基于飞行品质的无人旋翼飞行器总体多学科设计优化研究

发布时间：2020-05-10 10:02

【摘要】：无人旋翼飞行器可以垂直起降、空中悬停,具有突出的低空低速性能,易于搭载不同的任务设备,拓展出多样化的任务系统,在军民使用方面具有广阔的发展空间,无人旋翼飞行器设计技术是目前国际航空技术领域的前沿热点。无人旋翼飞行器不受载人条件限制,在构型设计方面自由度更大,突破了有人驾驶直升机的构型定式,呈现出多样化的设计趋势,涉及到较为复杂的升力分配、推力分配、气动干扰等设计问题,而且几乎没有可以借鉴的成熟先例。无人旋翼飞行器需要通过飞行控制系统实现飞行品质要求,须在总体设计阶段就考虑到飞行控制系统性能和飞行品质的要求,开展基于飞行品质要求的总体参数方案设计才能获得有效的总体设计方案。无人旋翼飞行器用途广泛、可实现的构型众多,针对无人旋翼飞行器构型选择问题,采用层次分析法(AHP),建立了构型评价指标体系和量化评估方法,根据性能指标、使用环境等要求实现对构型的评价和选择。针对无人旋翼飞行器多样化的构型特点,提出模块化气动建模方法,将典型的气动部件分别建立了适用的气动模型和重量分析模型,结合具体的构型特点,在配平条件下实现了多种构型旋翼飞行器需用功率计算;然后采用优化算法实现了基于飞行性能要求的总体参数快速整定。减少了总体参数设计对经验的依赖,解决了无人旋翼飞行器总体设计中可参考信息少的难题。针对无人旋翼飞行构型复杂、多升力面气动干扰问题突出,在统一的坐标系下,建立了单旋翼、旋翼与机翼、共轴双旋翼、纵列双旋翼布局气动模型,采用快速多级子算法进行尾迹计算加速,为飞行性能计算和飞行动力学分析奠定了技术基础。为了获得有效的总体参数设计方案,针对无人旋翼飞行器无人化特点,提出了基于飞行品质要求的无人旋翼飞行器参数设计方法。采用基于逆模型的显模型跟踪控制方法开展了飞行控制律设计,参考军用旋翼飞行器飞行品质规范(ADS-33E-PRF)的有关要求,建立了有效的飞行品质评估模型。以“翼扇涵体”构型无人旋翼飞行器为样例,着重研究了旋翼桨毂操纵功效对飞行品质的影响,拓展了总体参数设计范围,实现了基于飞行品质要求的参数方案设计,获得了有效的设计方案,为总体参数多学科综合设计优化奠定了技术基础。针对无人旋翼飞行器多学科总体设计优化需求,采用分布式多目标协同优化方法,融入飞行性能、结构重量、飞行动力学、飞行控制、旋翼气动设计等学科,建立了多学科综合设计优化模型。以长航时无人旋翼飞行器设计为例,采用前述的构型选择、总体参数估算等方法确定了飞行器的概念设计方案。以此为基础,采用建立的分布式多目标协同优化模型对长航时无人旋翼飞行器的总体设计方案进行了优化,获得了最优的无人旋翼飞行器参数设计方案。本文以理论建模结合实际样例设计验证相结合的研究方法,研究了多种构型无人旋翼飞行器构型选择和总体参数设计及优化技术,形成了较为完整的无人旋翼飞行器总体参数设计优化方法,可为无人旋翼飞行器总体设计提供借鉴和参考。
【图文】：

路线图,旋翼飞行器,构型

引言人机在当前军事活动与社会生产中发挥着越来越大的作用。随着技术的进步无人日趋复杂，要求无人机具有更强的任务适应能力、更好的飞行性能、更高的智能化来作战需求，美国在无人机路线图中对无人机的自主性进行了 10 个等级的划分，控、故障诊断/修复、多机编队协同到高级别的全自主集群能力都做了描述。随着升，不仅对无人机的飞行性能，也对无人机对环境的适应能力、对任务完成的精高的要求。现代及今后无人机的设计需要统筹包括飞行性能、飞行品质在内的诸多翼类无人飞行器是无人机中的重要组成部分，其具备垂直起降及悬停的能力，对求低，具有很大的使用灵活性，在军事侦察、预警、环境监测、地形测绘、搜救领域得到了广泛应用。比有人驾驶直升机，无人旋翼飞行器不受载人条件限制，，可以更多的根据使用任动布局，在构型上有更大的灵活性（图 1.1）。针对不同的使用需求，目前已开展人旋翼飞行器的研制，如单旋翼无人直升机、双旋翼无人直升机、多旋翼飞行器等，也包括为了拓展飞行器的最大前飞速度，将旋翼与机翼相结合的飞行器，如复合式高速直升机等。

气动布局,无人直升机,旋翼

基于飞行品质的无人旋翼飞行器总体多学科设计优化研究旋翼飞行器提供了更大的设计自由度。单旋翼无人直升机技术成熟，是发展最多的无人旋翼飞行器。AF25B 无人直升机是目前应最为广泛的小型无人直升机，其经过了依靠贝尔—希拉小翼增稳到依靠飞行控制系统增稳的展过程，取消贝尔—希拉小翼带来了旋翼结构的简化，获得了更好的使用维护性，更被用户受。奥地利 S-100 无人直升机（图 1.2（a））在舰载使用上获得了很大成功，其采用具有较大旋翼操纵功效的无铰式桨毂，使其获得了出色的抗风能力与操纵能力，但是由于旋翼操纵功的加强，在总设计过程当中，为满足飞行品质要求，须结合飞行控制系统设计考虑无铰式旋带来的迎角不稳定性问题。美国波音公司研制的 A-160T 长航时无人直升机（图 1.2（b））是行性能与飞行控制技术高度结合的机型，因搭载了接近 40%起飞重量的燃油，采用旋翼变转技术应对飞行重量的变化，使旋翼始终工作在最优气动效率状态，创下了 18.7h 的续航时间录。由于其旋翼转速不固定，其飞行操纵特性处于不断变化当中，为此对飞行品质设计提出巨大挑战，需要在设计过程中，针对飞行品质要求，结合结构、气动布局和飞行控制律设计展综合优化设计，以期获得最优的飞行性能。A-160T 无人直升机通过综合气动和飞行控制技设计取得了最优设计方案。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279

【参考文献】