋翼安装在 水平结构板的旋翼孔内, 有效地保证了设备和人身安全。为增加稳定性和强度, 所述垂直结构板数量6, 相互之间或90交叉排列, 或90交叉排列, 组成 所述的
8、三角支撑框架结构。 为了进一步固定机身, 所述垂直结构板、水平结构板在最外侧相交均有伸出部, 且该伸出部末端上部与水平结构板上旋翼孔外沿面接触连接, 连接方式为伸出 部的榫头与旋翼孔外沿上的卯孔榫卯连接。 由于顶部受力较大, 为增加顶部强度, 所述水平结构板上设有与其形状相同、 增 加强度的上层水平结构板。 为尽可能减轻整体质量, 所述边板和支撑板下侧的棱 角部、上侧插合接触部均设有减重倒角;垂直结构板有若干不影响强度的减重圆 孔。 为便于固定电源控制模块, 所述支撑板的中间部分设有若干用于穿引电源线和 数据线的通孔 (图 2) 。 图2 下载原图 这种设计最大限度地提高了电机安装牢固性, 并
9、有效减少电机产生的共振。 动力 系统的旋翼采用内置结构, 既保护了飞行器旋翼, 又有效地避免旋翼伤人事件 的发生, 提高了飞行器的安全性。 控制系统全部采用电子集成化模块, 既避免组 装时的繁琐, 又可摔机后经简单整理调试再次使用。 制作材质上我们选用了航空 层板、轻木片、KT 板等多种轻质薄板, 切割成结构板用于机身的组装成型, 轻 质薄板极大降低了飞行器的制造和维修成本, 并方便学员组装。 4 研究过程 4.1 最初设想 当我们提出改进飞行器的设想后, 辅导老师给予我们很大的支持, 提供一架机 身损坏但电子设备完好的飞行器供我们试验。 我们尝试采用 PVC管取代原有损坏 的碳纤维管, 但经
10、讨论后该方案被否定。 原因为 PVC管具有一定的韧性, 电机安 装在上面会产生共振, 影响飞行性能。 并且 PVC管价格虽低, 但相对重量的强度 比碳纤维管要差很多, 即使PVC管能取代碳纤维管也仅是降低了成本, 训练安 全和实践维护存在的问题仍然得不到解决。 之后, 我们又想到在原有的飞行器旋 翼周围加上防护圈, 以保护设备和人身生安全。 防护圈只能安装在杆式结构的顶 端, 多次试验后无法达到足够的强度来保障飞行器的安全。 4.2 三角支撑 我们在一次参观临沂电视塔的活动中突然找到灵感, 巨大的钢铁电视塔是由无 数个三角支撑结构组成 (图3) , 我们是否可以使用较轻薄的板材取代碳纤材质,
11、采用三角支撑的结构来实现我们预期的设计目的。 实验证明, 轻质薄板虽然强度 较低, 但多片薄板以三角支撑的结构布局, 同样可以达到很高的强度。 于是, 我 们选择了一种价格低廉的装饰材料 KT板来设计制作机身。 图3 电视塔结构图示 下载原图 我们手绘设计图纸后, 又用CAD制图软件设计出飞行器的板材切割图, 用激光 切割机对KT板材进行下料切割。 切割好的 KT 板材按设计图纸用热熔胶粘接在一 起, 制作出飞行器机身框架 (图4) 。通过多次破坏性强度测试, 证实 KT板材 的三角支撑结构完全达到设计要求。 但由于找不到合适的粘接剂来替代使用量较 大的热熔胶, 我们制作的机身重量超出设计要求
12、。 图4 下载原图 4.3 榫卯结构 在设计之初, 榫卯结构已进入我们视野, 但没引起足够重视。 为解决超重问题时, 我们查阅大量资料, 深入了解了世界上历史最悠久、持续时间最长、技术成熟度 最高的结构体系-柔性的框架体系, 即榫卯结构。 可否用榫卯结构来连接这些 机身结构板, 以尽量减少热熔胶的使用量。 我们重新设计制作了机身三角支撑框架, 完全采用改进的榫卯结构。 这次机身组 装使用的热熔胶量减少了 2/3, 整体重量符合原设计要求。在多次破坏性强度试 验中发现, 榫卯结构的新机身其强度反而优于纯胶粘接结构 (图5.1 和图5.2) 。实践再次验证, 榫卯结构这个千年不衰的中国古代传统工艺
13、所包含的伟 大智慧。 图5.1 下载原图 图5.2 下载原图 4.4 集成线束 设计制造的机身达到预期设计目标, 针对飞行试验任务, 我们将电子设备安装 在定型的机身上发现控制系统电路复杂, 需要专业工具焊接组装 (图 6) , 我们 根据平常所学的电子集成化技术, 将电路线束集成化优化处理 (图 7) , 极大地 缩短组装时间和难度, 短短2分钟即可将飞控系统和动力系统连接在一起。 图6 原飞行器接线方式:供电线路专业焊接, 无法快速安装拆装 下载原图 图7 改进飞行器的接线方式:集成线束方式接线, 无需焊接2分钟内可完 成 下载原图 4.5 试飞发现 以往飞行都是按照飞控姿态感度的默认值进
14、行训练飞行 (图8) 。但因新型飞行 器的材料、重量、动力等因素的改变, 原始设定的默认感度值已无法满足飞控对 飞行器姿态的自身调整。 图8 原始飞行姿态感度数值 下载原图 图9.1 调试阶段部分调整感度数值截图 下载原图 图9.1 调试阶段部分调整感度数值截图 下载原图 图9.2 最终调试出最稳定的感度数值 下载原图 通过多次的感度数值调整并试飞 (图9.1和图 9.2) , 我们经过多架次起落飞行, 基本可以完成“四位悬停”和“自转一周”的六级水平动作。 在耐冲击测试中, 该飞行器通过以下项目:机体承重95kg;横向冲击10米每秒的 撞击试验;空载下的自由跌落试验:10次10 米高度跌落完
15、好, 10次 15米高度跌 落8次完好;标准载重时 10米自由跌落:6次完好;10次5米自由跌落:均完好; 抗扭曲测试:10kg扭曲力下完好。经过试验证明, 本发明的抗冲击性能够满足日 常训练需要。 多次试飞还发现这款飞行器存在抗风性较差的缺点, 原因是:为保证足够的强度, 飞行器的结构板宽度设计为 1200mm, 受风面积远远大于原有飞行器, 如果在无 风的室内飞行感觉不到异样, 但在有风天的室外飞行新手则很难适应。 针对这一 问题, 我们对设计图纸进行论证计算, 将结构板宽度减小 1/3后, 飞行器完全 能满足技术要求。我们再次对机身进行改进瘦身 (图10) 。瘦身后的飞行器总 重减掉10
16、0g, 抗风性提高 1/3。 图1 0 改进后飞行器结构板切割图 下载原图 瘦身后的飞行器在第二次试飞中表现良好, 抗风性优于第一次试飞。 在这次试飞 中, 我们在 2级风的室外做出了“10米高度水平直线”的五级水平动作 (图 11) 。 图1 1 多旋翼飞行器飞行认证等级略表 (参考) 下载原图 5 结果分析和结论 查阅国内相关文献资料, 尚未发现用轻质薄板制作的榫卯结构三角支撑多旋翼 飞行器, 属国内首创, 具有广泛的推广使用价值。其创新点总结如下: 1、机身的榫卯结构三角支撑, 能够保证足够的强度和精度, 实现简易、快速的 组装, 提高飞行器的制造和维修速度。 2、轻质薄板 (KT板、航
17、空层板、轻木片) 切割成的结构板, 用于机身的组装成 型, 降低了飞行器的制造和维修成本。 3、电子设备的电路线束集成化布设, 使得组装难度大大降低, 提高了学员的学 习效率。 4、和结构板一体的旋翼保护圈增强了安全防护性能, 飞行器可在室内进行飞行 训练, 不会发生人身伤害。 我们发明的榫卯结构三角支撑轻质薄板多旋翼飞行器, 可广泛用于学员飞行训 练使用。在此基础上, 我们将对该飞行器的抗风性、飞行精度和遥控远传等方面 进行深入探索研究, 并在改进结构的基础上, 加装起落架、 云台底座等设备, 进 一步完善该飞行器的使用功能。 参考文献 1飞行器结构学 (第2版) , 郦正勇, 北京航空航天大学出版社, 2010-4-1 2微型飞行器系统技术, 昂海松等著, 科学出版社, 2014-1-1 3结构材料学, 刘锦云, 哈尔滨工业大学, 2010年01月 4 模型世界 遥控技术, 刊号:977100880113518, 2013 年6月总第 218期, 多 旋翼飞行器 5中国古代建筑史, 刘敦桢, 中国建筑工业出版社, 2008年11 月