无人机的襟翼和副翼 固定翼无人机的机翼和舵面

什么是固定翼

固定翼无人机，机翼外端后掠角可随速度自动或手动调整的机翼固定的一类无人机。某些无人机为了减少停放时占地面积，便于装运，其无人机机翼可以折叠或拆卸，在飞行之前进行组装，但飞行中机翼不能出现折叠动作的，仍属于固定翼无人机。

固定翼无人机是根据空气动力学原理来设计机翼的形状，靠动力装置产生推力或者拉力，使无人机获得一定速度后，会导致空气在飞机上下表面的压力不同，进而产生升力，其升力主要来源于固定的机翼。

固定翼无人机的主要组成部分

一般的固定翼无人机系统由五个主要部分组成：机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站。

1. 机体结构由可拆卸的模块化机体组成，既方便携带，又可以在短时间内完成组装、起飞。

2. 航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯、空电电池组成，完成飞机控制系统的需要。

3. 动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成，提供飞机飞行所需的动力。

4. 起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成，帮助飞机完成弹射起飞和伞降着陆。

5. 地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备，用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。

固定翼无人机的优缺点

1. 主要优点：

(1)飞行距离长，巡航面积大;

(2)飞行速度快;

(3)飞行高度高;

(4)可设置航线自动飞行;

(5)可设置回收点坐标自动降落。

2. 存在缺点：

(1)不能悬停获取连续某处影像；

(2)只能按照固定航线飞行不够灵活；

(3)操作难度较大，这也导致了高风险；

(4)上手难，一般需要专业培训；

(5)成本较高。

1、固定翼的组成部分

固定翼航空器平台即日常生活中提到的“飞机”，是指由动力装置产生前进的推力或者拉力，由机体上固定的机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。

尽管可以设计用于很多不同的目的，但大多数固定翼航空器平台还是有相同的主要结构。它的总体特性大部分由最初的设计目标确定。大部分飞机结构包含机身、机翼、尾翼、起落架和发动机等。

机身：机身的主要功能是装载设备、燃料和武器等，同时它是其他结构部件的安装基础，将尾翼、机翼、起落架等连成一个整体。固定翼无人机的机身通常由轻质材料如碳纤维、铝合金等制成。机身内部装有电池、电机、传感器等关键部件，同时还具有良好的气动性能。

机翼：机翼是固定翼飞行器产生升力的部件，机翼后缘有可操纵的活动面，一般靠外侧的叫作副翼，用于控制飞机机翼内部通常安装有油箱，军机机翼下面则可供挂载油箱和武器等附加设备。有些飞机的发动机和起落架也被安装在机翼下方。

尾翼：尾翼是用来配平、稳定和操纵固定翼飞行器飞行的部件，通常包括垂直尾翼（垂尾）和水平尾翼（平尾）两部分。垂直尾翼由固定的垂直安定面和安装在其后部的方向舵组成；水平尾翼由固定的水平安定面和安装在其后部的升降舵组成，一些型号的飞机升降舵由全动式水平尾翼代替。方向舵用于控制飞机的横向运动，升降舵用于控制飞机的纵向运动。

起落架：起落架是用来支撑飞行器停放、滑行。起飞和着陆滑跑的部件，一般由支柱、缓冲器、刹车装置、机轮和收放机构组成。陆上飞机的起落装置一般由减震支柱和机轮组成，此外还有专供水上飞机起降的带有浮筒装置的起落架和雪地起降作用的滑撬式起落架。

2、控制舵面

控制舵面是指在气流中利用偏转而产生平衡力和控制力来操纵飞行的气动翼面。

飞机飞行主操纵面包括副翼、升降舵(或全动平尾)和方向舵，分别控制飞机绕纵轴、横轴和立轴转动。飞行主操纵面安装于机翼和尾翼的后缘。它们偏转后改变了机翼、尾翼的气动特性，从而达到操纵飞机的目的。通常将飞行操纵面按功能分为主操纵面和辅助操纵面两大类。

水平方向：升降舵，就是平尾，负责控制飞机升降，

垂直方向：方向舵，一般在垂尾上面，负责控制飞机的航向，

倾斜方向：副翼，一般在飞机机翼末端，负责控制飞机倾斜。

2、控制舵面

a）简介

控制舵面是指在气流中利用偏转而产生平衡力和控制力来操纵飞行的气动翼面。

飞机飞行主操纵面包括副翼、升降舵(或全动平尾)和方向舵，分别控制飞机绕纵轴、横轴和立轴转动。飞行主操纵面安装于机翼和尾翼的后缘。它们偏转后改变了机翼、尾翼的气动特性，从而达到操纵飞机的目的。通常将飞行操纵面按功能分为主操纵面和辅助操纵面两大类。

水平方向：升降舵，就是平尾，负责控制飞机升降，

垂直方向：方向舵，一般在垂尾上面，负责控制飞机的航向，

倾斜方向：副翼，一般在飞机机翼末端，负责控制飞机倾斜。

b）升降舵（平尾）

升力作用在机翼上面，飞机的重心在升力的前面，升力与飞机力不在同一点上，如此一来会产生绕飞机重心的低头力矩，如果在机身后面无平尾，飞机根本不能稳定飞行。为了让飞机在飞行时不低头，必须有一个使飞机抬头的力矩，这样就在机身尾部安置一个平尾，产生下向的力，如同秤杆的秤砣，以产生使飞机抬头的力矩。飞机在飞行时，这个平尾翼产生一个小的负升力，向上的升力和向下的重力与负升力平衡，且对飞机重心总力矩为零，飞机就可以平稳飞行而不会低头。

设计飞机时，要合理地匹配尾翼的相对位置和面积。平尾面积大的虽然力臂短（机身短些），但负升力大。负升力大，一方面会使机翼的升力减少过大，使飞机的总升力不足；另一方面大的平尾面积，将产生大的平尾阻力。相反过小的平尾面积，力臂过大，导致机身过长，不便于起飞。所以飞机设计师一定要匹配好主翼和平翼的相对位置、面积的大小，使飞机在飞行中，在各种姿态下都能够较好的保持力矩平衡。

尾翼一般采用负迎角安装以产生负升力

作为一般规则，平尾不应该直接置于螺旋桨滑流区中。虽然实际上相当多的飞机把平尾置于滑流中，以提高起飞滑跑期间的升降舵效率，但是滑流通常会引起尾翼抖振，导致机体噪声和过早的结构疲劳。另外，迅速的功劳变化会引起大的配平变化。

采用对称翼型，或者对称翼型的修形（平尾在上、下两个方向均需提供升力）

c）方向舵（垂尾）

垂尾在机身后部处于螺旋桨滑流区之中，通常在起飞滑跑期间可提高方向舵的效率。

垂尾均采用对称翼型，这样才能保证飞机无侧滑时垂尾不产生偏航力矩。

c）副翼（ 扰流板）

机翼上的主横侧操纵面是指副翼和扰流板。这些操纵面应能实现快速的倾角变化，在规定的侧风值下无倾侧机动中维持机翼水平，以及在一台发动机故障或在定常侧滑以提供配平和机动能力。

扰流板有多种作用，作横向操纵时称为飞行扰流板；空中增加阻力时称为减速板（刹车板）；减少地面运动升力时称为地面扰流板（减升板）。

3、增升装置

为了实现飞机在不同飞行速度和姿态情况下的要求，设计上是在巡航状态下机翼形状的基础上，采用各种活动面措施，以达到增大升力的目的。这些增加升力的装置称为增升装置。

一般在起飞和着陆时使用，故通常属于低速空气动力学的范畴，设计条件为：

H=0 km，Ma=0.15-0.2

a）增加升力的方法

（1）增大机翼的有效面积（可通过增加机翼的弦长实现，在保持外型不变的情况下，增大机翼的面积）

（2）增加机翼的弯度（增加机翼的弯度，相当于增加环量）

（3）改善缝道的流动品质（通过缝隙流动，改善翼面上的边界层流动来延迟分离，提高失速迎角和最大升力系数）

（4）通过流动控制，达到动力增升的目的

b）增升装置分类

根据增升装置的位置不同，分为前缘增升装置和后缘增升装置

后缘增升装置

（1）简单襟翼（Plain Flap）

将原翼型的后缘部分作成活动的，然后适当下弯形成襟翼。

特点：通过襟翼下弯，增加机翼的弯度，提高翼型的零升迎角，从提高了升力系数。这种襟翼容易发生后缘分离，尾迹不稳定，在中等偏角下出现分离，升力增加不大，阻力增加较大。

（2）开裂襟翼（Split Flap）

这种襟翼是在原翼型后缘部分下翼面开列形成活动面。

原理：襟翼下偏，适当增大了弯度，更重要的是在襟翼和固定翼面之间形成低压区，造成翼型后缘上表面负压增大，从而增大升力，也增大了最大升力系数。

特点：结构简单，升力增加较大，阻力增加也大。

（3）单缝襟翼（Single Slotted Flap）

这种襟翼是用铰链轴略低于基本翼的弦线，通过襟翼下偏形成缝隙，当高速气流从缝隙中穿过，从而改变了襟翼上翼面区的边界层流动，延迟了襟翼面的分离，大大提高了整体翼型的最大升力系数。襟翼下偏角度可达到40度。增升效果十分明显。

特点：弯度增加、弦长略增大、缝隙流延迟了后缘的分离。

（4）富勒襟翼（Fowler Flap）

这种襟翼是将翼型的后缘下部分作成活动的面，在襟翼偏转时同时后退形成的。

原理：除具有单缝襟翼的气动特点外，还增大了翼型的弦长，增大了机翼的有效面积，比单缝襟翼升力增大更大。是现代大型民用飞机广泛采用的一种后缘增升装置。

（5）双缝襟翼（Double Slotted Flap ）

主要存在两种襟翼

一种是导流片与主襟翼的双缝襟翼，另一种是主襟翼与后襟翼组成的双缝襟翼。

导流片的作用是：通过导流片形成双缝道，对主翼和襟翼的边界层起双重控制作用，对延迟气流分离起到更大的作用(Vane\Main Double Slotted Flap )

后一种形式是在主襟翼后缘做一个襟翼舱，其后安装一个常规的后襟翼。这种双缝翼与前一种相比在缝道流动控制和增大有效面积方面更为明显(Main\Aft Double Slotted Flap)

增大机翼弯度；增大机翼的有效面积；利用高速缝道流动控制翼面分离，提高最大升力系数。由于双缝襟翼的增升效果明显，在现代大型客机中普遍采用。对于带导流片双缝襟翼，起飞时通常采用单缝状态，此时升力不是最大，但升阻比较大；着陆时双缝全部打开，偏角最大，升力最大，阻力最大，这对减小接地速度和滑跑距离是有利的。

（6）三缝襟翼（Triple Slotted Flap）

这种襟翼组成部分是：主翼、导流片、主襟翼、后襟翼。相当于在后一种双缝的基础上增加了导流片而形成的。

这种襟翼在弯度增大、有效面积增大、缝道流控制方面更加有效，因此增升效果更好。缺点是结构复杂。使用范围远不如单缝翼和双缝翼。

各种后缘增升装置的剖面升力曲线

前缘增升装置

（1）前缘襟翼（Plain Leading edge Flap）

这种襟翼是指前缘无缝道的简单式前缘襟翼（Plain Leading edge Flap）。当前缘襟翼下偏时，除襟翼与主翼外，还有一个过渡段，称为关节段。头部弯度增大，增加了前缘吸力峰值（弯度增大），使得临界迎角增大，增大了最大升力系数。

（2）机翼前缘下垂（Dropped Leading edge）

机理与前缘襟翼是相同的。不过，前缘下垂是固定的，不能随飞行状态的变化而改变外形。因此，它要受到其他飞行状态（如高速飞行）的前缘修饰。

（3）前缘缝翼（Slat）

前缘缝翼是前伸到翼型之前的辅助翼型。它用以帮助气流在高升力状态平滑地（无分离）绕过前缘。在中、小升力系数下，前伸和下垂的前缘缝翼是不需要的。因为在此情况下，由于气流从上翼面分离，阻力系数高达0.1，约是干净机翼阻力系数十倍的量级。因此，为了具有良好的飞机性能，前缘缝翼必须是可收起的或自动收敛的。

常用的前缘缝翼有两个偏角，即巡航、起飞和着陆三个位置。还有可变更多位置的前缘缝线翼，在整个飞行过程中，随飞行状态的改变而不断改变前缘缝线翼的位置，使翼剖面的几何形状（弯度）不断调整，把飞机设计成在整个飞行范围内都具有最佳的机翼外行，在机翼上产生接近最佳状态的压力分布，从而使得飞机在各种状态下都得到最佳的性能——这就是机翼的可变弯度概念。

前缘缝翼偏转产生较大的升力增量，失速迎角大，失速特性好。结构重量上，它可做成封闭的扭力盒，受力形式合理，所以比克******襟翼为轻。其次是缝翼的铰链力矩小，动作操作系统也简单。

（4）克******襟翼（ Krueger Flap ）

按其运动机构的形式分为“上蒙皮延伸式克******襟翼”和“沿前缘旋转式克******襟翼”。

按襟翼本身的外形可以有平伸形克******襟翼和弯曲形克******襟翼。

增升装置形式的选择与飞机的起飞和着陆特性要求密切相关。

1）对翼载发生很大变化的飞机，比较紧张的是起飞阶段，因为起飞翼载很大，单位载荷要求的升力就很大，而着陆的翼载要比起飞时小得多（燃油重量的减小），升力较容易满足（军用飞机）

2）对翼载变化较小且有较大功率（或推力）动力装置的飞机来说，比较紧张的是着陆阶段，因为着陆时翼载还很大，起飞阶段在很大程度上因为相当大的动力而容易实施（民用飞机）

尾翼

尾翼结构设计对全机的气动弹性品质及疲劳断裂性有很大的影响，直接影响着飞机性能的优劣。本文将详细讲述常见的八种尾翼结构布局，这之中有的在大型军用机及民用客机上应用，有的已成为行业应用无人机身上的主流尾翼布局形式，文章详细罗列了以上布局各自的优点及设计难点，以供大家了解参考。

一、常规型尾翼（倒T型/梯型尾翼）

优点：

1.这种构造拥有很高的结构稳定性与可靠度

2.在制作与飞行调整上比较容易判断误差以利修正

难点：

因为主翼与水平尾翼若在同一水平线上，则水平尾翼的舵面表现较易受到流经主翼气流的干扰，因此此种飞机在设计时设计人员会尽量避免将两翼设计在同一水平线上。

二、T型尾翼

常见应用于许多大型军用运输机和尾吊式发动机布局（即发动机在尾部）的民用客机。

优点：

1.避开机翼尾流干扰，提高了平尾操纵效率。T型尾翼布局将平尾抬高，避开了机翼尾流的干扰，使其操纵效率提高，因此我们可以减小平尾的面积，从而减轻结构重量。

2.便于机身后部开口。由于平尾位置靠上，所以方便后机身开口，便于货物装卸，所以T形布局常适用于大型军用运输机。

难点：

此设计对于机身尾部结构材料的强度有很高要求，在不造成机尾重量增加的情况下，满足上述需求对材料与设计的要求非常严苛。

三、十字型尾翼

十字型尾翼是一款介于常规式尾翼布局和T型尾翼的一款尾翼，相对于常规布局尾翼飞机，其平尾避开了机翼以及螺旋桨对后方气流的影响，减少振颤。相对于T型尾翼则不需要过大的结构强度去满足稳定性，在飞机失速时也可以减弱机翼后方的扰流导致的平尾失效。

优点：

1.避开了机翼后方以及螺旋桨的气流影响，减小平尾的振颤；

2.相对于T型尾翼减轻了结构重量；

3.飞机在失速时，避开了机翼产生的扰流，避免平尾失效；

难点：

相对于T型尾翼，由于没有端板效应，导致垂尾面积增大；

方向舵和升降舵的转动可能受到影响，设计时必须着重考虑

四、V型尾翼

V型尾翼无人机是一种比较典型的固定翼无人机的结构形式。这种形式，降低了结构的重量，同时保证了无人机的气动性能和操作性能。拥有了T型和常规型尾翼两种翼形大部分的优点

优点：

V型尾翼同时兼有垂尾和平尾的功能，能同时起纵向和航向稳定作用，当两边舵面向相同方向偏转时，起升降舵的作用；相反的，向不同方向偏转时，则起方向舵作用，因此V尾翼大仰角可控性很好，隐身性能得到提升。

难点：

需要精准度的支持。在特殊的高要求的飞行中,更需要绝对的制作精准度与调试的正确观念与方法，但也唯有V尾才能应付这样的苛刻需求。

五、除了上面的正V型尾翼，还有倒V型尾翼设计

一般，倒V型尾翼设计是为减轻整机的结构重量也可以作为起落架实用。但倒V尾翼（起落架）会造成飞机降落下滑角很大，仰角没法提高，降落不容易减速和控制。

在气动外形上，倒V和正V在空中飞行时完全一样，没有不同。

六、双尾撑式布局

优点：

双尾撑布局结构支撑较好，对长航时无人机可实现较大的翼展设计，同时可适合布置尾推的螺旋桨动力装置。

难点：

与普通气动布局相比，双尾撑结构重量更大，阻力大，操作系统更复杂，敏捷度降低。但从整体考虑，双尾撑也有着突出优势，它让翼展拥有更大的设计空间，也提供了更大的机内燃油空间。

七、单立尾

立尾，又称垂尾，安装在机身后部，其功能与水平尾翼类似，也是用来保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行姿态。

单立尾结构的飞机只有一片垂直尾翼，适合单发且机身后部接近圆形的飞机，气动性较好，但隐身性能较差

八、双立尾

双立尾是指有两个立尾的飞机。双立尾结构适合尾部较宽，垂尾间不利干扰小的飞机。

优点：

1，双立尾最主要是提高大攻角时的机动性，单立尾在大攻角时因机身阻挡气流受干扰，会减弱和失掉机动操控能力，所以单立尾布局多采用腹鳍补救；双立尾在大攻角时则可避开机身干扰，因而可获得较好的大迎角机动能力。

2.同时双立尾可以提高操纵力矩，也就是在同样操纵力矩的情况下可以降低立尾的高度

难点：

由于多了一套空气动力平面，双立尾之间的互相干扰，以及双立尾与其他翼面的相互作用就比较复杂，同时由于多了一套操纵机构，重量和复杂性都有相应的增加。因此对于起飞重量不大，或者可以采取其他措施来提高水平机动性的，未必采用双立尾。

本文整理自:

《一篇搞懂，主流飞机尾翼设计布局优缺点？》百度号三十度说

《飞机空气动力学 | 控制舵面与增升装置介绍》知乎 阑珊离索

《比“弹簧刀”厉害？凤凰幽灵无人机，飞行6小时，可打击多种目标》 霹雳火军事

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