高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的問(wèn)題探討

張磊，王璇

（1.寧波阿瑞斯自動(dòng)化技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315048；2.山西阿瑞斯自動(dòng)化科技有限公司，山西 太原 030006；3.東方通用航空攝影有限公司，山西 太原 030006）

高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的問(wèn)題探討

張磊1，2，王璇3

（1.寧波阿瑞斯自動(dòng)化技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315048；2.山西阿瑞斯自動(dòng)化科技有限公司，山西 太原 030006；3.東方通用航空攝影有限公司，山西 太原 030006）

無(wú)人機(jī)進(jìn)行高空長(zhǎng)航時(shí)不僅要注重載荷能力和工作效率，還需要注意氣流對(duì)無(wú)人機(jī)的航時(shí)的影響作用。因此，不能為了提高裝載力和氣動(dòng)力采用大展弦比輕機(jī)翼，將大展弦比輕機(jī)翼在氣流的作用下對(duì)無(wú)人機(jī)性能的影響忽略不計(jì)。在對(duì)Helios事故的分析報(bào)告中明確指出沒(méi)有真實(shí)可靠的反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的分析工具及方法，是造成事故的主要原因。同時(shí)，也是目前研究高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

高空長(zhǎng)航；無(wú)人機(jī)；多學(xué)科設(shè)計(jì)

高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)面臨的氣動(dòng)彈性問(wèn)題可以通過(guò)主動(dòng)控制的技術(shù)來(lái)解決。在對(duì)高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先考慮主動(dòng)控制對(duì)機(jī)身性能的作用，利用主動(dòng)控制的相關(guān)技術(shù)來(lái)緩解氣動(dòng)彈性問(wèn)題對(duì)無(wú)人機(jī)性能的影響。為此，我們通過(guò)對(duì)主動(dòng)控制技術(shù)的研究，開(kāi)展氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)尺寸等多學(xué)科的優(yōu)化方案，同時(shí)，建立主動(dòng)控制的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

1 多學(xué)科設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

在技術(shù)不斷發(fā)展的形勢(shì)下，無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的研究工作也隨之加深了難度，對(duì)技術(shù)與設(shè)計(jì)的要求也有所提高。然而，以往的單學(xué)科設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)代發(fā)展的需求，它存在的問(wèn)題已經(jīng)不容忽視。由于無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，對(duì)于各個(gè)學(xué)科的專業(yè)技術(shù)及學(xué)科間的相互配合是一大考驗(yàn)，各個(gè)學(xué)科之間相互制約、互為作用致使其中的某一學(xué)科在確定設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)都存在一定的困難，需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不斷與其他學(xué)科部門之間交流、溝通，才能確保設(shè)計(jì)的合理性。

由于單一學(xué)科在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)與各個(gè)學(xué)科部門之間的交流與溝通浪費(fèi)了很大一部分時(shí)間與人力，這種單學(xué)科的設(shè)計(jì)方法很難呈現(xiàn)出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，可以說(shuō)已經(jīng)在很大程度上制約了無(wú)人機(jī)的性能。因?yàn)閱我粚W(xué)科在設(shè)計(jì)時(shí)存在諸多弊端，為此引發(fā)了相關(guān)研究人員對(duì)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的重視，并且已經(jīng)有部分設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題得到有效解決，這也體現(xiàn)了多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展是必然趨勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)外的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的耦合強(qiáng)度作用下，使無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)得以快速發(fā)展。在以往的研究中，研究者注重對(duì)方法和框架的優(yōu)化研究，針對(duì)這一問(wèn)題相關(guān)研究機(jī)構(gòu)使用多目標(biāo)遺傳的算法為超音速機(jī)翼的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中讓機(jī)翼中的幾何形狀作為主要設(shè)計(jì)元素，通過(guò)對(duì)最小氣動(dòng)阻力和機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的控制得出一組數(shù)據(jù)。

以小型噴氣式飛機(jī)為研究對(duì)象，在靜氣動(dòng)彈變形的情況下對(duì)小型噴氣式飛機(jī)的氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析，在確保顫振邊界滿足約束條件的情況下，觀察氣動(dòng)阻力和結(jié)構(gòu)尺寸的變化，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下氣動(dòng)阻力和機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量都有降低的現(xiàn)象。通過(guò)使用分級(jí)優(yōu)化方式對(duì)運(yùn)輸機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 采用估算的方式對(duì)運(yùn)輸機(jī)的氣動(dòng)力進(jìn)行估算。同樣采用板殼建模方式對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將機(jī)翼的重點(diǎn)最小化作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2.2 氣動(dòng)彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合材料推出之后在各個(gè)領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用，在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)出了自身的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)人員開(kāi)始注重復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)中的研究，通過(guò)合理的剪裁設(shè)計(jì)可以減少氣動(dòng)彈性對(duì)無(wú)人機(jī)性能的影響。將復(fù)合材料使用到機(jī)翼的建模設(shè)計(jì)中，使用相關(guān)的理論對(duì)無(wú)人機(jī)的非定常氣動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，深入研究氣動(dòng)彈性的顫振邊界，以便于合理裁剪。

在國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)氣動(dòng)彈性的相關(guān)剪裁與設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。隨著研究的不斷深入，研究所使用的工程估算法和低精度求解器的精準(zhǔn)度已經(jīng)無(wú)法滿足深入研究的需求。而高精度求解器的使用會(huì)給研究帶來(lái)巨大的計(jì)算量，雖然代理模型的建模方式具有減少計(jì)算量和提高效率的明顯優(yōu)勢(shì)，但是代理模型在多學(xué)科的情況下會(huì)對(duì)精度造成影響。

基于以上國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的研究發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)研究方向中仍存在以下問(wèn)題：在柔性飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與飛行動(dòng)力學(xué)耦合方程方面，為了降低分析難度和計(jì)算量，研究者們?cè)谘芯窟^(guò)程中采用了較多的簡(jiǎn)化假設(shè)：第一，普遍采用了準(zhǔn)定常氣動(dòng)力表達(dá)方法，當(dāng)減縮頻率較高時(shí)，準(zhǔn)定常方法則無(wú)法精確的捕捉非定常效應(yīng)；第二，在推導(dǎo)中普遍假設(shè)機(jī)身尾翼為剛體，只有我國(guó)在研究中考慮了機(jī)身柔性，但是沒(méi)有明確給出全柔性飛機(jī)動(dòng)力學(xué)方程，導(dǎo)致方程通用性不強(qiáng)。

3 高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的探討

3.1 多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

為了研究多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式，許多研究機(jī)構(gòu)組建了特定的研究團(tuán)隊(duì)。密歇根大學(xué)多學(xué)科優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室中的Martins等人就在使用復(fù)雜氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)模型和高精度數(shù)值求解器的同時(shí)，又利用伴隨方程的方法對(duì)大展弦比跨音速運(yùn)輸類飛機(jī)的機(jī)翼布局和氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且取得一定成效。多學(xué)科的優(yōu)化研究不僅對(duì)結(jié)構(gòu)、尺寸、氣動(dòng)外形都達(dá)到優(yōu)化的效果，發(fā)揮了多學(xué)科優(yōu)化方法的實(shí)用價(jià)值，還提高了飛機(jī)的性能。

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)以往的研究分析，發(fā)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中往往忽略了控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)身性能的影響作用。如果在設(shè)計(jì)階段就將控制系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服彈性對(duì)機(jī)身性能的作用，就會(huì)在很大程度上為無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更好的成效，提高無(wú)人機(jī)的性能。相關(guān)研究人員曾提出多學(xué)科優(yōu)化的框架，該框架采用的是模糊算法，以飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程度作為評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的依據(jù)，對(duì)控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并且將控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和傳統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化中的重量和性能等同時(shí)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考因素，這套框架中采用的是工程估算法對(duì)結(jié)構(gòu)重量和氣動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)麥克唐納道格拉斯公司的先進(jìn)超音速巡航飛機(jī)構(gòu)型的全動(dòng)平尾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，很明顯的表現(xiàn)出將控制系統(tǒng)考慮在內(nèi)的優(yōu)化方案更具性能優(yōu)勢(shì)。

3.3 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在多學(xué)科設(shè)計(jì)中不僅要考慮控制系統(tǒng)對(duì)性能的影響，還需要考慮系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。相關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)的深入研究，在原有多學(xué)科設(shè)計(jì)框架的基礎(chǔ)上又增加了穩(wěn)定系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。研究中將130座級(jí)的窄體客機(jī)作為研究對(duì)象。對(duì)比考慮穩(wěn)定系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和不考慮穩(wěn)定系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在考慮穩(wěn)定系統(tǒng)細(xì)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，客機(jī)的航程增加了9．8%，同時(shí)靜穩(wěn)定度減小了約34%，這就體現(xiàn)出了系統(tǒng)穩(wěn)定細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)性能的有利作用。這一研究發(fā)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，但是在研究中同樣采用的是工程估算方法進(jìn)行的氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行評(píng)估，這種評(píng)估方式的可靠性和對(duì)性能提升量的分析作用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的外形設(shè)計(jì)

歷史上的眾多學(xué)者及研究者在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行可行性研究時(shí)，只注重對(duì)機(jī)身性能的考慮，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重于研究機(jī)身結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，這不符合多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念。在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮到各類影響機(jī)身性能的因素，首要一點(diǎn)就是對(duì)機(jī)身氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)工作。Nam和Chattopadhyay等人對(duì)復(fù)合材料的掠機(jī)翼進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，將機(jī)翼的形狀、使用材料、副翼的大小及位置進(jìn)行深入研究。利用輸出反饋的方式對(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，采用多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的飛機(jī)在性能上有一定程度的提高。Sohrab和Matrins等人對(duì)無(wú)人機(jī)的陣風(fēng)減緩、機(jī)翼形狀和結(jié)構(gòu)綜合考慮之后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且采用非定常渦格法對(duì)氣動(dòng)力進(jìn)行估算，對(duì)空心薄壁的機(jī)翼模型和優(yōu)化之后的無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在優(yōu)化氣動(dòng)結(jié)構(gòu)之后的數(shù)據(jù)表述較于之前的航程增加21．7%，而對(duì)陣風(fēng)減緩性能進(jìn)行優(yōu)化之后使機(jī)翼的厚度明顯減少。

3.5 對(duì)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證

將波音設(shè)計(jì)的飛機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)多學(xué)科的優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在考慮主動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，該研究對(duì)象在航程上較之前增加了13%，之后是航程保持不變對(duì)耗油量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)較之前減少了6%，使用空重減輕約1．2%，這組數(shù)據(jù)足以說(shuō)明多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性；將結(jié)構(gòu)尺寸和控制律作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行氣動(dòng)伺服彈性優(yōu)化設(shè)計(jì)，它采用的是目標(biāo)規(guī)劃法，使用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件和CFD程序?qū)ν欢尉匦螜C(jī)翼進(jìn)行分析，之后對(duì)有無(wú)考慮陣風(fēng)減緩系統(tǒng)對(duì)機(jī)翼的響應(yīng)作用進(jìn)行分析，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且對(duì)比數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)的參數(shù)，通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出考慮陣風(fēng)減緩系統(tǒng)優(yōu)化后的飛機(jī)可以降低梁緣條高度，使飛機(jī)性能得到進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)有了驚人的快速發(fā)展，而高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)技術(shù)的多學(xué)科設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基本上仍遵循一種固定的模式。如今，當(dāng)大家爭(zhēng)相研制高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的時(shí)候，就感到常規(guī)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)技術(shù)難以滿足新型高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的發(fā)展需求。新型高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)強(qiáng)調(diào)要高、精、尖，特別在自主化和智能化方面有很高的要求，因此各種技術(shù)要?jiǎng)?chuàng)新，從而使高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)更符合人們的需求。

[1]張強(qiáng),祝小平,周洲等．高空長(zhǎng)航時(shí)飛翼布局無(wú)人機(jī)靜氣動(dòng)彈性研究[J]．飛行力學(xué),2016(1):40-45．

[2]祝彬,陳笑南,范桃英．國(guó)外超高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)發(fā)展分析[J]．中國(guó)航天,2013(11):28-32．

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