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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

赵洪  
【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。


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