翼身融合无人机外形优化设计研究

翼身融合布局无人机具有较好的升阻特性和隐身特性,拥有广泛的应用前景。为了提高无人机的续航能力,兼顾翼身融合无人机的气动特性和结构重量要求,选择无人机升阻比与全机面积作为优化目标,应用多目标优化方法研究翼身融合无人机的外形设计,提出一种针对翼身融合无人机的外形参数化优化设计方法,并进行实例验证。结果表明:外形优化可以提高无人机升阻比、减轻结构重量,从而获得合理的翼身融合无人机设计方案。     

民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机

 讨论了一种区别于机翼与圆柱机身的传统民机外形——翼身融合体（BWB）外形。从给定容积下减少浸润面积和摩擦阻力的考虑发展出了翼身融合体的概念。在满足系列设计约束条件下讨论了适于大型（800座）客机的翼身融合体的技术和商业上的可能性。概念设计研究表明,翼身融合体外形可获得比常规外形更好的性能。巡航升阻比可从传统外形的19提高至23。480座的BWB外形与同量级的传统外形（A380-700）相比,最大起飞重量可减少18%,每座位燃油消耗可减少32%,具有良好的环保性。通过气动载荷分布规律的反设计,翼型修型和三维优化设计等气动设计方法可以有效减阻和提高BWB的气动性能。由于BWB的高度融合性,讨论了多学科优化设计方法的重要性和有效性。BWB概念能够发展成BWB系列机,进一步提高巡航马赫数也是可能的。     

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。     

无人驾驶飞行器的气动特点和设计

首先论述了发展无人驾驶飞行器(UAV)的重要性,集中介绍了2种UAV的平台,包括:高空长航时UAV和无人战斗机(UCAV)。讨论了这2种飞行器空气动力特点和气动设计的主要问题。对于高空长航时UAV设计中要重点发展的专用翼型的设计,介绍了一种新型的杂交设计思想和提出了基于CFD技术的多目标多点优化设计的工具。讨论了此类飞行器三维机翼设计的基本要求和三维后掠自然层流机翼的设计。UCAV设计中强调了气动/隐身综合设计的重要性,讨论了无尾布局时新型先进气动控制和矢量推进相结合的必要和难点。     

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.     

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.     

NOx emissions of turbofan powered unmanned aerial vehicle for complete flight cycle

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been getting more and more popular in both civil and military arena. Similar to manned aircraft, their propulsion systems or engines emit harmful gases such as nitrogen oxides. Since UAVs have different mission profiles and operational parameters than manned aircraft, it is worthy to investigate their NO_x emissions. Therefore, in this study, NO_x emissions of a turbofan powered UAV for complete flight cycle was calculated and optimized within a range of altitude and speed parameters. NO_x emissions were calculated based on ICAO ground test data and corrected to any speed and altitude during flight legs using both Boeing Fuel Flow Method 2 and DLR Fuel Flow Method. Total NO_x emissions were calculated for complete flight cycles for different altitude and speed parameters. Numerical results were presented graphically and additionally optimization studies were conducted. Optimization studies include determination and comparison of speed and altitude for minimum NO_x emissions by the two fuel flow methods and maximum loiter time achievable by UAV.     

太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了太阳能/氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面,综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性,提出了一种考虑全机重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略;建立了能源系统模型,给出了能源控制流程,开发了能源管理仿真平台。以1.5 kg任务载荷为例,完成了无人机总体方案设计,仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明:能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率,满足各阶段的功率需求;无人机在冬至日航时为21 h、夏至日可实现跨昼夜飞行;在能源系统重量相同情况下,该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5.5倍和1.2倍。     

低雷诺数小型折叠无人机翼型优化设计

实现了一种可用于低雷诺数小型折叠无人机翼型优化设计的方法。采用Ferguson曲线对翼型进行参数化描述,并引入折叠状态下截面的几何关系作为附加约束,使用遗传算法和序列二次规划相结合作为寻优算法,对翼型升阻比和折叠空间允许的最大弦长进行优化。在isight平台上集成xFoil和matlab实现了这一优化流程。实例表明了方法的有效性,优化结果可以作为此类无人机翼型设计的参考。     

Design and simulation of ex-range gliding wing of high altitude air-launched autonomous underwater vehicles based on SIMULINK

 High altitude air-launched autonomous underwater vehicle (AL-AUV) is a new anti-submarine field, which is designed on the Lockheed Martin's high altitude anti-submarine warfare weapons concept (HAAWC) and conducts the basic aerodynamic feasibility in a series of wind tunnel trials. The AL-AUV is composed of a traditional torpedo-like AUV, an additional ex-range gliding wings unit and a descending parachute unit. In order to accurately and conveniently investigate the dynamic and static characteristic of high altitude AL-AUV, a simulation platform is established based on MATLAB/SIMULINK and an AUV 6DOF (Degree of Freedom) dynamic model. Executing the simulation platform for different wing's parameters and initial fixing angle, a set of AUV gliding data is generated. Analyzing the recorded simulation result, the velocity and pitch characteristics of AL-AUV deployed at varying wing areas and initial setting angle, the optimal wing area is selected for specific AUV model. Then the comparative simulations of AL-AUV with the selected wings are completed, which simulate the AUV gliding through idealized windless air environment and gliding with Dryden wind influence. The result indicates that the method of wing design and simulation with the simulation platform based on SIMULINK is accurately effective and suitable to be widely employed.     

高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计

针对飞翼布局无人机气动隐身多目标优化设计问题,以无人机翼面为设计对象,开展气动、隐身多目标优化设计研究。采用FFD方法实现飞翼布局的参数化表达;分别采用基于雷诺平均N-S方程的计算流体力学方法(CFD)及大面元物理光学法(LEPO)配合一致性几何绕射理论(UTD)计算边缘绕射场的RCS分析方法计算飞翼布局无人机的气动、隐身性能;选择结合基于动态超体积期望改善(EHVI)加点的动态Kriging代理模型与ASMOPSO算法的高效多目标粒子群算法对飞翼布局无人机进行综合寻优设计研究。在较少的调用真实目标函数的情况下,获得了比较优秀的Pareto前沿,通过对所选解的分析比较可知优化后的飞翼布局无人机在气动及隐身方面均优于原始构型。     

小型无人机发动机化油器高度调节器研究

在分析无人机发动机使用要求以及膜片式化油器高度供油特性的基础上,设计了一种通过压力差来调节针阀升程的高度调节器,有效地改善了高度变化对化油器空燃比的影响,提高了发动机的高度性能。试验结果表明,该高度调节器能够对空燃比随高度的变化进行自动调节,改善发动机的动力性和经济性,增加无人机的续航时间并提高无人机飞行的可靠性。     

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。     

小型太阳能无人机超大展弦比轻质主梁设计

太阳能无人机表面需要铺设太阳能电池,这就要求太阳能无人机的结构要同时满足不影响太阳能电池效率的光学特性和要达到足够强度、刚度的力学特性。文章针对小型太阳能飞机超大展弦比机翼进行轻质化结构设计,过程中充分考虑超大展弦比机翼的柔性变形,对比不同的设计方案并提出合理设计方案。     

翼身融合布局民机高低速协调设计

翼身融合（BWB）布局作为一种创新的布局形式,成为未来民用飞机发展的热点。与传统布局相比,BWB布局具有综合优势,是以安全性、经济性、舒适性和环保性为发展目标的下一代大型民用飞机的理想布局。针对BWB布局低速飞行性能不易满足"绿色航空"发展目标的技术现状,分析当前BWB布局高低速综合设计中出现的问题和面临的挑战,提出了改善低速性能的应对策略。通过总体参数对高低速性能的影响规律研究,分析了影响高低速协调设计的各种因素,指出翼载是影响高低速协调设计的核心参数。基于项目组长期研究工作,提出了综合考虑高低速性能的BWB布局设计要求,建立了高速向低速适当妥协,综合平衡高低速矛盾的设计思想,给出了由三点技术措施构成的高低速协调设计原则。根据本文提出的高低速协调设计思想和设计原则,采用多学科综合优化和气动综合设计方法,进行了概念方案的高低速协调设计,获得了高低速协调、综合性能优异的概念设计方案。CFD分析和风洞试验验证结果表明,协调设计后的概念方案,在保持优异巡航性能的同时,显著提高了低速性能,降低了对增升能力的需求,减小了高升力状态力矩平衡措施的设计压力,达到了保证巡航效率和提升低速性能的协调设计目标。本文提出的高低速协调设计思想和设计原则为提升BWB布局低速性能提供了新的思路和方法,可应用于翼身融合类民机布局研究,并可为其他用途翼身融合类飞机设计提供参考。     

翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述

翼身融合布局飞机具有大升阻比、低阻力、低噪声等优点,是未来民机最具潜力的发展方向之一;但由于特殊布局所采用的非圆截面增压机身,给翼身融合布局民机结构设计带来了巨大挑战。为了降低非圆截面机身承受增压载荷时产生的高弯曲应力、提高机身结构稳定性及承载效率,翼身融合民机机身结构设计先后经历了圆柱组合式多舱室机身、双蒙皮多舱室机身、带加强支撑的盒式机身、基于拉挤杆缝合高效一体化结构（Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure,PRSEUS）的盒式中央机体等发展阶段,其中最具承载优势和可实现性的是由美国国家航空航天局NASA和波音公司共同提出的基于PRSEUS盒式中央机体结构设计方案。PRSEUS结构不仅充分利用了复合材料一体化缝合、整体共固化、低成本等制造优势,而且具有抗拉伸/压缩、多路径止损/止裂、刚度和稳定性裕度大、承载效率高、易金属修补等优异的力学特性,已被拓展应用到了翼身融合民机机翼等结构设计中。本文以非圆截面机身结构设计为重点,回顾了翼身融合民机结构设计发展历程;从整机身结构、关键部件结构、整机优化设计等方面详细阐述了翼身融合民机结构设计的研究进展与发展现状,基于国外相关技术研究发展趋势,提出了中国翼身融合民机机身结构设计研究未来需要重点关注的方向。     

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。     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

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。     

升浮一体飞行器总体参数设计方法

临近空间飞行器近年来得到了广泛的关注和研究。为克服传统飞艇和太阳能飞机尺寸大、抗风能力差的缺点,本文提出了一种升浮一体飞行器概念方案,并对其总体参数设计方法进行研究。以能量平衡分析为核心,建立了太阳能电池系统、燃料电池系统、推进系统等子系统的数学模型,给出了适合于该飞行器的总体参数设计方法,并对总体设计参数进行了研究。结果表明,升浮一体飞行器相对于传统飞艇,体积下降了53%,长度下降了22%,起飞重量下降了4%。相对于固定翼太阳能飞机,翼展下降了52%,机翼面积减小了56%,起飞重量下降了3.5%。该类飞行器总体参数对飞行速度非常敏感,飞行速度从30 m/s提高至40 m/s时,起飞重量增加约1倍,艇体体积增大77%。提高太阳能电池、燃料电池和螺旋桨效率可有效降低起飞重量,且升浮一体飞行器比传统飞艇对上述参数更敏感。