高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析

高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAV）的基本工作原理与常规动力飞机相比有显著的区别,体现在飞机总体设计方法上有其独到之处,方案设计中还需要对一些关键技术细节进行认真权衡。阐述了高空长航时太阳能无人机总体设计中遵循的重量不变和能量平衡原则的机理,同时从太阳能无人机巡航平飞功率需求、布局形式选取、飞行剖面优化和临近空间使用环境影响等方面出发,研究了太阳能无人机总体设计中的若干注意事项,主要结论可用于高空长航时太阳能无人机总体设计和方案优化。     

国外高空长航时无人机动力技术的发展

高空长航时无人机是一种可在18—24km高空范围飞行、巡航时数不少于24h的无人机，在军用和民用领域都有广阔的应用前景。但是，由于高空长航时无人机的飞行任务与常规飞机的相比有很大不同，因此，为其动力装置的发展带来了很多新的技术挑战。     

高空长航时无人机任务设备/飞行综合控制技术

首先对无人机和任务设备的发展作了简要介绍，并介绍了高空长航时无人侦察机的国内外发展现状，着重对高空长航时无人侦察机任务设备／飞行综合控制中综合控制、运动补偿、组合导航、三维定位和目标识别等关键技术进行了分析，说明了目前对高空长航时无人机的任务设备／飞行综合控制进行研究的必要性和可行性。     

多螺旋桨太阳能无人机横航向操稳特性研究

首先分析了大型高空长航时太阳能无人机由于超大展弦比和高效多螺旋桨带来的航向阻尼增量和航向操纵导数,接着分析了由此带来的横航向动态特性变化,并结合多螺旋桨的操纵特性,提出了多桨航向控制方法,最后进行了仿真验证.结果表明,分布式多桨布局对提高该类无人机的横航向稳定性有较大作用,以多桨的转速变化量最小为目标的最优化航向控制分配方法对超长航时飞行很有利.     

战斗机综合热能管理系统稳态仿真

建立综合热管理系统稳态仿真数学模型,在SIMULINK软件平台上搭建仿真模块,对系统同一高度不同马赫数及同一马赫数不同高度进行了稳态仿真,得到系统中关键部件的进出口温度和流量,并分析了马赫数以及高度变化对各状态点温度的影响。分析得出马赫数增加各状态点的温度基本是增加的,只有燃油冷却出口温度先减后增;各状态点的温度随高度的增高基本是减小的,只有燃油冷却出口温度是增加的。     

Mission-oriented cooperative 3D path planning for modular solar-powered aircraft with energy optimization

Modular Solar-Powered Aircraft(M-SPA) is a kind of High-Altitude Long-Endurance(HALE) aircraft which exploits the mission advantage of swarm UAV and the HALE advantage of large aspect-ratio SPA. M-SPA’s separated mode and combined mode give it the potential to maximize the mission efficiency with limited solar energy. In this paper, firstly, oriented by the mission of maximizing the cruise area, the overall design of the M-SPA is modeled, including the energy model, the aerodynamic model and the...     

Conceptual design and flight test of two wingtip-docked multi-body aircraft

To overcome the drawbacks such as large wing deformations, poor performance encountering gusts, limits in taking off and landing, inconvenience of transportation of High-Altitude Long-Endurance (HALE) Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), a new conceptual aircraft called wingtip-docked Multi-Body Aircraft (MBA) has attracted lots of attentions. Aiming to investigate the feasibility of this concept, two UAV models were designed, manufactured and connected by a wingtip-docking mechanism, which only allows the relative roll motion between the two aircraft. The trim solution of the two connected aircraft is firstly obtained by solving the developed nonlinear flight dynamic equations, followed by the stability analysis based on the linearized model. The results show that the connected aircraft is inherently unstable and cannot fly without a reasonable flight control system. A set of Proportional-Integral-Derivative (PID) control laws was then developed and implemented in the two experimental aircraft. The success of the flight tests show that the flight control can effectively eliminate the unstable motion and the wingtip-docked MBA is controllable and feasible.     

六旋翼无人机的飞行力学建模研究

为开展六旋翼无人机的全机飞行力学建模研究,针对六旋翼无人机的前飞和非定常飞行要求,引入了动量叶素理论和动态人流理论对旋翼气动力进行分析.根据无人机的变转速控制方式,增加了旋翼转速变化对机身运动的影响项,推导了使六旋翼总需用功率最小的拉力分配优化方法,建立了六旋翼无人机的飞行力学模型.气动力计算结果表明,新建立的旋翼气动力计算方法精度高于现有的比例系数法.     

热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用

针对机载电子设备的高热流密度和关键器件的高功耗,采用相变传热的微热管散热技术,在保持原受限空间和模块安装方式的前提下,研制出不同结构形式的热管散热模组。其结果证明,在满足机载使用要求和工作条件下,热管散热模组能有效解决高功耗器件的散热问题,实现电子模块的控温和均温,突破了机载电子设备结构热设计的瓶颈。本文结合实例从微热管结构对传热性能的影响研究、热管散热模组研制、数值模拟等方面介绍热管散热模组在机载电子设备热设计中的应用,为微热管散热技术在机载电子产品领域的工程应用提供了重要的参考价值。     

高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统

为得到高速飞行器表面各部分的热应力，应变，结构膨胀量等高温力学性能参数，须建立高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统。针对高速飞行器气动模拟试验瞬态热控过程所具有变化复杂，高度非线性，瞬变，强耦合的特点，将模拟控制方法应用于瞬态气动热模拟控制系统。该系统能够按照高速飞行器飞行过程中表面热流和温度的瞬态连续变化对气动模拟加热过程实施快速，准确的动态控制。     

机载综合热管理系统控制特性分析

以简化的机载综合热管理系统作为研究对象,对系统在不同控制模式下的变化特性进行分析,为系统控制方案的研究提供了理论依据.利用数学模型和计算机模型相结合的方法建立起一种以燃油为主要热沉,具有空气/燃油换热器、燃油/PAO(聚α烯烃)换热器等主要元器件的机载综合热管理系统整体模型,并提出一种模糊自整定的PID(比例-积分-微...     

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。     

无人机动态飞行参数处理及应用策略

飞行参数处理能够有效地评价无人机在飞行过程中的行为,将其与故障注入技术相集成能够合成测试无人机系统可靠性的完整技术。文中结合无人机的特点提出了一种面向飞行参数时序数据流的飞行参数处理方案,利用飞行参数处理技术实时判读无人机的行为,监测机载设备故障在无人机系统中的传播过程。首先在分析无人机飞行参数数据特征的基础上,着重研究了飞行参数实时数据采集和数据处理方法;然后构造了一个实际的飞行参数处理系统UAVFDD_01,并分析了动态飞行参数处理过程。系统可靠性测试试验结果表明设计的系统能够满足无人机可靠性测试的要求。     

某无人机爬升过程中燃油温度变化规律仿真研究

采用 RON95# 车用汽油或 100LL 航空汽油为燃料的中空长航时无人机在爬升过程中容易遭遇气阻。利用 Flowmaster 软件搭建某型无人机燃油系统的仿真模型,以实际飞行试验中的环境温度、初始燃油温度、初始燃油量、耗油率等参数作为边界条件,通过仿真得到飞行过程中油箱内燃油温度,并与实际飞行试验数据进行对比,验证仿真模型的可行性;利用该模型定量研究环境温度、燃油油量、耗油率、爬升速度等因素对燃油温度变化规律的影响。结果表明:对于某型无人机燃油系统,在连续爬升过程中燃油温度的变化受初始外界环境温度、爬升速度的影响比较大,而燃油油量、耗油率则对燃油温度变化的影响较小;初始外界环境温度越低、燃油油量越少、耗油率越快、爬升速度越大则燃油温度下降幅度越大。     

Decision-making of Aircraft Optimum Configuration Utilizing Multidimensional Game Theory

As multi-discipline coupling and components interference often affect the aircraft configuration decision-making and analysis during conceptual design process, this article presents an approach of multidimensional game theory based on aircraft components to deal with this problem. The idea is that the configuration decision-making process is regarded as the game for different disciplines and technologies, and the aircraft components are players. The payoff function with highest total gain means that according to the game protocols and multidimensional theory, the optimal aircraft configuration within the strategy set will be chosen. The decision-making model is applied to conceptual design process of the high altitude long endurance (HALE) unmanned aerial vehicle (UAV) based on the assessment of technological risk. The obtained optimum configuration is quite consistent with the current HALE UAV development trends. Thus, taking into account the coupling and interference factors, the multidimensional gaming model based on aircraft components will be an effective analysis method in the decision-making process of aircraft optimum configuration.     

Energy-optimal trajectory planning for solar-powered aircraft using soft actor-critic

High-Altitude Long-Endurance (HALE) solar-powered Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) can utilize solar energy as power source and maintain extremely long cruise endurance, which has attracted extensive attentions from researchers. Trajectory optimization is a promising way to achieve superior flight time because of the finite solar energy absorbed in a day. In this work, a method of trajectory optimization and guidance for HALE solar-powered aircraft based on a Reinforcement Learning (RL) framework is introduced. According to flight and environment information, a neural network controller outputs commands of thrust, attack angle, and bank angle to realize an autonomous flight based on energy maximization. The validity of the proposed method was evaluated in a 5-km radius area in simulation, and results have shown that after one day-night cycle, the battery energy of the RL-controller was improved by 31% and 17% compared with those of a Steady-State (SS) strategy with a constant speed and a constant altitude and a kind of state-machine strategy, respectively. In addition, results of an uninterrupted flight test have shown that the endurance of the RL controller was longer than those of the control cases.     

高空长航时无人机总体参数多目标优化

以高空长航时无人机的总体方案研究为背景,对高空长航时无人机总体参数建立了多目标优化模型,运用多目标遗传算法进行优化设计,最后通过建立的计算机程序得出优化结果.多目标优化用于高空长航时无人机总体参数优化,可以更加合理地评价高空长航时无人机的总体参数的最佳组合,避免设计上的缺陷,提高设计效率.结果表明,高空长航时无人机优化后的总体性能得到改善,说明该方法适用于高空长航时无人机总体方案的优化设计,对方案研究有一定参考价值.     

基于改进A^*算法的无人机快速轨迹规划方法

针对旋翼无人机在三维障碍物环境中自主飞行时路径搜索速度慢、轨迹生成通常忽略无人机动力学特性的问题,发展一种基于改进A^*算法并同时考虑无人机动力学特性和运动学性能的快速轨迹规划方法。首先,在三维障碍物环境中运用改进A^*算法通过剔除部分网格节点降低A^*算法的节点计算量,提升算法的路径搜索速度;其次,以最小化飞行轨迹的四阶导数作为目标函数,以路径点处的位置、速度、加速度等各阶导数作为约束条件优化飞行轨迹;最后,在三维障碍物环境中对比A^*算法改进前后的路径搜索结果,并对优化的飞行轨迹进行仿真飞行测试。结果表明:改进A^*算法大幅降低了A^*算法的节点计算量,显著提升了路径搜索速度;且无人机能够始终以较小位置误差沿优化轨迹光滑连续飞行。     

固定翼无人机编队集结控制算法研究

针对固定翼无人机协同作战时的编队集结问题，提出了一种新的路径规划和位置分配方法，并设计了包括航迹跟踪、高度保持和速度控制在内的自动驾驶仪。该路径规划算法通过矩阵迭代得到一组较优的目标点分配方案，满足总航程较小和同时到达约束。根据得到的各无人机飞向目标点的航迹，算出无人机编队集结的代价矩阵。在每架无人机确定了应飞航路后，开始沿航路飞向目标点，在此过程中，纵向采用高度保持自动驾驶仪，横向采用航迹跟踪自动驾驶仪，控制无人机按规定航迹飞行。速度调节自动驾驶仪可根据速度指令调节油门大小加减速，跟踪上目标速度，进而实现编队集结。仿真结果验证了所提出的编队集结控制方法的有效性和可行性。     

某型涡轮喷气发动机空中起动试验研究

介绍某型涡轮喷气发动机在高空台模拟空中起动试验技术。并根据试验结果及测量数据分析,得出在风车状态下无因次参数及点火起动过程中温度等参数随时间的变化曲线。本试验技术已为多个型号及机种的涡喷发动机做了上百次高空模拟空中起动试验,其技术可靠,方法切实可行。本试验结果对解决提高点火高度及空中起动试验问题具有实用价值。