亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

联翼布局传感器飞机多目标优化设计

针对联翼布局传感器飞机的任务需求特点,建立了专用于该类无人机的能够综合考虑气动、结构和雷达性能的多目标优化设计模型。利用改进的类函数/形函数参数化方法完成整机外形进行参数化,利用风洞试验进行了气动分析模型的验证,基于工程梁理论搭建了联翼布局结构重量估算模型。在雷达距离方程的基础上,建立了机翼内部雷达天线性能估算的数学模型。利用该模型,能够在优化过程中考虑到内置机载预警天线安装位置和性能评估对翼型选择、结构重量和气动特性的影响,最终得到全局最优设计。对某方案的优化结果表明,相较于优化前,多目标优化结果能够明显提升整机升阻比和前后视雷达探测范围,同时减轻结构重量。优化结果和敏感性分析表明了该多目标优化模型的可行性和必要性。     

翼身融合布局客机总体参数分析与优化

在翼身融合布局客机总体设计阶段，为评估设计方案的总体性能，建立了翼身融合布局客机总体参数综合分析与优化平台，该平台以翼身融合布局客机的几何参数为输入，完成动力、几何、重量、气动、性能和经济性等模块分析，并以此为基础建立优化设计模型。为快速评估设计方案的性能及优化设计效果，动力分析模块采用了部件级分析模型，重量分析模块采用半经验估算方法，气动分析模块采用面元法结合工程估算方法，性能分析模块采用简化运动学方法，优化模型采用可并行计算的子集模拟优化算法。以某555座级翼身融合布局客机方案为例，应用开发的分析与优化平台，完成了总体参数分析，结果表明分析模型合理。在此方案的基础上，以客机的外形参数和发动机海平面最大推力为设计变量，分别建立了以最大起飞重量最小为目标的单目标优化，以及同时以直接使用成本和进场速度最小为目标的多目标优化，单目标优化结果最大起飞重量降低了约7.17%，多目标优化结果表明直接使用成本降低8.77%的同时进场速度会增加3.32%。     

一种新的变前掠翼无人机气动布局

研究了一种新的变前掠翼无人机气动布局概念,在低、亚、跨和超声速状态下可通过改变机翼的前掠角来获取最佳的气动性能。根据设计指标和翼身融合技术初步设计了其几何外形,并采用三维Navier-Stokes方程数值模拟和对比分析了5种不同任务构型的气动特性。结果表明：①在Ma=0.6巡航时,平直翼加挂副油箱构型最大升阻比为14.55,而三角翼构型仅为8.29;②在Ma=0.4机动时,45°前掠翼构型失速迎角达到38°且具有最大的升力系数2.455,较平直翼构型提高了4.9%;③在Ma=1.5高速突防时,三角翼零升阻力系数最小,比平直翼加挂副油箱构型减小了14.4%,最大升阻比提高了34.6%;④所有计算状态下俯仰力矩特性均良好。研究结果验证了变前掠翼无人机气动布局新概念的合理性和先进性,可为高性能无人机的设计提供参考。     

浮升一体化飞艇高升阻比新型布局研究

高升阻比设计是浮升一体化飞艇研制中亟待解决的关键难题,艇身是决定全艇升阻比高低的关键部件。针对飞艇高升阻比布局设计的难度及复杂约束性要求,有效结合艇身精细化气动设计、流动控制和升力体理念,引入高精度气动数值模拟等多种手段,探讨构建中央翼+边条耦合、中央翼+端板融合等多种艇身新布局形式,揭示关键几何参数表征与高升阻比特性的影响关系,获得具有高升阻比特征的浮升一体化飞艇艇身新型布局形式。结果表明：与传统混合飞艇艇身构型相比,在保证艇身体积不变和艇身宽度适当控制的前提条件下,中央翼+边条增升耦合艇身构型可提高最大升阻比约77% 以上;中央翼+端板式融合艇身构型可实现最大升阻比值由2.13 提高到3.95 以上,至少提高了85.4%。     

联翼布局多控制面纵向配平特性研究

采用多控制面配平是联翼布局临近空间长航时无人机提高升阻比、延长航时、降低起飞重量的重要措施。针对某联翼布局的临近空间长航时无人机,利用CFD计算和工程估算相结合的方式,研究了其多控制面纵向配平时的气动特性和对起飞重量的影响。结果表明,采用多控制面设计并选择合适的配平模式,可以保证在良好的配平姿态和配平纵向静稳定性下,有效提高配平升阻比,降低起飞重量。     

基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构优化设计

针对翼身融合布局民机的非圆形截面机身结构承载特征，美国波音公司和美国国家航空航天局（NASA）联合提出了拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），以提高翼身融合布局飞机机身结构的承载效率及稳定性性能。为了深入研究翼身融合布局后机身结构设计及PRSEUS结构在后机身上的应用，本文建立了基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构高保真度数值分析模型。筛选出了针对翼身融合布局后机身的5种典型载荷工况作为评估后机身结构强度和刚度的输入条件。借鉴结构区域划分技术，开展了基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构优化方法研究，完成了基于分块的PRSEUS结构后机身结构优化设计，保证了后机身结构强度和刚度性能，并进一步减轻了结构重量。     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

民机翼梢小翼气动特性数值模拟分析研究

针对某民机翼身组合体加装不同翼梢小翼——融合式翼梢小翼和翼尖涡扩散器进行对比分析。用软件ICEM生成原始翼身组合体及加装不同小翼的翼身组合体的点对点对接多块网格技术生成高质量的数值计算网格,运用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解方法求解雷诺平均N-S方程。对两种不同翼梢小翼在巡航点进行数值模拟,得到合理的翼稍小翼几何参数;对比升阻特性数据,两种翼梢小翼都可以提高升力系数,减少阻力系数。相对原始翼身组合体,融合式翼梢小翼升阻比增加9%,翼尖涡扩散器升阻比增加6%;但翼尖涡扩散器在力矩特性上有较大优势。所得结论对民用飞机翼稍小翼设计工作具有较大的工程应用价值。     

一种翼身组合体的气动概念设计

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载.本文采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法.提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案.对其升阻比特性、质心设计、稳定性问题、滑翔飞行特性及气动热环境进行了预测和讨论.研究表明,带后掠下反翼的翼身组合体方案可以在较小攻角时获得较大升阻比,纵横向稳定且具有较大的滑翔距离和滞空时间,是一种潜在的高超声速机动方案.     

Aerodynamic Design Methodology for Blended Wing Body Transport

This paper puts forward a design idea for blended wing body(BWB).The idea is described as that cruise point,maximum lift to drag point and pitch trim point are in the same flight attitude.According to this design idea,design objectives and constraints are defined.By applying low and high fidelity aerodynamic analysis tools,BWB aerodynamic design methodology is established by the combination of optimization design and inverse design methods.High lift to drag ratio,pitch trim and acceptable buffet margin can be achieved by this design methodology.For 300-passenger BWB configuration based on static stability design,as compared with initial configuration,the maximum lift to drag ratio and pitch trim are achieved at cruise condition,zero lift pitching moment is positive,and buffet characteristics is well.Fuel burn of 300-passenger BWB configuration is also significantly reduced as compared with conventional civil transports.Because aerodynamic design is carried out under the constraints of BWB design requirements,the design configuration fulfills the demands for interior layout and provides a solid foundation for continuous work.     

考虑重心位置不确定性的无尾无人机优化设计

飞机的飞行性能与重心(CG)位置密切相关,尤其是后掠式无尾飞机的重心位置对其飞行性能影响更甚,如果重心位置发生变化,升力分布随之改变,进而影响飞机航时。针对这个问题,从气动布局和设计方法两方面,设计了一种航时对重心位置不敏感的无尾无人机(UAV)。气动布局上,提出了利用螺旋桨动力配平纵向力矩的鸥翼(GW)布局,以减小重心位置变化对升阻特性的影响;设计方法上,采用稳健性优化设计(RDO)理论,分析重心位置不确定时的航时低敏感度问题。以一架小型电动无人机为研究对象,建立了无尾无人机稳健性优化设计环境,包括总体设计、代理模型构造以及稳健性优化。分析结果表明:利用螺旋桨动力配平的鸥翼布局使重心可用范围增加了5%;静安定裕度在5%~15%变化时,该布局可以有效提高航时稳健性。采用稳健性优化得到的无人机几何参数,大幅度降低了重心位置对航时的影响,显著提升了满足约束的概率。     

耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计

以某型手抛式太阳能无人机(UAV)模型为对象进行考虑多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼平面形状设计研究。首先,基于升力面理论发展了准定常求解多螺旋桨/机翼相互气动干扰问题的涡格法(VLM)程序,并采用建立参考翼型气动特性数据库的形式发展了相关低雷诺数修正(LRC)方法;然后,通过对翼型、低雷诺数机翼及单螺旋桨/机翼算例的数值模拟及与相关实验结果的对比,验证了本文数值方法具备模拟低雷诺数复杂流动问题的可靠性及准确性;最后,对某型手抛式太阳能无人机简化拉力多螺旋桨/机翼模型进行了直接优化设计及反设计,并通过具有较高精度的CFD准定常求解技术对优化结果进行了验证。结果表明:以CFD方法计算结果为参考,本文涡格法程序及低雷诺数修正方法能够准确高效地计算相关低雷诺数复杂流动问题;传统未考虑多螺旋桨滑流影响的设计机翼在实际螺旋桨工作状态下将偏离设计点,机翼气动特性得不到提高;考虑螺旋桨滑流影响的优化设计方法能够有效改善机翼阻力特性,相对应地,在设计状态下优化机翼总阻力能够降低19.52counts。     

载重飞机总体参数的多目标优化设计方法

利用遗传算法进行了低雷诺数下全机气动布局设计及优化,并制作原理样机以检查设计的可行性及正确性.主要优化对总体外形和飞机性能影响较大的机翼、尾翼的平面形状几何参数以及少数几个机身几何参数;优化目标是巡航段最大升阻比和空机重量.试验结果表明该优化设计方法是十分有效的,可以用来对具有正常布局形式的飞机进行气动外形的优化设计.     

面积律与Fluent软件相结合的减阻设计方法

用跨音速面积律对某翼身融合体进行修形设计,并通过三维欧拉方程对修形前、后的融合体气动力进行了数值模拟。模拟结果的对比表明：在计算的马赫数范围内（0．8≤M≤2．0）。采用跨音速面积律进行优化设计能达到增升减阻的效果。     

仿生全翼式太阳能无人机分层协同设计及分析

结合"太阳神"无人机(UAV)和高山兀鹫提出了太阳能UAV的某仿生全翼式构型,针对该构型开展了气动分层协同设计及分析。在设计和分析过程中,自下而上将设计分为三个层次,基于纵向配平需要以低雷诺数反弯内翼翼型设计为第一设计层次,基于高升力需求以外翼设计为第二设计层次,以UAV全机性能设计为第三设计层次;与此同时,每个层次均采用基于代理模型的基本优化流程,三个层次的设计自上而下来相互协同,最终得到满足指标的设计结果。研究结果表明:分层协同设计提高了设计效率,获得了高效的仿生全翼式太阳能UAV构型;证明了设计方法的可行性和设计结果的有效性。     

超临界层流机翼边界层及气动特性分析

高空长航时无人机设计巡航状态的雷诺数较小,黏性边界层对气动特性的影响较大。详细分析了雷诺数对机翼边界层和气动力的影响,用数值方法对超临界层流机翼三维层流-转捩-湍流混合边界层特性进行了研究,分析比较了高空小雷诺数和中空大雷诺数情况下机翼三维边界层的特性,尤其是边界层转捩点位置、表面摩阻和气动特性的雷诺数效应。研究表明雷诺数对于高空无人机机翼边界层厚度、摩擦阻力和升阻比影响较大;对层流机翼的转捩点位置和升力系数影响较小;自然层流机翼技术可以应用于高空无人机设计。     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计

对一种双后掠飞翼布局隐身无人机(UAV)平面外形,基于参数化模型和网格自动划分技术,采用气动无黏/黏性数值求解模型和隐身工程评估方法结合单/多目标优化算法,在给定的变量设计空间中完成了气动隐身综合优化设计研究。通过多目标优化给出了布局气动升阻性能相对隐身性能的最优设计边界,指出了外形气动与隐身设计之间存在的冲突关系,即一方性能提升必会使另一方性能降低,不存在双方同时最优的解,飞翼外形设计时需要在气动与隐身间进行权衡折中。计算表明,在飞翼布局外形优化中应采用精度高的黏性气动计算模型。所建立的气动隐身一体化优化设计方法,为飞翼布局无人机外形精细设计奠定了基础。