微小型无人机旋翼气动设计研究综述

微小型无人机因应用前景广泛,越来越受到各国军方及民用部门的青睐。首先,针对微小型无人机旋翼气动设计问题,总结了国内外的研究现状,分析了低雷诺数下旋翼的空气动力特性及研究难点;其次,重点阐述了微小型旋翼气动设计中急需突破的关键技术;最后,对未来的研究方向提出了几点建议。     

低雷诺数条件下微型无人机机翼形状的研究

利用CFD软件FLUENT,通过Spalart-Allmaras模型、低Reynolds和二层模型这3种湍流模型对正八边形机翼平面布局进行绕流分析并与试验数据进行对比,选择了低Reynolds湍流模型对4种微型无人机机翼平面形状的低雷诺数气动特性进行模拟分析,结果表明,矩形布局和反齐默曼布局是微型无人机比较理想的设计选择.     

超长航时太阳能无人机关键技术综述

超长航时太阳能无人机（UAV）以其高效节能、原理上可实现无限巡航的特点受到广泛关注，而其独特的设计指标与任务特性也对各项关键技术提出了较高要求。多设计要素的高度耦合意味着不同于常规飞行器的总体设计方法，低密度、低速度的飞行条件使其具有明显的低雷诺数气动特性，柔性超大展弦比机翼带来了复杂的气动弹性问题，低翼载荷特性与较大的风场扰动增加了控制难度，极端的飞行环境与苛刻的任务指标对能源、动力系统带来了新挑战，飞行性能对能源系统的高度依赖开辟了飞行轨迹优化的研究方向。本文梳理了超长航时太阳能无人机关键技术的研究现状，在此基础上对各项技术中的难点问题进行了阐释，并对超长航时太阳能无人机未来发展趋势进行了展望。     

无人机类脑吸引子神经网络导航技术

当前无人机在非结构化或未知环境下飞行主要采用SLAM进行导航与定位，存在如下突出问题：依赖高精度昂贵激光雷达等环境感知传感器；需要建立准确世界和无人机物理模型；受环境影响较大；自主智能水平较低，无法较好地满足无人机对导航系统的要求，需要发展自主智能的导航方式。基于吸引子神经网络的类脑导航技术，无需训练模型参数，不依赖高精度传感器，无需精确建模，且复杂环境下鲁棒性较强，具有解决上述问题的潜力。简要阐述了动物大脑导航机理，分析了吸引子神经网络和基于吸引子神经网络的类脑导航关键技术，最后讨论了吸引子类脑导航技术在无人机应用中的挑战。     

微型扑翼机风洞试验探索性研究

为了探索、验证微型扑翼机风洞试验的可能性以及可能存在的问题，我们在西北工业大学低湍流度风洞对微型扑翼机进行了探索性风洞试验，并进行了扑翼的扑动频率、速度、迎角对气动特性影响研究。研究表明：微型扑翼机试验技术复杂，要求风洞流场品质高，特别要求低湍流度、低雷诺数的试验风洞，采用高精度的测试设备，运用先进的测试方法。试验结果表明：本次探索性试验研究是成功的，试验结果可供扑翼机总体、气动设计参考。     

微型飞行器相关技术研究进展

微型飞行器是航空领域一个新的研究热点，涉及多个技术研究领域。围绕与微型飞行器相关的低雷诺数空气动力学问题，进行了绕圆柱体低雷诺数非定常流动的数值模拟方法研究、低雷诺数机翼粘性非定常流动机理研究、扑翼的气动力估算方法研究、微流动控制的数值模拟研究和微型飞机的气动实验研究，指出了微型飞行器面临的问题，并展望了其发展趋势。     

临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

临近空间太阳能无人机是介于航空器与航天器之间的特殊飞行器。受太阳能电池的光电转换效率和储能电池能量密度的约束,提升临近空间太阳能无人机气动效率和螺旋桨推进效率是保证该类型无人机平台任务执行能力、具备永久飞行能力的重要技术途径。然而低雷诺数效应给全机增升减阻技术攻关和节能降耗的设计目标带来了严重困难和挑战。针对这一问题,本文从翼型设计、气动布局设计、螺旋桨/机翼气动耦合设计、流动控制技术、螺旋桨增效设计5个方面调研了临近空间太阳能无人机增升减阻技术的研究现状,梳理了现有增升减阻措施的技术路线,分析了不同增升减阻方法的优势与不足,最后针对临近空间太阳能无人机增升减阻技术的发展趋势给出了建议。     

小型无人机发展现状及其相关问题分析

就小型无人机(UAV)的发展现状及其相关问题进行了初步讨论。介绍了几种典型的小型无人机、微型飞机及一些机载设备。指出了小型无人机在空气动力、飞行力学方面存在的问题。对小型无人机的研究起到了借鉴作用。     

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。     

低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计

以临近空间太阳能无人机研究为背景,针对高空低雷诺数状态下多螺旋桨/机翼构型进行了耦合气动设计研究。首先,通过对典型多螺旋桨/机翼构型进行气动特性及流动特性分析,提出了以在多螺旋桨滑流影响下构建机翼近壁面理想流态分布形式为核心的低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想;然后,基于该耦合设计思想,依次进行了多螺旋桨布局参数设计研究、低雷诺数流态区域二维翼型设计研究以及近似高雷诺数流态区域耦合螺旋桨滑流影响的机翼翼段设计研究;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与常规仅进行低雷诺数翼型优化得到的设计结果相比较,基于所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合设计思想设计得到的多螺旋桨/机翼构型气动特性得到显著改善,在设计状态下,多螺旋桨滑流影响下的机翼阻力相对降低达8.8%,升阻比相对增大达12.1%,由多螺旋桨滑流为机翼气动特性带来的不利影响亦得到约64.5%的补偿和改善。     

未知环境中微型飞行器障碍回避与导航技术研究进展

微型飞行器在未知环境中自主飞行,须具备障碍回避和导航的能力,关键技术包括：环境探测、动态航迹规划以及航路跟踪。本文综述了近年来国内外在该领域的主要研究进展,围绕微型飞行器障碍回避与导航技术的概念内涵和问题描述障碍回避与导航技术中的飞行环境探测方法与传感器、飞行环境要素的模型表征及航迹规划算法等方面,系统地给予了阐述与分析,最后指出了微型飞行器动态障碍回避与导航技术中需要进一步研究的问题,旨在为微型飞行器的自主导航技术的发展提供参考。     

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。     

多无人机协同导航技术研究现状及进展

UAV是无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle)的简称,无人机相较于有人驾驶飞机具有用途广泛、成本低和生存能力强等特点,在军事民用领域都有着广阔的前景,受到了国内外研究者的关注。协同导航技术极大地扩展了无人机的应用范围,提高了多无人机定位的精度以及无人机编队的稳定性、安全性和可靠性。现阶段协同导航技术在编队导航、目标监测与跟踪等诸多方面都得到了研究与应用。从四个层次对协同导航的研究现状和进展进行探讨:首先是对多无人机协同导航的概念、基本原理、国内外发展现状和必要性进行阐述;其次对协同导航中相对导航方式进行了分类分析,并分别介绍了无线电导航与视觉导航的原理、优缺点和应用场景;然后从导航目的、协同导航优化算法、滤波方法、协同导航信息融合容错策略几个方面对协同导航进行分析归纳;最后,讨论了基于多无人机协同导航未来的发展趋势。     

微型凸起物高超声速气动热特性研究

利用N-S数值解方法对高超声速气流中微型凸起物的气动热环境进行了计算研究,并对前斜坡峰值压力和热流跃升进行了分析,结果表明对于高雷诺数流动,由于其边界层很薄,气流对凸起物的冲击作用比低雷诺数流动大很多,给凸起物前缘和上表面带来较严重的气动热问题。研究还表明利用斜面侧扩张角可以降低凸起物后斜坡的气动热环境。最后对球锥与平板物型的差异给微型凸起物热环境特性带来的影响进行了研究,结果表明在本文计算状态下,风洞平板实验模型得到的凸起物前缘峰值压力和热流跃升比实际球锥外形要高,因此地面实验结果外推到天上实际情况还是比较保守的。     

仿生全翼式太阳能无人机气动数值模拟

以高空太阳能无人机(UAV)为背景,针对某仿生全翼式太阳能无人机开展了气动数值模拟研究。首先,应用基于改进层流动能模型的雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟方法,对典型低雷诺数机翼进行了数值验证;其次,回顾了某仿生全翼式太阳能无人机的基本设计特征;接着,采用数值模拟方法对该无人机进行了基本气动性能的计算分析;最后,对无人机的横航向性能和方向舵舵效进行了检验性的数值模拟。研究表明:该无人机各部件相互之间流动干扰较小,具有层流分离、转捩和湍流再附等低雷诺数流动特征;其基本气动性能较高(巡航升阻比大于34,纵向静稳定度约为8%),具有静稳定的横航向性能和较好的方向舵舵效;其仿生全翼式构型是一种较有前景的太阳能无人机布局形式。     

基于改进向量场直方图算法的无人机动态避障策略

目前传统向量场直方图(VFH)算法存在易陷入局部陷阱的缺陷，本文提出了基于陷阱检测机制与动态阈值更新策略的改进VFH算法，更加符合局部未知环境下无人机路径规划的要求，并针对复杂未知场景中无人机避障问题，提出了基于A^*算法和改进VFH算法的避障算法。首先，无人机根据全局已知障碍物信息，基于A^*算法构建目标航路点；其次，在目标航路点不可达的情况下，无人机根据运动状态与激光雷达探测到的地形信息，基于改进向量场直方图算法进行局部规划。在局部规划中，针对传统VFH算法存在的缺陷进行了改进：针对传统VFH算法的无记忆性导致在一些特殊场景中易陷入局部陷阱，本文提出陷阱检测机制的VFH算法，动态选择历史信息增强向量场直方图算法的记忆性，无人机可自主检测陷阱并及时跳出；针对向量场直方图算法的阈值敏感性问题，设计了动态阈值更新策略，使得无人机能够在复杂或稀疏的障碍物环境中，动态平衡避障安全性和抵达目标的时效性。最后，通过对比仿真验证了算法的有效性，为传统VFH算法易陷入局部陷阱的缺陷提供了一种解决方法。     

基于CST法的新能源无人机翼型优化设计

针对新能源无人机高空低速长航时的特点,开展对低雷诺数翼型气动性能优化研究。以带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA-II)为优化算法,并采用CST(Class Function/Shape Function Transformation)翼型参数化方法,对低雷诺数翼型的多目标优化进行探讨。经过对AH79-100B翼型进行效率因子和俯仰力矩系数的多目标优化,结果是翼型的效率因子变化较小,但作为主要优化目标的俯仰力矩系数则有明显下降,成功降为优化前翼型的89%。这说明了该气动优化方法在低雷诺数环境下的有效性,为低雷诺数翼型的设计及优化提供参考。     

太阳能无人机高效螺旋桨气动设计

太阳能无人机“超高空、超长航时”的设计方向给螺旋桨的气动设计带来了极大挑战。本文根据某太阳能无人机总体方案,使用多点多目标优化方法改进设计了桨叶翼型,合理布置叶宽分布与桨距,设计出低雷诺数工作环境下的高效螺旋桨,并且在全包线范围内保持较高的气动效率。利用叶素理论对该设计方案进行了性能评估,结果显示在巡航状态下,该螺旋桨的工作效率达到85%以上,各项指标满足设计要求。     

改进速度障碍法的无人机局部路径规划算法

针对无人机基于环境感知进行局部路径再规划的实时与安全性问题，提出了一种基于改进速度障碍法的局部路径避障规划算法。将传统速度障碍法拓展到三维空间中，建立三维空间速度障碍模型，将机动性动态障碍物在速度空间中的运动不确定转化为位置不确定，实时性更好，提高了避障水平与安全裕度；通过定义和引入自适应威胁距离，提高了无人机在避障过程中对原航迹的利用率；利用空间几何分析，求解无人机空间自主避障的最优速度，实现局部路径动态实时规划。通过比较分析对遇、追击和交叉3种场景下的局部路径避障规划仿真结果，验证了该算法的实时性、可行性和有效性。     

深空探测自主导航技术综述

由于深空探测任务具有飞行时间长、距离远、环境复杂多变的特点,基于地面深空网的导航方法存在通信时延大、传输效率低以及天体遮挡等问题。自主导航技术可以使探测器具备自主执行部分或全部导航功能的能力,大大减轻了探测器对地面站的依赖程度,已成为深空探测领域的重点研究内容。从国内外深空探测任务的实际工程需求出发,首先概述了天文导航、惯性基组合导航以及星间测量导航方法的基本原理,其次介绍了三种自主导航方法的国内外发展现状,并重点分析了三种自主导航方法的关键技术,最后对未来深空探测自主导航技术发展给出了若干建议。