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1、西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 1 / 109 无人运输机“白鸽” 项目方案 项目单位：西北工业大学 航空学院 01011201 班 项目成员：范中允、符旭阳、尚成 白任梓、吴习徽、赵林 项目时间：2015 年 4、5 月 方案撰写：2015 年 5、6 月 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 2 / 109 目录 1.引言 2.项目简介 3.信息检索及反馈 4.设计构思和选择 5.初始尺寸估算 6.性能估算 7.费用估算 8.权衡分析研究 9.初始类型说明 10.研究总结 11.附录 12.参考文献 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 3
2、/ 109 1.引言 目前，无人机领域既是尚未完善的新兴领域，又是一个蓬勃发展的行业。有很多行业在投资涉足无人机， 或需要无人机来完成一些之前不宜完成的任务。通过一段时间浅薄的了解， 我们了解到如今无人机的主要应用领域可概括为以下几个方面： （1）成像类。该类无人机主要用于提供空中有利角度的视频图像或照片图像及其他成像技术拍摄的空中图像。细分起来，有侦查类、测绘类、航拍类、巡逻类等无人机，如全球鹰等。 （2）攻击类。该类无人机一般同时具有成像类无人机的功能，并且能够对目标进行快速识别和精确打击，实现察打一体化。如翼龙、彩虹、捕食者系列、X-47B 等。 （3）喷洒类。该类无人机可以对特定区域进
3、行农药或化肥喷洒。但是喷洒类无人机主要用于农业领域，如植保无人机。但在救火、环保等领域应用较少。 （4）运输类。目前可见的该类无人机主要是以四旋翼为代表的，用于短距离运送快递等小物件，以机型少、范围小、重量轻为特点。 综合分析得知，现在无人机领域的空白较多，有些空白急需填补。我们在此仅对中短距离运输类无人机作一定的分析和设计，具体分析详见后文。 2.项目简介 2.1 项目背景 首先，民用运输及物流行业发展迅猛，公路运输、铁路运输、航空运输、水路运输等也凭借其各自优势主导物流运输行业的一部分。 在目前发展最为迅速的城际运输中，公路、铁路和航空形成“三国鼎立”的局势。但是，其劣势却严重制约各自发展
4、。公路运输，受路况影响大，即使利用高速公路速度也不高，运输燃油成本和人力成本也居高不下；铁路运输需要投入大量的基础设施建设，只能在既定的城市间运送，速度甚至低于公路运输。航空运输（目前主要是客机航班的机腹舱， 也有专运货机） 需要大型机场， 受天气影响最大， 运营成本起点最高，西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 4 / 109 亏本风险极高。其次，目前电子商务发展迅速，生鲜及贵重物品需要最快速、最安全的运输方式； 城际间商务合作增多， 重要文件及相关无法电子化资料的分享也日显紧迫；移植器官、熊猫血等关乎性命的公益行为，也迫切需要一种可以简单又迅速的运输方式实现而以上传统运输方式
5、不是满足不了现实需要， 就是会带来高昂的运营成本和过大的资源浪费。 在中长距离运输问题上，有人机可以较好的完成任务。而在中短距离上，使用有人机进行运输显得有点“杀鸡焉用牛刀”。 中短距离上（500km 以内），有人机巡航时间短，起飞着陆所消耗的燃油占总耗油量的比率高，所以表现出燃油不经济性。由于中短距离的覆盖面积小，运货量需求少， 那么人以及因人附加的飞机重量占运货量的比率就要高得多。倘若一次性运送 200kg 货物，而一名驾驶员就有 70kg 左右，加上为飞行员配套的各种设备，保守估计至少有 80kg，其重量为货物重量的 40。即运输过程中同时运输的不产生经济效益的重量比率大，有重量不经济性
6、。 并且一位飞行员一次性运送货物重量少，还需要支付高额薪水，具有人员不经济性。 中短途运输一般使用陆地交通工具，相对比较经济。但是汽车运输速度慢，受道路交通情况影响大， 导致送货速度反而未必赶得上航空长距离运输。这使得短距离急件运送的发展受到极大的障碍，并失去了一些潜在的急件用户。一些用户会担心快递速度慢，而选择亲自驾车运送。 综上所述，中短距离急件运输，是有人机和陆地交通运输共同的“鸡肋”，需要一种交通工具填补空缺。 我们认为， 无人运输机可以较好地完成这一部分的运输任务。无人运输机在这一中短距离运输任务上具有如下优势： （1）相比有人机具有重量经济性优势。可以省掉飞行员重量及因飞行员附加的
7、飞机设计重量，极大地提高运输重量比，减少空机重量比。 （2）相比有人机具有燃油经济性优势。由于中小型无人机耗油率低，再加上无用重量减轻，长期使用可以节省一大笔燃油费用。 （3）相比有人机具有基础设施建设经济性优势。中小型无人运输机不必建设或租用大型跑道，只需要一条车流量少、宽阔长直的公路，或者平坦开阔地。 （4）相比有人机更具灵活性。方便拆卸、维修、转运等。 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 5 / 109 （5）相比陆地交通工具具有速度优势。无人机比汽车飞行速度快约一倍，且飞行为近似直线，可节省大量时间。 2.2 任务特性 我们经过综合考虑，认为采用中小型无人固定翼运输机的
8、运输方案，将集以上运输优势为一体，又尽可能避免它们的劣势，并初步拟定任务特性： （1）以我国中东部相邻地级市作为运输节点，也可以在同等距离上跨海峡或山区； （2）可以在战时快速武装一个班，配齐一个班的各种火力配置； （3）可以根据客户需求，在飞机性能需求满足的条件下，定制标准时间运送； （4）无需建设新的基础设施用于起降，可以在公路起降。也可以在达到着陆质量的空旷平地进行起降； （5）采用北斗卫星导航和声波探路，进行完全的自动驾驶，可以在无人干预的情况下进行所有既定任务的执行； （6）可以沟通南海的大型主要岛礁； （7）采用主燃油仓与货仓一体化设计，燃油贮箱模块化分成等大小的部分，以便根据实际
9、需要灵活安排燃油容积和货物量。 由于目前现役和在研的无人机并没有专职于中短距离运输的型号，我们只有参考有效载荷接近任务特性的无人机。 2.3 基本设计要求 （1）设计有效载荷为 120kg； （2）航程要求至少 300km。 3.信息检索及反馈 由于国内外用于运载的无人机种类较少， 我们决定查找市场上已有的通用飞机及无人机的信息， 并进行综合比较， 从而可以大致估计我们所设计无人运输机的技术参数范围。 由于我们的飞机采用涡浆发动机， 所以在检索信息时全部集中在采用涡浆发动机的飞行器。下面列举各类飞机的代表： 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 6 / 109 3.1 通用飞机
10、信息检索的通用飞机都为小型载客飞机， 我们可将我们设计载物飞机与其对比，总结出参数的大概范围。 西锐 SR20/SR22 单发活塞式轻型个人飞机/公务机 SR20/SR22 是一种下单翼复合材料飞机，1990 年开始研制，其模型于 1994年在威斯康辛州的 Oshkosh 亮相，1995 年 3 月 31 日首飞，但直到 1999 年 3 月22 日才开始交付使用。SR20 交付了 601 架，SR22 交付了 1705 架。其结构特点为直线形下单翼，带小幅上反角，上翘式翼尖；单台泰莱达因大陆公司活塞发动机，二桨叶螺旋桨；后掠式曲线形垂直尾翼，背鳍，下置水平尾翼；固定前三点式起落架。 该型飞机
11、具体参数如下： 气动布局：平直翼 发动机数量：双发 飞行速度：亚音速 乘员：4 人 发动机：1大陆 io360-es 发动机 机长：7.9 米 翼展：10.8 米 机高：2.8 米 空重：965 千克 最大起飞重量：1,365 千克 最大飞行速度：296 千米每小时 最大航程：1,481 千米 塞斯纳 172“天鹰”单发活塞式轻型飞机 塞斯纳 172 最初是作为 170 机型的前三点式起落架发展型设计的，后来成为最成功的通用航空飞机。塞斯纳 172 是上单翼飞机，1955 年 6 月 12 日首飞，连续生产 30 年。各机型制造量如下：172 型 41091 架，175 型 2118 架。其结
12、构特点为斜撑杆式直形上单翼；单台大陆或莱卡明活塞发动机，二桨叶螺旋桨；后掠式垂直尾翼，背鳍，下置水平尾翼；固定或收放前三点式起落架(有些机型具有起落架轮整流罩)。 该型飞机具体参数如下： 气动布局：平直翼 机长：8.2 米 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 7 / 109 发动机数量：单发 飞行速度：亚音速 乘员：4 人 发动机：大陆或莱卡明活塞发动机 翼展：10.9 米 机高：2.6 米 空重：736 千克 最大起飞重量：1,113 千克 最大飞行速度：259 千米每小时 最大航程：1,554 千米 Robin HR100“王室”/“狩猎旅行”/R.1180 Aiglon
13、单发活塞式轻型飞机 HR.100 采用下单翼、全金属设计，具有带整流罩的固定前三点式起落架和能够容纳 4 人的密封舱。 HR.100 于 1969 年 4 月 3 日首飞， 1971 年投产。 与 Robin公司以前 Jodel 机型所不同的是，HR.100 机型放弃了传统的弯曲翼型。HR.100总共交付了 174 架。其结构特点为直线形下单翼；单台大陆或莱卡明发动机，二桨叶螺旋桨；后掠式垂直尾翼，下置水平尾翼；固定前三点式起落架。 该型飞机具体参数如下： 气动布局：平直翼 发动机数量：单发 飞行速度：亚音速 乘员：4 人 发动机：1Lycoming 机长：7.26 米 翼展：9.08 米 机
14、高：2.38 米 空重：650 千克 最大飞行速度：251 千米每小时 最大航程：1,625 千米 Robin DR400“小王子”/“海豚”/“少校”/“摄政王”单发活塞式轻型旅行飞机和教练机 DR 400“小王子”从 Jodel 尾轮(橇)式飞机发展而来，具有 Jodel 机型的机翼，并采用四座机舱和前三点式起落架。DR 400 于 1972 年 5 月 15 日首飞，随后发展成许多改进机型， 用于不同的用途， 目前旅行飞机和滑翔机拖航飞机仍在产。交付使用的 DR400 飞机超过 1700 架。其结构特点为直线形下单翼，梯形，外翼上翘；单台达信莱卡明发动机，二桨叶螺旋桨；后掠式垂直尾翼，下
15、置水平尾翼：固定前三点式起落架，带机轮整流罩；尾橇。 西北工业大学航空学院 无人运输机“白鸽” 项目方案 8 / 109 该型飞机具体参数如下： 气动布局：后掠翼 发动机数量：单发 飞行速度：亚音速 乘员：4 人 发动机： 一台 LycomingO-360-A3A 发动机 机长：7 米 翼展：8.7 米 机高：2.2 米 空重：600 千克 最大起飞重量：1,100 千克 最大飞行速度：260 千米每小时 最大航程：1,453 千米 3.2 无人机 目前的无人飞机多作军事用途， 我们在检索信息时亦用这些军事用途的无人飞机作参考。 先锋 RQ-2 无人机 1985 年美国取得它的生产权之后立即普及到陆、海军和陆战队中，“先锋”无人机为美海军及海军陆战队使用的无人空中侦察系统。主要用于侦察、目标搜索和战损评估等；海军“先锋”则使用舰载发射架，主要观测弹着点。美军在海湾战争中共出动“先锋”共 183 个架次，合计飞行时间 1083.1 小时
