西安航空学院
本科毕业设计（论文）外文翻译
题 目：学生姓名：院 （系）：专业班级：指导教师：完成时间：__高精度低空三维倾斜摄影测量___
_ _无人机的设计____________
___________梁策________________ ________飞行器学院_____________ _____飞行器制造1603班_________ __________吕晓军_______________ ______2016年3月15日__________
文献名称（Unmanned Aircraft Systems UVAS Design, Development and Deployment ） 文献中文名称（无人机系统的设计、开发和应用） 作者： Reg Austin
起止页码：91页～112页 127页～136页
出版日期（期刊号）：2010 ISBN (978-7-118-08093-3) 出版单位：A John Wiley and Sons, Ltd., Publication
Unmanned Aircraft Systems UVAS Design, Development and Deployment 纲要：无人机系统的特性介绍贯穿全书，这些特性是很多要素及其保障规程的结合、
尽管飞机系统只是无人机系统的一个组成部分，但它在很大程度上对无人机系统其他部分提出了要求。这本书利用多学科的详细工程知识，如空气动力学，电子学，经济学，材料，结构，热力学等，在阐述ML航空公司负责的一些固定翼和旋翼飞机项目以及它们所完成的机载任务（航拍任务，光电成像任务等）上，有一定的理论实践经验。
本文将着重阐述无人机系统的组成，设计标准，系统开发测试，结构机体设计，可靠性设计等方面。在应用方面，着重阐述航拍（光电成像技术）的稳定性（即精度）的设计要求。
1.无人机机体设计（文献第6章）
无人机系统设计，尤其是空中部分与有人机一样有相似目标，即达到所要求的性能，并具有完整性和可靠性，食全寿命费用（即最初的采购费用加上使用费用）最低。因此，设计研制的程序步骤基本相似，总体上使用类似的技术。但是两者之间存在差异，主要体现在：
（1） 电子飞行控制系统更轻，需要的空间更小；无人机的电子飞行控制系统能
够接受遥控指令；按照预先规划的飞行剖获资助的进行飞行控制。 （2） 无人机主要携带侦察任务载荷，而不是较重的武器、乘客或货物等载荷。 （3） 小的结构和机械装置具有明显的尺度效应优势，如果将该特点应用与无人
机设计中，可以设计出更轻的飞机。
1.1尺度效应
迄今为止，无人机相对于有人机来说重量更轻一些，相关情况如图6.1所示。 根据起飞总重量（AUM），有人急大小变化从最小的340kg的Titan Tornado单座飞机，到590000kg的空客A380和640000kg的安特诺夫·安225。
无人机系统中的飞机具有较小的重量，从6kg的Raphael Skylight 飞机到
12000kg的诺斯罗普·格鲁曼的“全球鹰”无人机（见第4章）。根据重量，最小的固定翼无人机比相应的最小的有人机要请两个数量级。
旋翼飞机也有类似的情况，有人旋翼飞机的质量从623kg的Robinson R22 到97000kg的米12直升机；对应的无人旋翼飞机，其重量变化从EADS Scorio 的20kg的到Schiebel Camcopter的200kg。
图6.1也给出了较重的无人直升机，它是最早的无人直升机。Gyrodyne DASH海军无人机（途中没有给出）重达1430kg。但是，后两种无人直升机，最初的设计是为了搭载乘客，后来改造成无人机，用于携带轻型武器。
图中也没有包括总起飞重量为1364kg的Bell Aerosystens公司的“鹰眼“无人机（见4.2.2节和图4.14），它是一种倾转旋翼机布局。就重量而言，飞机为了获得垂直和水平飞行能力，额外承载了一些设备。
可以看出，与固定翼无人机一样，最轻的无人直升飞机相对于有人直升飞机而言，也轻两个数量级。但是，与固定疑问及不同，最重的无人直升机也无法与有人直升机重量相比。
当然，还有更轻的固定翼和旋翼无人机在开发中，重量可达0.5kg甚至更轻。但是，必须关注如此轻型飞机带来的尺度效应，因为他们采用了与主流飞机不一样的的技术与结构布局。例如一些微型无人机（MAV）使用柔韧的薄膜机翼。
一般情况下，在无人机设计中，可以通过使用“弗鲁德比效应”原理来确定不同尺寸大小飞机的效果。
弗鲁德比效应
例如，观察者可以比较大象和老鼠或者天鹅和鹪鹩，魅族动物之间具有相同的基本构造和运动器官。但是，叫小动物的肢体或翅膀运动频率要大得多，大动物的骨骼密度要比小动物密度高，这些变化趋势可通过一下逻辑的尺度分析来解释。
定义：线性尺度比率La /Lm, = n（比例因子），其中a代表实际物体，m代表模型。对于一个模型系统，n=10代表了线性尺寸10倍、面积100倍于模型的全尺寸飞机。同时，实际系统与模型一样工作与空气密度为ρ、重力系数为g的环境中。
由于加速度的数值为Lt^2，加速度g为常数，则t随L^1/2而变化，根据以上分析，可以得到如下关系。
Function (函数) Scale factor （比例因子） For n = 10, model represents system having:（n=10模型代表的系统为） Area × 100 Volume × 1000 Mass × 1000 Velocity × 3.16 Dynamic Pressure × 10 Angular inertia × 10 000 Frequency × 0.316 面积Area ～ L2 容积Volume ～ L3 质量Mass ～ ρL3 速度Velocity ～ L/t ～ L^1/2 动态压力Dynamic pressure L^3 惯性角Angular inertia ～ L^3 频率Frequency ～ 1/t ～ 1/L^1/2 etc. n^2 n^3 n^3 n^1/2 n n^4 n^1/2 根据表中院子，对于中小型飞机，它与比其尺寸大10倍的飞机具有同样的结构布局，当小飞机飞行速度为31.6m/s时，等效于大飞机以100m/s的速度飞行。
正如第4章所提及的，利用该原则，可以通过对小尺寸模型的全面试验，有效确定实际全尺寸飞机的飞行特性，小尺寸模型通常采用无人的，低速飞行模式。利用模型飞机对后续改进的飞机进行飞行试验，相对于直接对新飞机进行初始阶段的真实飞行试验而言，费用要低很多，风险也很小。这也是无人机技术拓展应用的实例（图4.29）。
1.2安装密度
相对于具有同样用途的有人机，无人机通过高密度的安装（飞机重量/体积），利用结构和空气动力学的优势，使其尺寸和质量明显减少。
人的密度比飞机系统要小，但为人员提供活动和工作空间去却较大，结果降低了大多数轻型有人机的有效密度，使全系统总密度为0.1（即约为100kg/m^3）或更小。相比而言，无人机的电子和光学设备比整体系统的密度高，并能紧密安装，仅需一些冷却空间。电视成像系统或其他光电设备（类似眼睛），自动飞行控制系统（类似大
脑）无线电和动力设备（通信等），以及无人机的辅助设备等,它们的密度约为0.7（700kg/m^3）。
发动机，传动，舵机，发电机等设备，虽然尺寸大小不一，但对有人机和无人机而言是相同的，密度为5-6（5000 kg/m^3-6000 kg/m^3），当然还需一些空间用于冷却和操作等。着陆装置随飞机类型的不同而不同，有固定的或可收回的，轮式的或滑撬式的。垂直起降飞机的着陆装置要轻于水平起降飞机。因此，对于着陆装置，没有统一的结论。
像机翼、尾撑和尾翼等部件密度小，如典型的轻型飞机机翼，重量只占总重量的10%，其安装密度低达25kg/m^3，该值随飞机尺寸的增加而缓慢增加。与之相反，直升机选一系统也只占飞机总重量的10%，但其安装密度从小型无人直升机的1200kg/m^3到大型有人直升机的4000kg/m^3。
燃油装于软性变形的邮箱内，当有相撞满时，供油系统的安装密度为900 kg/m^3-1000 kg/m^3。它的承载将会增加包括机翼或机身在内的总安装密度。
飞机的实际安装密度取决于其尺寸大小的结构布局。以两座Cessna 152轻型有人飞机为例，总起飞重量为700kg，总安装密度约为120 kg/m^3。固定翼无人机如：“观察者”，总起飞重量只有36kg，装载有类似电视监视成像设备，其安装密度约为200 kg/m^3。小型共轴旋翼无人机如“小精灵”，其质量为36kg，安装密度约为600 kg/m^3。
1.3 空气动力学
飞机对气流干扰的影响，以及飞机空气动力效率可以用飞机表面积与质量的比率Λ来度量。飞机表面积越大，受到空气动力的干扰越大；飞机的质量越大，其对施加力的惯性（反作用）越大。
利用比例定律可知，表面积与质量的比率Λ随n/ρD 而变化，即线性尺度比率n除以安装密度ρD 。也就是说比率Λ将随飞机尺寸减小而增大，随安装密度的增大而减小。因为无人机一般比有人机小，在扰流中比大型有人机承受更严重的气流干扰，但其不足可以通过提高无人机的安装密度来补偿。
通过减小机体和机翼的摩擦阻力，使翼型阻力达到最小值，就可以提高气动效率（利用飞机的阻力/重量之比来定量衡量，比值小、效率高，通常以空速为30m/s时的阻力为参考）。另外，安装密度低，飞机的气动效率高。
相对于同样形状的大型飞机，在低雷诺数NR 情况下，小型飞机的机翼和机体的摩擦阻力、翼型阻力较大。雷诺数是一个无量纲参数，是流体惯性力和粘性力之比，常常用来定量衡量给定流体中两种力的相对重要性。惯性力指更大量的下行流体会议更高的速度流过更长的表面，在高NR 时，它是主要作用力。
NR 的计算公式为
NR = λl /ν
式中：λ为气流速度；l为特征长度（即翼弦）；v为气流的运动黏性，在标准状态下其值为1.47 × 10^?5 m2 /s（更多信息可参考文献[1，2]等空气动力学书籍）。
低NR的表面启动阻力要大于高NR 的情况。无人机一般比有人机要小，飞行速度较慢，因此无人机工作在低NR 状态，受到的阻力较大。
流线型翼剖面的厚度与弦长之比为15%的情况下，依据表面积，阻力系数随雷诺数NR 变化曲线如图6.2所示。途中数据来源于参考文献6.2，它给出了变化趋势的