超轻型飞机结构设计

超轻型大载荷无人机的设计与实现作者：黄嘉豪陈子杰黄科超来源：《科技创新导报》2017年第32期摘要：本文以超轻型载重无人机作为研究重点。

分析行业研究文献与固定翼无人机行业，对固定翼无人机的结构展开多角度探讨，包括无人机材料、受力、装配方式等方面。

以“减轻每一克重量”为核心思想，使用高弹性轻质工程木质为主体材料，提出高韧性碳纤维复合材料和凯夫拉原丝复合材料进行缠扰补强的方案，设计一款翼展达3.1m，机身1.8m长，整机重量仅970g，电机拉力峰值达4.3kg，载荷比达到5以上的固定翼无人机。

该飞行器采用了S1223高升力翼型为飞机提供足够的升力。

经测试，该固定翼无人机飞行效率好、性价比高，给未来固定翼大载荷的无人机设计带来一个新方向。

关键词：无人机超轻型大载荷碳纤维复合材料凯夫拉复合材料中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0012-021 无人机轻型结构具体设计1.1 动力方面的设计第一步对各个参量进行设置，设载重量W1=6kg，空机质量Wa=1kg，按设计规定推重比一定要适当，预取推重比Kf=T/W1+Wa=0.4，知拉力T应保持在2.8～3kgf这个范围内。

常规翼型其升阻比最好保持在50以上，通常情况下这个参量不会考虑诱导阻力这方面的影响，但是却在这种高升力飞机上占比相当大。

除此之外，如果翼型精确度不高同样会使升阻比低于预计值。

就算是把对机翼有影响的所有阻力都考虑到，其他部位还是会构成阻力，比如机身下面水袋构成的压差阻力等。

还有一个要点必须注意：飞机不会一直处于平行飞行状态。

如果遇到下降气流这种情况，抛开其他因素和情况，只在爬升这个过程中就要借助巨大的升力，不然便不能达到起飞距离ld≤25m这个要求。

拉力产生的加速度，总加速度a=dv/dt，这里的Kd不是通过机翼参数算出来的，它是由方程计算，这里的代表阻力占重力之比，属于推重比中一个重要组成部分，估算得出大概为0.3，也就是说平飞油门保持75%（）。

“赖慈爱”(Lazair)加拿大超飞行销售有限公司概况“赖慈爱”是加拿大超飞行销售有限公司(Ultraflight Sales Ltd)研制的双发活塞式超轻型飞机。

1978年设计，同年11月原型首次试飞。

以成套零部件形式出售。

至1986年1月，销售量已超过1000套。

共出售三种型别：标准型Ⅲ型(和封闭式座舱的ⅢEC型)、供警察执行特种观察任务的SS型(也有封闭式座舱的EC型)和供娱乐用的高性能“精华”型。

“赖慈爱”还有一种主要用于教练的并列式双座型，编号“赖慈爱”Ⅱ。

1981年11月10日首次试飞。

首架“赖慈爱”Ⅱ于1984年1月在加拿大首次登记注册。

现已有多架生产型飞机在飞行。

机体(Ⅲ型)撑杆式上单翼。

机翼由铝合金D剖面前缘、泡沫塑料翼肋、上掠翼尖和Tedlar蒙皮等组成。

倒V型尾翼上有方向升降舵。

固定后三点式起落架。

WT-11“支奴干”(Chinook)伯德曼企业有限公司概况WT-11“支奴干”是加拿大伯德曼(Birdman)企业有限公司研制的单发活塞式超轻型飞机。

1982年设计，同年12月12日首次试飞。

1983 年3月开始批生产。

单座型有WT-11-277和WT-11-377两个型别。

以成套零、部件形式出售，有经验的制造者可在40～60工作小时内装配完毕，无经验的制造者也可在100工作小时内装配完毕。

已生产了数百架。

1983年10月15日试飞了前后座双座型“支奴干”2S。

双座型用于飞行训练、体育飞行和轻型运输等用途。

结构和单座型相似，但翼展加大，座舱加长12.7厘米，挂副油箱，装功率更大的发动机，加强了结构，配置两套操纵系统。

对于有经验和无经验的制造者，可分别在60～80和120～190工作小时内装配完毕.“蜜蜂”(Honeybee)-11北京航空航天大学概况“蜜蜂”-11是中国北京航空航天大学研制的多用途超轻型飞机，该机采用金属机翼、封闭式座舱、正常式尾翼、前三点固定式起落架。

发动机装在机翼后方，使用推进式螺旋桨。

飞机构造学作业超轻型飞机的设计主要包括总体外形设计，机翼设计，机身设计，尾翼设计，飞机的操纵系统，起落架设计，动力装置等。

一，轻型飞机总体外形设计：该轻型飞机是采用张臂式上双翼飞机，装有推进式螺旋桨，操纵系统由操纵杆控制，装有副翼和方向升降舵，飞行员座舱头部装有整流罩，能对飞行员起保护作用。

该飞机的结构设计采用定性的方法，并未做详细的定量计算。

二，机翼结构设计1，机翼的功用：机翼是飞机的一个重要部件，它的主要功用是产生升力，此外还使飞机具有一定的横测安定性和操纵性。

为了使机翼更好的完成它在空气动力方面的各种功效，常在它的前缘，后缘安装有襟翼，副翼，扰流片等各种副翼。

左图: 机翼上的集中载荷和分布载荷：q a—气动分布载荷; q c—质量分布载荷;R—机身支反力。

右图: 机翼在外载作用下的剪力,弯矩,扭矩图。

Q—机翼的剪力图； M—机翼的弯矩图；M t ---机翼的扭矩图。

2，机翼外形机翼外形对于飞机的气动性能和结构性能有重要的影响，因此选择合理的机翼平面形状是非常重要的。

该轻型飞机的机翼剖面形状是平凸翼型，结构简单，便与生产，而且气动特性比较好，所以在某些低速飞机上应用较多。

3，机翼的受力构件机翼的受力构件包括内部的骨架和外部的蒙皮以及与机身连接的接头，骨架由纵向元件和横向元件组成，纵向元件有翼梁，长桁,纵墙，横向元件有翼肋。

该轻型飞机采用的布局是：纵向元件包括翼梁，纵墙，横向元件是翼肋。

A，翼梁翼梁是飞机中的主要受力构件，它承受机翼的剪力和弯矩。

翼梁主要由上下缘条和腹板组成，缘条承受由弯矩而产生的拉，压轴向力；腹板承受剪切力。

本机型采用的翼梁构造形式是工字形，沿长度方向采用等强度设计。

腹板式翼梁的优点是在相同的高度和同等的重量的情况下，带有立柱加强而腹板上无任何开孔，其强度最大，这种结构的翼梁制造工艺简单，成本低，适用于轻型飞机的设计与制造。

B，纵墙它是一根缘条很弱或无缘条的腹板式翼梁，位于机翼后缘的纵墙可用来连接副翼和襟翼，它不能承受弯矩，主要用来承受剪力，并与蒙皮构成闭室结构承受机翼扭矩。

超轻型飞行器功能介绍与使用指南篇一：嘿，朋友！你知道超轻型飞行器吗？这玩意儿可太酷啦！想象一下，你像一只自由自在的鸟儿，翱翔在蓝天之上，俯瞰着大地的美景，那种感觉，是不是超级棒？没错，超轻型飞行器就能带你实现这样的梦想！先来说说超轻型飞行器的样子吧。

它不像大型客机那样庞大笨重，而是小巧灵活，就像一只灵动的小燕子。

有的超轻型飞行器有着色彩鲜艳的机身，像是一道划过天空的彩虹；有的则造型独特，仿佛是从科幻电影里飞出来的神奇道具。

超轻型飞行器的功能那可真是五花八门！它可以带你进行短途的观光旅行。

你想想，当别人还在地面上挤着大巴车，看着窗外拥堵的交通，你却在空中悠然自得地欣赏着美丽的风景，这差距，难道不大吗？比如说，你可以飞越山川湖泊，感受大自然的雄伟壮丽；也能俯瞰城市的繁华，看到那些平日里看不到的角落。

而且，超轻型飞行器还能用于一些特殊的工作呢！比如说，它可以进行航拍，拍摄出令人惊叹的画面。

就好像给大地来了一次全方位的“写真拍摄”，那效果，可比在地面上拿着相机拍强多了！那怎么使用这神奇的超轻型飞行器呢？这可得好好说道说道。

首先，你得经过专业的培训。

这可不是闹着玩的，就像开车得先考驾照一样，开超轻型飞行器也得有“飞行驾照”！培训的时候，教练会教你各种知识和技巧，从飞行器的结构到飞行的原理，从起飞的要领到降落的诀窍，一样都不能少。

准备起飞的时候，你的心情肯定既紧张又兴奋，就像第一次上台表演的孩子。

你要仔细检查各种设备，确保一切正常。

然后，启动引擎，感受那强大的动力。

在空中飞行的时候，你得时刻保持警惕，注意风向和气流的变化。

这就好比在湍急的河流中划船，稍有不慎，就可能偏离方向。

“哎呀，这超轻型飞行器听起来这么难操作，我能行吗？”朋友，别担心！只要你认真学习，严格按照规定操作，一定没问题的！我觉得啊，超轻型飞行器是人类向天空探索的又一伟大成果，它让我们普通人也有机会像鸟儿一样飞翔，去感受天空的辽阔和自由。

它不仅带给我们全新的体验，也为我们的生活和工作带来了更多的可能性。

超轻型水陆两栖飞机巡览作者：吴大卫来源：《航空世界》2012年第10期除了海事和海洋防务，水陆两栖飞机，尤其是超轻型水陆两栖飞机与老百姓最为亲近。

在私人飞机盛行和湿地资源丰富的国家和地区，超轻型水陆两栖飞机由于其成本低廉、使用方便以及充满奇特美感的外形普遍受到人们欢迎。

超轻型水陆两栖飞机的基本设计原理与大型水陆两栖飞机并无过多差别，但是由于其“超轻型”的特质，从而具备很多特殊的设计特点，这也将是本文要重点介绍的内容。

很多国家为了鼓励通用航空的自由发展，对私人或私营企业制造的小型飞机都不再要求通过严苛且代价巨大的专业适航审定，而是颁布了各种特殊适航许可(special airworthiness certificates)或设计标准，尤其对起飞重量仅几百千克的超轻型飞机更是给予了政策上相当大的宽容。

超轻型水陆两栖飞机的船身和浮筒需要满足水面航行和起降时应有的水密性、抗冲击性、稳定性等要求，但由于飞机重量所限，上述许可和标准往往还会有针对性的进一步放宽。

各国一般对超轻型飞机定义为单发、乘员总数在3个以内，但在重量界定上不尽相同，在失速速度限定上也有所区别：欧洲航空安全局(EASA)颁布的“甚轻型”(very light)飞机适航条例要求起飞重量在750千克以内；美国联邦航空条例(FAR)定义的轻型运动飞机(LSA)要求起飞重量在600千克以内，而水陆两栖飞机可放宽至650千克，这一数值也成为很多型号的设计最大起飞重量；澳大利亚民用航空条例对自制飞机的起飞重量规定不得超过544千克，同样对水陆两栖飞机放宽至614千克。

上述条例都规定飞机失速速度必须低于45节(83千米/小时)。

超轻型飞机最著名的设计标准是加拿大交通部颁布的DS-10141E，它对水陆两栖飞机起飞重量和失速速度的上限定为560千克和39节(72千米/小时)，我国民航总局也参考它制定了有关超轻型飞机适航审定的咨询通告。

上述条例规范中对超轻型飞机起飞重量和失速速度的限制导致设计出来的飞机必须具有较好的低速巡航和停车滑翔性能，事实上通过飞机总体设计参数的限定无形中降低了飞机驾驶的难度也提高了超轻型飞机的飞行安全性。

北京航空航天大学设计制造的蜜蜂系列轻型飞机目前一提起北航的轻型飞机你们想到和看到的就是蜜蜂-3C、蜜蜂-4、蜜蜂-11。

其实早在1978年底，当时的北京航空学院就开始了“蜜蜂一号”的设计工作。

1979年试飞成功，据资料记载，不是人来试飞的，而是遥控试飞的。

没有留下数据。

仅造了一架，目前存放在学校的博物馆里。

蜜蜂一号是三角骨架式伞翼机，它以半柔性的伞翼作为升力面。

基本数据：翼展：8.2米机长：3.7米机高：2.32米起飞重量：100公斤最大平飞速度：55公里/小时“蜜蜂二号” 1982年初开始研制，1982年夏季试飞成功，系新中国第一架载人超小型飞机。

获得1983年全国新产品“金龙杯”奖。

蜜蜂二号也是单座。

共生产了4架，一架作静力实验，一架用作样机，一架到美国展览并被美国人买走，一架目前在大学的博物馆。

蜜蜂二号采用张线支撑的高上单翼。

半封闭座舱。

主要骨架是航空铝管和钢管，外覆合成纤维布和航空棉布。

前轮有刹车，并可左右偏转40度。

动力装置最早采用一台西北工业大学的510型、30马力发动机，木质双叶定距桨，直径980毫米。

后来改为意大利KFM-107型发动机，26马力。

机上有必要的仪表-----磁罗盘、空速表、高度表，发动机转速表和汽缸头温度表。

基本数据：翼展：10米机长：5米机高：2.7米机翼面积：15.4平方米最大起飞重量：200公斤空机重量：95-100公斤最大平飞速度：65-75公里/小时失速速度：41公里/小时最大爬升率：1.7米/秒最小盘旋半径：30米航程：180公里（19升燃油）起飞滑跑距离：41米蜜蜂3C（Honeybee-3C）研制概况“蜜蜂”-3C飞机是中国北京航空航天大学研制的双座超轻型飞机，具有上单翼、半封闭座舱、正常式尾翼、前三点固定式起落架和三轴操纵系统。

该机装一台30.9千瓦(42马力)双缸二种程风冷式发动机，使用推进式螺旋桨。

主油箱容量25升，副油箱油量60升。

该机为多用途飞机，可用于农业灭虫、森林防护、空中摄影、航空测量、飞行训练等方面。

飞机结构详细讲解机翼机翼是飞机的重要部件之一，安装在机上。

其最主要作用是产生升力，同时也在机翼内布置弹药仓和油箱，在飞行中收藏起落架。

另外，在机翼上还安装有起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向纵的副翼，有的还在机翼前缘装有缝翼加升力的装置。

由于飞机是在空中飞行的，因此和一般的运输工具和机械相比，就有很大的不同。

的各个组成部分要求在能够满足结构强度和刚度的情况下尽可能轻，机翼自然也不外，加之机翼是产生升力的主要部件，而且许多飞机的发动机也安装在机翼上或机翼因此所承受的载荷就更大，这就需要机翼有很好的结构强度以承受这巨大的载荷，也要有很大的刚度保证机翼在巨大载荷的作用下不会过分变形。

机翼的基本受力构件包括纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头。

其中接头的作用是将上的载荷传递到机身上，而有些飞机整个就是一个大的飞翼，如B2隐形轰炸机则根就没有接头。

以下是典型的梁式机翼的结构。

一、纵向骨架机翼的纵向骨架由翼梁、纵樯和桁条等组成，所谓纵向是指沿翼展方向，它们都是沿翼展方向布置的。

* 翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。

翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成（如图所示）。

凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。

凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。

* 纵樯与翼梁十分相像，二者的区别在樯的凸缘很弱并且不与机身相连，其长时仅为翼展的一部分。

纵樯通常布置在的前后缘部分，与上下蒙皮相连，形成盒段，承受扭矩。

靠后缘的纵樯还可以襟翼和副翼。

* 桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。

二、横向骨架机翼的横向骨架主要是指翼肋，而翼肋又包括普通翼肋和加强翼肋，向是指垂直于翼展的方向，它们的安装方向一般都垂直于机翼前缘。

* 普通翼肋的作用是将纵向骨架和蒙皮连成一体，把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁，并保持翼剖面的形状。