無人機(jī)制造外形氣動(dòng)偏差評(píng)估方法

包曉翔，孫凱軍，付義偉

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 彩虹無人機(jī)科技有限公司，北京 100074)

0 引 言

氣動(dòng)外形對(duì)無人機(jī)起著至關(guān)重要的作用，它提供無人機(jī)飛行時(shí)所需的升力及飛行姿態(tài)力矩平衡。無人機(jī)的氣動(dòng)外形是根據(jù)其任務(wù)剖面設(shè)計(jì)點(diǎn)確定設(shè)計(jì)的，如果其外形發(fā)生變化，特別是機(jī)翼、尾翼(或鴨翼)等升力面的外形變化，輕則影響無人機(jī)性能指標(biāo)和飛行品質(zhì),重則影響飛行安全。然而在飛機(jī)制造過程中，外形加工不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差和偏差，因此需要對(duì)所加工的外形進(jìn)行檢測驗(yàn)收，評(píng)估制造誤差對(duì)無人機(jī)氣動(dòng)特性的影響，以保證無人機(jī)滿足性能指標(biāo)和飛行安全。

飛機(jī)制造結(jié)構(gòu)驗(yàn)收常用的方法是測量翼面及機(jī)身的關(guān)鍵尺寸、相對(duì)位置、安裝角度等。此方法的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確地、全面地檢測飛機(jī)外形制造的幾何偏差，例如機(jī)翼翼型偏差、翼面上的凸凹變形等，也不能定量地評(píng)估制造誤差對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

近年來，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。R.S.Pappa等[1]利用數(shù)字相機(jī)測量了航天器天線；M.D.Nowak等[2]采用一種高精度數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)測量了太空望遠(yuǎn)鏡；蔣山平等[3-4]對(duì)衛(wèi)星等航天器結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了攝影測量；鄒冀華[5]、鄒愛麗等[6]將數(shù)字化測量技術(shù)運(yùn)用到飛機(jī)裝配中；牛潤軍[7]對(duì)飛機(jī)部件的數(shù)字化測量技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。目前，國內(nèi)外鮮有利用數(shù)字測量系統(tǒng)來評(píng)估無人機(jī)制造氣動(dòng)偏差的相關(guān)研究。

在氣動(dòng)方面，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)[8]已較為成熟，且計(jì)算精度很高。本文基于數(shù)字?jǐn)z影測量及CFD技術(shù)，提出一種評(píng)估無人機(jī)制造外形氣動(dòng)偏差的方法，以期實(shí)現(xiàn)定量地評(píng)估制造誤差對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

1 評(píng)估方法

評(píng)估無人機(jī)外形制造氣動(dòng)偏差的方法如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)偏差評(píng)估流程

首先將制造出的待測無人機(jī)水平地放置在地面上，利用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)測量并獲得無人機(jī)外形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以機(jī)頭為參考點(diǎn)，將測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理論模型的坐標(biāo)系重合，對(duì)比重合度統(tǒng)計(jì)無人機(jī)制造外形與理論外形的幾何偏差分布。在三維建模軟件中，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，獲得無人機(jī)制造外形的三維模型。對(duì)無人機(jī)理論外形進(jìn)行CFD網(wǎng)格劃分，利用CFD計(jì)算得到氣動(dòng)力，并與其風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以通過調(diào)整網(wǎng)格(例如網(wǎng)格數(shù)量、局部網(wǎng)格加密及附面層網(wǎng)格尺寸等)及計(jì)算方法設(shè)置(例如湍流模型、離散格式及邊界條件等)得到與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的CFD計(jì)算方法。將逆向建模模型導(dǎo)入無人機(jī)理論外形的CFD網(wǎng)格，將網(wǎng)格進(jìn)行微調(diào)適配；采用相同的 CFD計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得到無人機(jī)制造外形的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。將逆向建模模型的氣動(dòng)力與無人機(jī)理論氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可評(píng)估外形制造誤差對(duì)無人機(jī)氣動(dòng)特性的影響。

2 無人機(jī)制造外形及數(shù)字?jǐn)z影測量

某型無人機(jī)的生產(chǎn)制造實(shí)物如圖2所示。將無人機(jī)擺放在水平地面上，由鄭州辰維科技股份有限公司采用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)測量得到無人機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(測量精度在1 mm以內(nèi))。由于影響無人機(jī)氣動(dòng)性能的主要因素是翼面(機(jī)身的變化僅對(duì)阻力有一定影響)，只測量無人機(jī)機(jī)翼、鴨翼及垂尾。將所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與無人機(jī)理論設(shè)計(jì)三維模型的坐標(biāo)系重合，對(duì)比無人機(jī)制造模型的測量數(shù)據(jù)與理論模型，并進(jìn)行偏差分析和偏差統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。圖3(a)為測量模型表面與理論外形尺寸偏差分布(單位為mm)，顏色越深表示偏差越大，圖3(b)為不同偏差高度在全機(jī)偏差中所占百分比的統(tǒng)計(jì)。

圖2 某型無人機(jī)制造實(shí)物

(a) 偏差分布

(b) 偏差分布統(tǒng)計(jì)

從圖3可以看出：無人機(jī)制造偏差集中在2～5 mm，最大為25 mm。

分別截取了設(shè)計(jì)外形(實(shí)線)和實(shí)測外形(虛線)展向z=400 mm和z=2 400 mm的翼型進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

(a) z=400 mm鴨翼對(duì)比

(b) z=2 400 mm機(jī)翼對(duì)比

從圖4可以看出：無人機(jī)制造外形的右側(cè)機(jī)翼及鴨翼截面與理論設(shè)計(jì)偏差較大，最大偏差為20 mm。

3 逆向建模及CFD計(jì)算

3.1 逆向建模

根據(jù)測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用NURBS曲面[9]進(jìn)行逆向建模，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)逆向建模三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析

全模網(wǎng)格由ICEM生成的O-H結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格量1 000萬左右，網(wǎng)格示意圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格示意圖

CFD計(jì)算利用Fluent軟件，采用有限體積法[10]求解N-S方程，選用S-A湍流模型，采用壓力遠(yuǎn)場和切向無滑移、絕熱壁和法向無穿透物面邊界條件。

計(jì)算狀態(tài)：速度50 m/s，飛行高度0 km，攻角范圍-4°～8°，側(cè)滑角為0°。

首先，對(duì)無人機(jī)理論外形進(jìn)行CFD計(jì)算，通過網(wǎng)格調(diào)整及計(jì)算設(shè)置，使CFD結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)相吻合(在此不做詳述)。利用該方法，對(duì)逆向建模外形進(jìn)行CFD計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對(duì)比，如圖7～圖8所示。

(a) 升力系數(shù)

(b) 升阻比

(c) 俯仰力矩系數(shù)

圖8 無人機(jī)制造外形滾轉(zhuǎn)力矩

從圖7可以看出：無人機(jī)制造外形升力下降，特別是在小攻角時(shí)，比理論值下降了12%；小攻角范圍(0°～4°)內(nèi)，升阻比變化不大；制造外形俯仰力矩系數(shù)整體向上平移，偏差1°配平攻角，將影響無人機(jī)飛行升降舵配平舵偏角。

從圖8可以看出：無人機(jī)理論外形是左右對(duì)稱的，其橫向力矩為零，但制造外形存在一個(gè)向右的滾轉(zhuǎn)力矩，且從圖3(a)也可以看出，左右機(jī)翼偏差呈不對(duì)稱性。因此，無人機(jī)平飛時(shí)，為了保證飛機(jī)橫向平衡，需要副翼預(yù)置一定角度。

此外，利用計(jì)算的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步評(píng)估外形制造偏差的無人機(jī)起飛距離、離地速度、爬升率、航程及航時(shí)，進(jìn)而全面評(píng)估其技術(shù)指標(biāo)及飛行品質(zhì)，避免無人機(jī)飛行時(shí)因外形制造偏差帶來的安全隱患。

4 結(jié) 論

(1) 本文基于數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)及CFD計(jì)算技術(shù)提出了一種評(píng)估無人機(jī)外形制造偏差對(duì)氣動(dòng)性能影響的方法，該方法能夠定量地評(píng)估外形制造偏差對(duì)無人機(jī)氣動(dòng)特性的影響。

(2) 針對(duì)某型無人機(jī)進(jìn)行制造外形偏差評(píng)估，升阻比下降明顯，縱向和橫向都存在力矩偏差，需要一定的預(yù)置配平舵面。

(3) 利用此方法，可以全面統(tǒng)計(jì)無人機(jī)制造外形與理論外形的幾何偏差分布，能獲得無人機(jī)制造外形的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，定量地給出氣動(dòng)偏差，為進(jìn)一步評(píng)估其性能指標(biāo)和飛行品質(zhì)提供依據(jù)。