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无人机系统设计
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无人机系统设计

作者：符长青曹兵李睿堃
出版社：清华大学出版社出版时间：2019-02-01
开本： 16开 页数： 188
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无人机系统设计 版权信息

无人机系统设计 本书特色

《无人机系统设计》取材来源于实践，取材新颖、内容丰富、概念清楚易懂，具有很强的可操作性。本书并不包括对繁琐数学公式的推导，而是侧重讲述无人机系统设计。本书适合作为无人机、飞机、直升机、航空工程、电子、自动化及相近专业等专业高职高专或本科教材，也可作为无人机、航空工程技术人员的参考书。 《无人机系统设计》取材来源于实践，取材新颖、内容丰富、概念清楚易懂，具有很强的可操作性。

无人机系统设计 内容简介

《无人机系统设计》系统而全面地介绍了无人机系统设计的主要内容和知识体系。全书共分6章，第1章概述，第2章无人机系统总体设计，第3章无人机飞行平台结构设计，第4章无人机飞控导航系统设计，第5章无人机任务规划和控制站，第6章无人机系统数据链路技术

无人机系统设计 目录

第1章概述
1.1与无人机相关的基础知识
1.1.1飞行器的基本概念
1.1.2无人机的定义和特点
1.2系统工程的基础知识
1.2.1系统工程的基本概念
1.2.2系统工程方法论的基本概念
1.3并行工程的基础知识
1.3.1并行工程的定义和背景
1.3.2并行工程的作用及其关键技术
1.4无人机系统的基本概念
1.4.1无人机系统的定义和组成
1.4.2无人机系统的分类
1.4.3国外典型的无人机系统案例
思考题1
第2章无人机系统总体设计
2.1无人机系统设计的基本概念
2.1.1无人机系统研制流程和设计的定义
2.1.2无人机系统设计的重要性和任务
2.2无人机系统生命周期管理
2.2.1无人机研制项目的生命周期
2.2.2无人机系统设计研制阶段的工作任务
2.3无人机系统客户需求分析和风险管理
2.3.1客户和客户需求的定义
2.3.2无人机研制项目客户需求分析报告
2.3.3无人机研制项目的风险管理
2.4无人机总体外形设计和总体结构
2.4.1无人机总体外形设计
2.4.2固定翼无人机的总体结构
2.4.3旋翼无人机的总体结构
2.5无人机总体参数的选择
2.5.1固定翼无人机总体参数的选择
2.5.2旋翼无人机总体参数的选择
思考题2
第3章无人机飞行平台结构设计
3.1无人机结构设计的基本概念
3.1.1无人机结构和结构设计的定义
3.1.2无人机结构设计的基本要求和结构材料
3.2无人机机身结构设计
3.2.1无人机机身承受的外载荷和受力特点
3.2.2无人机机身典型结构形式和传力分析
3.2.3无人机机身基本承力构件设计
3.3无人机起落装置结构设计
3.3.1无人机起飞升空方式
3.3.2无人机的着陆和回收方式
3.3.3无人机轮式起落架的配置形式
3.3.4无人机轮式起落架的基本组成
3.3.5无人机轮式起落架的结构设计
3.3.6旋翼无人机滑橇式起落架
3.4固定翼无人机机翼、尾翼结构设计
3.4.1固定翼无人机机翼的基本构造和外载
3.4.2固定翼无人机机翼的组成构件
3.4.3固定翼无人机机翼的结构形式
3.4.4固定翼无人机尾翼的结构设计
3.5旋翼无人机旋翼系统结构设计
3．5．1旋翼无人机旋翼桨毂结构形式
3．5．2旋翼无人机旋翼动力学特性
3．5．3旋翼无人机旋翼桨叶结构设计
3．5．4旋翼无人机尾桨结构设计
思考题3
第4章无人机飞行控制导航系统设计
4.1无人机自动飞行控制的基本概念
4．1．1无人机飞行品质和GNC技术的定义
4．1．2无人机飞行控制方式和原理
4．1．3无人机飞行控制系统的总体结构和分层结构
4.2无人机飞行控制导航系统设计
4．2．1无人机飞行控制导航系统的功能和设计要求
4．2．2无人机飞行控制导航系统的组成和特点
4．2．3无人机飞行控制导航系统设计
4.3无人机导航系统和机载传感器
4．3．1无人机导航系统
4．3．2无人机机载传感器
4．3．3无人机避障传感器
4.4无人机制导控制系统
4．4．1无人机制导控制系统的基本概念
4．4．2无人机飞行控制律设计
4．4．3无人机制导技术的类型
4．4．4无人机的伺服执行机构
4.5无人机开源飞行控制导航系统
4．5．1开源软件和开源硬件的基本概念
4．5．2无人机开源飞行控制导航系统的基本概念
4．5．3无人机开源飞行控制导航系统的类型和选择
思考题4
第5章无人机任务规划和控制站
5.1无人机任务规划的基本概念
5．1．1任务规划的定义和特点
5．1．2任务规划系统的定义和功能
5．1．3无人机任务规划系统的定义、功能、流程和特点5.2无人机任务规划方法
5．2．1传统优化算法
5．2．2智能优化算法
5.3无人机任务规划的数字地图技术
5．3．1数字地球的基本概念
5．3．2地理信息系统
5．3．3数字地图
5.4无人机地面控制站的基本概念
5．4．1无人机地面控制站的定义和功能要求
5．4．2无人机地面控制站系统的组成
5.5无人机地面控制站的分类、配置和转移运输
5．5．1无人机地面控制站的分类
5．5．2无人机地面控制站配置和转移运输
思考题5
第6章无人机系统数据链路技术
6.1无人机系统数据链路的基本概念
6．1．1无人机系统数据链路的定义和组成
6．1．2无人机系统数据链路的职能和类型
6.2数字通信和数字通信系统
6．2．1数字通信的定义和特点
6．2．2模数转换和数模转换
6．2．3数字通信系统的组成和传输媒介
6．2．4数字通信系统的性能指标、数据纠错方法和可用率
6.3数字通信的编码和调制解调技术
6．3．1数字通信的编码技术
6．3．2数字信号的调制解调技术
6．3．3数字信号主要的调制方式
6.4数字通信系统的同步技术与天线技术
6．4．1数字通信系统的同步技术
6．4．2数字通信系统的天线技术
思考题6
参考文献
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无人机系统设计 节选

　　第3章无人机飞行平台结构设计　　主要内容　　无人机结构设计的基本概念。　　无人机机身结构设计。　　无人机起落装置结构设计。　　固定翼无人机机翼、尾翼结构设计。　　旋翼无人机旋翼系统结构设计。　　3.1无人机结构设计的基本概念　　无人机飞行平台结构设计(以下简称无人机结构设计)是指运用传统有人航空器(飞机或直升机)结构设计的相关理论与技术方法，设计出满足总体设计方案要求的无人机，解决无人机性能与所执行任务特性、搭载载荷、飞行性能及结构强度要求之间的匹配性问题。　　3.1.1无人机结构和结构设计的定义　　1. 无人机结构的定义　　所谓“结构”指的是受力系统，是指能承受和传递载荷，并能保持足够强度和刚度的零部件总称。无人机结构是能够承受和传递载荷的受力系统，外载荷在结构中以内力的形式传递，并*终实现相互平衡。它是构成无人机系统的基础，其主要功能是承受和传递作用在它上面的各种载荷，维持一定的外部和内部形状，以满足无人机空气动力学、动力装置安装、结构静强度和疲劳强度、结构动力学、气动弹性力学、任务装载、飞行控制、生产工艺、使用维护和安全等各方面的要求，如图31所示。　　图31“全球鹰”无人机结构　　2. 无人机结构设计的定义　　无人机结构设计是指根据总体设计技术方案、总体布置图、结构外形三维视图、规定的载荷情况以及结构设计的原始条件，结合结构设计的基本要求，提出合理的设计方案以及进行具体细节考虑，设计出合乎使用要求且满足结构设计基本要求的飞行平台，为试制和批量生产提供全套的图纸和技术文件，以使生产单位能根据这些图纸和技术文件进行生产。　　结构打样图也就是部件或组件的结构设计草图。部件打样图需把部件的结构方案协调关系与装配关系确定下来。在结构打样阶段，常常还需要画一些协调图以明确重要部件、复杂部件的协调关系。结构打样图与协调图是不与生产单位见面的，它是设计员在进一步具体设计时所需要的中间过程图纸。　　零件图应表示出生产该零件所需的一切依据。装配图应表示出零件间(或构件间、组件间、部件间)的装配关系，在需要时还可辅以技术文件。零件图与装配图是生产图纸，供生产单位生产使用。　　3.1.2无人机结构设计的基本要求和结构材料　　1. 无人机结构设计的基本要求　　1) 空气动力学要求　　无人机结构设计要求与气动阻力、升力和力矩特性有关，对无人机的功率损失、飞行性能、操纵性和稳定性有很大的影响。无人机结构设计应使结构构造的外形满足规定的外形准确度要求和表面质量要求，尽量提高结构表面的光滑度。　　2) 强度、刚度和重量要求　　无人机结构设计应保证结构在承受各种规定载荷的状态下具有足够的强度和刚度，不产生不能容许的残余变形，以及避免出现不能容许的气动弹性问题与振动问题，具有足够的使用寿命等。但并不是要求强度和刚度越大越好，因为增大强度和刚度往往伴随着增加结构重量，从而影响无人机的飞行性能和有效载重，因此在满足一定的强度和刚度要求的前提下，应尽可能减轻结构重量。　　3) 结构动力学要求　　无人机结构设计要符合结构动力学要求，须采取措施控制和降低无人机结构部件在飞行过程中的振动水平。因为无人机由动部件产生的交变载荷会引起结构振动，这种振动会影响无人机的飞行使用并使结构产生疲劳，因此在结构设计中要注意通过结构调整合理地布置动部件的固有频率，并且采取特殊措施，如采用减振、吸振和隔振设计。　　4) 耐损性要求　　无人机结构的耐损性包括两种能力，即耐弹击损伤的能力和抗坠毁的能力。在无人机结构设计中，应使结构在被炮弹射中后引起空中起火、坠落或其他灾难性后果的可能性降至*低程度，并尽量提高无人机机载设备的耐冲击力，提高主要结构承力部件的抗坠毁能力。　　5) 使用维护要求　　为了确保无人机的各个部分，包括安装在机体内的电子设备、燃油系统等各个重要设备和系统，以及主要结构能安全可靠地工作，需要在规定的周期检查各个指定的地方，如发现损伤，则需要进行修理或更换，因此在结构上需要布置合理的分离面与各种开口。　　6) 工艺要求　　要求无人机结构的工艺性好，好加工、成本低等。工艺要求要结合产品的产量、机种、需求迫切性与加工条件等综合考虑。　　2. 无人机主要结构材料　　为了减轻结构质量，除了采用合理的结构形式以外，*有效的方法是选用强度高、刚度大、质量轻、耐高温、抗低温、疲劳/断裂特性好、加工性能良好以及价格低廉的材料。目前，飞机结构使用的主要材料有以下几类。　　(1) 铝合金。铝合金是在铝中加入铜、锌、镁、锂、硅等元素形成的合金，具有较高的强度和刚度、较轻的质量、工艺性能优良、成形方便、成本低等其他合金所不能比拟的优点，成为飞机的主要结构材料。　　(2) 镁合金。镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4，是实用金属中*轻的金属，具有高强度、高刚性的特点。镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金，特点是密度小(1.8g/cm3左右，约为铝的64%，钢的32%)，强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。由于镁合金很轻，具有良好的机械加工性，可广泛应用于无人机的非主要受力构件上，还可以用来制造起落架上的刹车轮毂。　　(3) 合金钢。合金钢是在普通碳素钢的基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。由于合金钢具有较高的强度，性能稳定，工艺简单，成本低廉，是制造承受大载荷的接头、起落架和主梁等构件*合适的材料。　　(4) 钛合金。钛的密度小(4.5g/cm3)，但其强度却接近于钢。钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金。钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛； 在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及组分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。用钛合金制造的结构可以明显地减轻结构质量。此外，钛合金具有良好的抗腐蚀性及超低温性能。钛合金的主要缺点是加工成形比较困难，成本也较高。　　(5) 复合材料。复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称为增强体，起粘结作用的材料称为基体。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料具有优异的性能，其密度低，强度和刚度高，抗疲劳性能、减震性能等较好，而且可以对其力学性能进行设计。　　(6) 化工材料。除了以上主要工程材料外，在航空结构中还采用了种类繁多的化工材料。例如用于连接不同部件的胶黏剂，用于制造座舱密封盖的聚碳酸酯玻璃，用于制造航空轮胎的各种橡胶，还有为了防腐蚀甚至增强隐身性能的涂料等。　　3.2无人机机身结构设计　　机身是无人机*重要的部件之一，它是整架无人机的躯干和受力基础，不仅要将无人机的其他部件，如机翼(或旋翼)、尾翼(或尾桨)及发动机等连接成一个整体，还要承受各连接部件传来的载荷，承受装载在机身内部的设备、任务载荷及本身的重力和惯性力。　　3.2.1无人机机身承受的外载荷和受力特点　　1. 无人机机身承受的外载荷　　机身的主要用途是支持和固定无人机的其他部件，并把它们连接成一个整体，使其成为能满足一定技术要求的无人机。作用在无人机机身上载荷主要由以下4部分组成：　　(1) 设备和任务装载引起的质量力。　　(2) 机身结构的质量力。　　(3) 各部件传来的集中力。　　(4) 作用在飞机机身上的空气动力。　　对于机身总体强度来说，第4部分不是主要的，一般不加考虑，但它对机身局部强度有时是很重要的。　　2. 无人机机身受力特点　　1) 固定翼无人机机身受力特点　　固定翼无人机机身内的设备和任务装载与机身结构本身都会产生质量力，其中尤以各种装载的质量力影响较大。沿轴线各点上的过载大小与方向不一定相同，故也会影响到质量力的大小与方向。质量力有的为集中力形式(如装载通过集中接头连到机身结构上时)，有的为分布力形式(如机身舱内载重的质量力)，如图32所示。　　图32固定翼无人机机身表面压力分布(对称情况)　　无人机其他部件传来的载荷主要指在飞行或起飞着陆滑跑中由机翼、平尾、垂尾或起落架上传来的载荷。若发动机安装在机身上，则还有发动机推力和陀螺效应产生的集中力。　　固定翼无人机机身上的全部载荷在机翼处得到平衡，因此可把机身看成是支持在机翼上的双支点(或多支点)外伸梁。根据各种设计情况下的载荷，机身会产生在垂直对称面内和水平面内的弯曲以及绕机身轴线的扭转，相应地在机身结构中引起两个平面内的剪力、弯矩和绕纵向轴的扭矩等内力。对于机身，垂直方向和水平方向的载荷为同一数量级，且机身结构在这两个方向上的尺度又相差不大，因此在机身结构分析时，两个方向上的载荷都要考虑。　　2) 旋翼无人机机身受力特点　　旋翼无人机机身上承受的各连接部件传来的载荷一般都是由连接接头以集中力的方式传给机身，在这些载荷中包括各部件的质量力和空气动力。例如，作用在旋翼轴上的旋翼、平尾和垂尾上的空气动力，以及旋翼、平尾、垂尾、自动倾斜器和主减速器等的质量力，都要通过主减速器架与机身的连接接头传递到机身上。这些外载荷主要包括旋翼拉力Ts、后向力Hs、侧向力Ss和反扭矩Mk，旋翼桨毂的俯仰力矩Mzhu和滚转力矩Mxhu，机身气动力矩MF和机身气动阻力QF，尾桨拉力TTR和反扭矩MkTR，平尾升力-YHT和阻力DHT，垂尾升力TVT和阻力DVT等。垂尾升力是旋翼无人机的侧向力，对航向配平和航向稳定性起重要作用,有时把垂尾作为机身的一部分，其空气动力不单独列出，如图33所示。在旋翼无人机着陆情况下，地面对起落架的撞击载荷与起落装置的质量力通过起落架连接接头传给机身，在飞行情况下则只有起落装置的质量力传给机身。　　图33旋翼无人机身外载荷分布　　计算机身的质量力时，一般只计算机身内部设备和任务装载以及机身结构本身的质量力，机身结构本身的质量力应按照机身结构的质量分布计算分布载荷。　　3.2.2无人机机身典型结构形式和传力分析　　1. 无人机机身典型结构形式　　无人机机身的具体结构虽然多种多样，但从结构承力形式来看大致可分为3类。　　1) 桁架结构　　桁架是一种由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，减轻自重和增大刚度。　　桁架通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。桁架的优点是结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。　　无人机桁架式机身骨架由钢材或铝合金制成，并且用实心杆件或管材做成撑杆，通过焊接、铆接或螺栓连接成为整体。小型无人机机身采用桁架结构的比较多，常用的桁架结构有普拉特式(N形桁架)和瓦伦式(W形桁架)两种，这两种形式都是围绕机身大梁搭建桁架结构，大梁作为承载扭曲和弯曲的主要部件。普拉特式桁架的机身大梁由横向和垂直钢管连接，通过对角连接件加强，钢管承受拉伸载荷，如图34(a)所示。瓦伦式桁架主要依靠对角件来承受拉伸和压缩载荷，如图34(b)所示。通常在桁架式结构外固定整形用的隔框、桁条和蒙皮，用于维持外形，减小机身阻力。桁架结构尽管强度重量比高，但制造花费高。　　图34桁架式结构　　2) 薄壁结构　　薄壁结构一般是由纵向结构元件(梁、桁条)和横向结构元件(隔框)组成的骨架，以及覆盖在它们外面并形成光滑表面的受力蒙皮相互连接而组成的空间结构。薄壁结构按承力形式可分为以下3种类型。　　(1) 桁梁式结构。桁梁式结构由大梁、桁条、蒙皮和隔框等铆接在一起，成为一个受力的整体。其中大梁较强，全机的弯曲、扭转、剪切载荷主要由大梁来承受； 桁条较弱，仅起支持蒙皮维持外形的作用； 蒙皮厚度很薄，刚度较小，蒙皮只以剪应力的形式承受和传递扭矩，几乎不参与承受和传递弯矩，另外蒙皮还承受由加强隔框传来的各部件的集中载荷； 隔框与桁条用来保持机身的外形，其中加强隔框还承受各部件传来的集中载荷，并分散给蒙皮，因此，加强隔框与蒙皮铆接在一起，如图35(a)所示。　　图35机身薄壁结构　　桁梁式结构形式的机身与桁架式机身相比，由于桁条和蒙皮参与了总体受力，材料利用较合理，抗扭刚度较大，内部容积利用较充分。此外，由于大梁较强，这种结构的机身便于开大舱口。显然，这对机身结构设计有着重要的意义。　　(2) 桁条式结构。桁条式结构又称半硬壳式结构，它没有大梁，蒙皮较厚，桁条较多、较粗，结构分段处的传力接头的布置也较分散，机身弯矩全部由蒙皮与桁条承受，其他受力与桁梁式机身相同，如图35(b)所示。桁条式结构的受力特点是： 桁条同时起到支持蒙皮和承受弯矩的作用，由于蒙皮较厚，刚度较大，它不仅以剪应力的形式承受和传递扭矩，而且还不同程度地与桁条一起以正应力的形式承受和传递弯矩。　　由于蒙皮和桁条的增强，桁条式机身易于保持外形，改善了机身的空气动力性能，并增大了机身的抗扭刚度。总之，桁条式结构材料的利用更为合理，结构受弯也不像桁梁式那样集中于几根大梁，而是分散在蒙皮和桁条上，故其生存力较强。但另一方面，正是由于这一特点，机身不便于开大舱口。　　(3) 硬壳式结构。硬壳式结构又称为蒙皮式结构。这种机身结构没有纵向骨梁(如桁条)，只有刚度较大的蒙皮和横向隔框，如图35(c)所示。蒙皮很厚，是主要的承力构件，它除了以剪应力的形式承受和传递剪力和扭矩外，还以正应力的形式承受和传递弯矩。硬壳式结构的优点是抗扭刚度很大，可以更好地保持机身结构外形，气动性能好，承受局部载荷能力强，由于承力构件分布均匀，因而生存力更强。其较为显著的缺点是结构重量较大，不易开大舱口。　　3) 复合材料夹层结构　　虽然无人机可采用多种不同的材料制造，但当前的发展趋势是使用复合材料。复合材料夹层结构由强度很高的面板和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面板承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接上下面板使之成为整体构件，让薄而强的面板在承担较高拉压应力时不发生屈曲，并将剪力从外面板传向内面板。　　近年来，复合材料日益广泛地应用于航空飞行器机翼和机身结构，与铝合金相比，它的比强度、比刚度高，可以大大减轻飞行器结构重量，而且破损安全性好，成形工艺简单，所以受到人们的普遍重视。例如，美国“全球鹰”固定翼无人机复合材料占结构重量的比例高达65%，大量轻质、高强度复合材料的应用是“全球鹰”固定翼无人机实现重量控制目标的关键。当前，随着复合材料技术的快速发展，出现了融合体结构、模块化结构、缠绕结构、三维多向编织结构、层压板加缝纫结构、复合材料智能结构和树脂传递模塑(RTM)技术制造结构等多种形式。常用典型的复合材料夹层板结构形式有薄壁式夹层结构、A型夹层结构和三层夹层结构。　　(1) 薄壁式夹层结构。这种夹层结构的机身蒙皮一般使用玻璃纤维布材料，如图36所示。对于有透波要求的蒙皮，其*佳厚度是相应入射角下介质材料的半波长的倍数。　　(2) A型夹层结构。这种夹层结构由两层比较致密的面板和一层较厚的低密度芯材组成，如图37(a)所示，这种结构具有较高的强度与重量比。面板一般是玻璃纤维布或石英布，芯材一般是泡沫、玻璃布或芳纶纸蜂窝。　　(3) 三层夹层结构。这种夹层结构具有两层外面板和一层中间面板，面板之间有两层芯材，如图37(b)所示。　　图36薄壁式复合材料蒙皮设计示例　　图37复合材料夹层结构　　2. 无人机机身结构的传力分析　　结构的传力分析是指当支承在某基础上的一个结构承受某种外载荷时，分析这些外载如何通过结构的各个构件传递给支承它的基础。在无人机的结构设计中，传力路线应尽量短而直接，以充分利用结构的承载能力，有效地减轻结构重量。无人机结构的绝大部分构件都是为了合理地传递载荷而布置的，因此为了设计出符合*小重量要求的满意的结构，必须首先弄清各种结构中载荷的传递规律。无人机的机翼(或旋翼)、尾翼(或尾桨)和起落架等部件的集中载荷*后都要传递到机身上，由机身提供支反力与之相平衡。　　无人机的机身结构由蒙皮、隔框、大梁和桁条等承力构件组成，各部件的集中载荷直接传递到机身的加强隔框上，由于加强隔框周缘是与蒙皮铆接在一起的，因此加强隔框沿铆缝把载荷以剪流的形式传给蒙皮，由蒙皮本身承受和传递全部剪力和扭矩，与此同时加强隔框将弯矩传递给大梁和桁条。　　1) 垂直载荷传力分析　　无人机机身加强隔框在承受垂直方向的对称载荷时，要沿垂直方向移动。大梁抵抗垂直方向变形的能力很小，不能有效地阻止隔框垂直移动； 而蒙皮(尤其是两侧蒙皮)抵抗垂直方向变形的能力较大，能有效地阻止隔框垂直移动。因此，蒙皮是支持加强隔框的主要承力构件。这时，加强隔框沿两边与蒙皮连接的铆缝把集中载荷以剪流的形式分散地传给蒙皮，蒙皮则产生反作用剪流来平衡加强隔框上的载荷。由于沿加强隔框周缘各部分蒙皮抵抗垂直方向变形的能力不同，周缘剪流的分布是不均匀的。机身两侧的蒙皮抵抗垂直方向变形的能力比上下蒙皮强，因此这个部位剪流较大。为了研究方便，可以认为作用在加强隔框平面内的垂直载荷完全传给了两侧蒙皮，并由它产生的反作用剪流来平衡。当加强隔框受到不对称垂直集中载荷作用时，可以把不对称集中载荷分解为对称和不对称两部分。不对称集中载荷部分相当于作用在加强隔框上的一个扭矩，加强隔框沿周缘的铆钉把扭矩以剪流的形式均匀地传给蒙皮，蒙皮则产生反作用剪流，形成对加强隔框中心的反力矩，使加强隔框平衡。　　2) 水平载荷传力分析　　作用于无人机机身加强隔框的水平载荷通常是不对称的，它对加强隔框的作用相当于一个作用于加强隔框中心处的力(即对机身的剪力)和一个对加强隔框中心的力矩(即对机身的扭矩)。无人机机身加强隔框传递作用于中心处的力的情况与传递垂直载荷相似，它同样是沿铆缝以剪流的形式将载荷分散地传给蒙皮的。但由于力的方向是水平的，所以，机身上下蒙皮截面上产生的剪流*大。　　无人机机身加强隔框承受扭矩时，要在自己的平面内旋转。蒙皮组成的合围框具有较大的抗扭刚度，它能通过铆钉来阻止加强隔框旋转。这样，加强隔框便沿周缘铆缝把扭矩以剪流的形式均匀地传给蒙皮，蒙皮则产生反作用剪流，形成对加强隔框中心的反力矩，使加强隔框平衡。无人机机身加强隔框承受水平载荷时，加强隔框周缘要同时产生两个剪流，即平衡力的剪流和平衡力矩的剪流。周缘各处的总剪流的大小就是这两个剪流的代数和。　　3.2.3无人机机身基本承力构件设计　　1. 无人机机身的蒙皮　　无人机机身蒙皮的作用是维持无人机外形，使之具有良好的空气动力特性。蒙皮直接与外界接触，受力复杂，所以不仅要求蒙皮材料强度高、塑性好，还要求表面光滑，有较高的抗蚀能力等。　　无人机机身蒙皮可以用板材、带纵向构件的壁板、蜂窝(或其他)夹芯壁板或整体壁板制成。对无人机机身来说，无论是沿纵向还是横向，蒙皮通过纵向或横向骨架元件，用三四排铆钉实行搭接式连接，因为采用这种连接方式时不再需要连接垫块，桁条在中间，两块搭接板的对接接头从桁条向两侧展开，如图38所示。这种连接方式的工艺性好，且便于进行检查，具有更高的耐久性。不过对于小型无人机，更适合采用对接的方法。　　图38板材蒙皮的对接方式　　2. 无人机机身的桁条和桁梁　　桁条式机身的桁条和蒙皮较强，受压稳定性好，弯矩引起的轴向拉、压载荷全部由上、下部的蒙皮和桁条组成的壁板承受。由于蒙皮加厚，改善了机身的空气动力性能，增大了机身结构的抗扭刚度，所以与桁梁式机身相比，它更适用于较高速固定翼无人机。此外，桁条式机身的蒙皮和桁条在结构受力中能够得到充分利用。但是，这种机身由于没有强有力的大梁，不宜开大的舱口，如果要开口，应必须在开口部位用专门构件加强。　　从构造形式上看，无人机机身桁条结构和桁梁结构都有简单式(从横剖面看，只有一个结构元件)和组合式(从横剖面看，有几个结构元件)两种类型，其中桁梁结构采用组合式较多。简单式桁条和桁梁一般采用标准的挤压和板弯型材，桁梁有时用专门的挤压型材。用作桁条和桁梁的挤压和板弯型材如图39所示。桁梁结构采用的组合式构型一般由两个(很少用3个)型材铆接而成，这便于对桁梁结构需要的一边进行加强。有时候则是因为工艺需要而采用组合式结构。　　图39组合式机身桁条和大梁的剖面图　　3. 无人机机身的隔框　　无人机机身隔框结构是机身的主要传力及承力结构，其结构通常主要由框缘、加强筋及腹板组成。框缘及加强筋是隔框的主要受力部位，在结构传力中起主导作用，腹板能够承受一定的面内剪力和正应力。同时，为了减轻结构重量，满足电缆敷设等要求，通常在隔框腹板上开出一些孔洞。从受力的观点来看，隔框分为普通隔框和加强隔框两类。　　1) 普通隔框　　无人机机身普通隔框结构的作用是保持机身外形，支持蒙皮，提高蒙皮的稳定性，以利于承受局部空气动力载荷。它所承受的载荷不大，一般采用板材分段弯制而成，其外缘形状与机身截面相似，内缘往往与机身内部布置相协调，这样内、外缘之间的距离是变化的。为了保证隔框的强度，内、外缘隔框都有翻边，另外，为了减轻重量，隔框的腹板上都有许多开孔。由于普通隔框的整体刚性较差，装配时通常将普通隔框的一部分与桁条和蒙皮先组成壁板，然后在部件装配和总装配时形成整体的隔框。　　2) 加强隔框　　加强隔框除了具有普通隔框保持气动外形的作用之外，主要功用是将装载的质量力和其他部件上的载荷经连接接头传递到机身结构上，将集中力加以分散，然后以剪流的形式传给机身蒙皮，所以它是一个在集中力和分布剪流作用下平衡的平面结构。与普通隔框相比，它的尺寸和重量都比较大。加强隔框的结构形式与机身外形、内部装载布置、集中力大小、性质以及支持它的机身结构的特点有密切关系。从受力形式上看，加强隔框基本分为环形框和腹板框两大类，如图310所示。　　……

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