【摘要】：無人旋翼飛行器可以垂直起降、空中懸停,具有突出的低空低速性能,易于搭載不同的任務(wù)設(shè)備,拓展出多樣化的任務(wù)系統(tǒng),在軍民使用方面具有廣闊的發(fā)展空間,無人旋翼飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)是目前國(guó)際航空技術(shù)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。無人旋翼飛行器不受載人條件限制,在構(gòu)型設(shè)計(jì)方面自由度更大,突破了有人駕駛直升機(jī)的構(gòu)型定式,呈現(xiàn)出多樣化的設(shè)計(jì)趨勢(shì),涉及到較為復(fù)雜的升力分配、推力分配、氣動(dòng)干擾等設(shè)計(jì)問題,而且?guī)缀鯖]有可以借鑒的成熟先例。無人旋翼飛行器需要通過飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行品質(zhì)要求,須在總體設(shè)計(jì)階段就考慮到飛行控制系統(tǒng)性能和飛行品質(zhì)的要求,開展基于飛行品質(zhì)要求的總體參數(shù)方案設(shè)計(jì)才能獲得有效的總體設(shè)計(jì)方案。無人旋翼飛行器用途廣泛、可實(shí)現(xiàn)的構(gòu)型眾多,針對(duì)無人旋翼飛行器構(gòu)型選擇問題,采用層次分析法(AHP),建立了構(gòu)型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和量化評(píng)估方法,根據(jù)性能指標(biāo)、使用環(huán)境等要求實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)型的評(píng)價(jià)和選擇。針對(duì)無人旋翼飛行器多樣化的構(gòu)型特點(diǎn),提出模塊化氣動(dòng)建模方法,將典型的氣動(dòng)部件分別建立了適用的氣動(dòng)模型和重量分析模型,結(jié)合具體的構(gòu)型特點(diǎn),在配平條件下實(shí)現(xiàn)了多種構(gòu)型旋翼飛行器需用功率計(jì)算;然后采用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了基于飛行性能要求的總體參數(shù)快速整定。減少了總體參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴,解決了無人旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)中可參考信息少的難題。針對(duì)無人旋翼飛行構(gòu)型復(fù)雜、多升力面氣動(dòng)干擾問題突出,在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,建立了單旋翼、旋翼與機(jī)翼、共軸雙旋翼、縱列雙旋翼布局氣動(dòng)模型,采用快速多級(jí)子算法進(jìn)行尾跡計(jì)算加速,為飛行性能計(jì)算和飛行動(dòng)力學(xué)分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為了獲得有效的總體參數(shù)設(shè)計(jì)方案,針對(duì)無人旋翼飛行器無人化特點(diǎn),提出了基于飛行品質(zhì)要求的無人旋翼飛行器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。采用基于逆模型的顯模型跟蹤控制方法開展了飛行控制律設(shè)計(jì),參考軍用旋翼飛行器飛行品質(zhì)規(guī)范(ADS-33E-PRF)的有關(guān)要求,建立了有效的飛行品質(zhì)評(píng)估模型。以“翼扇涵體”構(gòu)型無人旋翼飛行器為樣例,著重研究了旋翼槳轂操縱功效對(duì)飛行品質(zhì)的影響,拓展了總體參數(shù)設(shè)計(jì)范圍,實(shí)現(xiàn)了基于飛行品質(zhì)要求的參數(shù)方案設(shè)計(jì),獲得了有效的設(shè)計(jì)方案,為總體參數(shù)多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。針對(duì)無人旋翼飛行器多學(xué)科總體設(shè)計(jì)優(yōu)化需求,采用分布式多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化方法,融入飛行性能、結(jié)構(gòu)重量、飛行動(dòng)力學(xué)、飛行控制、旋翼氣動(dòng)設(shè)計(jì)等學(xué)科,建立了多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。以長(zhǎng)航時(shí)無人旋翼飛行器設(shè)計(jì)為例,采用前述的構(gòu)型選擇、總體參數(shù)估算等方法確定了飛行器的概念設(shè)計(jì)方案。以此為基礎(chǔ),采用建立的分布式多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型對(duì)長(zhǎng)航時(shí)無人旋翼飛行器的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,獲得了最優(yōu)的無人旋翼飛行器參數(shù)設(shè)計(jì)方案。本文以理論建模結(jié)合實(shí)際樣例設(shè)計(jì)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法,研究了多種構(gòu)型無人旋翼飛行器構(gòu)型選擇和總體參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù),形成了較為完整的無人旋翼飛行器總體參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,可為無人旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
【圖文】：

引言人機(jī)在當(dāng)前軍事活動(dòng)與社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越大的作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步無人日趨復(fù)雜，要求無人機(jī)具有更強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)能力、更好的飛行性能、更高的智能化來作戰(zhàn)需求，美國(guó)在無人機(jī)路線圖中對(duì)無人機(jī)的自主性進(jìn)行了 10 個(gè)等級(jí)的劃分，控、故障診斷/修復(fù)、多機(jī)編隊(duì)協(xié)同到高級(jí)別的全自主集群能力都做了描述。隨著升，不僅對(duì)無人機(jī)的飛行性能，也對(duì)無人機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力、對(duì)任務(wù)完成的精高的要求。現(xiàn)代及今后無人機(jī)的設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌包括飛行性能、飛行品質(zhì)在內(nèi)的諸多翼類無人飛行器是無人機(jī)中的重要組成部分，其具備垂直起降及懸停的能力，對(duì)求低，具有很大的使用靈活性，在軍事偵察、預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地形測(cè)繪、搜救領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比有人駕駛直升機(jī)，無人旋翼飛行器不受載人條件限制，，可以更多的根據(jù)使用任動(dòng)布局，在構(gòu)型上有更大的靈活性（圖 1.1）。針對(duì)不同的使用需求，目前已開展人旋翼飛行器的研制，如單旋翼無人直升機(jī)、雙旋翼無人直升機(jī)、多旋翼飛行器等，也包括為了拓展飛行器的最大前飛速度，將旋翼與機(jī)翼相結(jié)合的飛行器，如復(fù)合式高速直升機(jī)等。

基于飛行品質(zhì)的無人旋翼飛行器總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究旋翼飛行器提供了更大的設(shè)計(jì)自由度。單旋翼無人直升機(jī)技術(shù)成熟，是發(fā)展最多的無人旋翼飛行器。AF25B 無人直升機(jī)是目前應(yīng)最為廣泛的小型無人直升機(jī)，其經(jīng)過了依靠貝爾—希拉小翼增穩(wěn)到依靠飛行控制系統(tǒng)增穩(wěn)的展過程，取消貝爾—希拉小翼帶來了旋翼結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，獲得了更好的使用維護(hù)性，更被用戶受。奧地利 S-100 無人直升機(jī)（圖 1.2（a））在艦載使用上獲得了很大成功，其采用具有較大旋翼操縱功效的無鉸式槳轂，使其獲得了出色的抗風(fēng)能力與操縱能力，但是由于旋翼操縱功的加強(qiáng)，在總設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，為滿足飛行品質(zhì)要求，須結(jié)合飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮無鉸式旋帶來的迎角不穩(wěn)定性問題。美國(guó)波音公司研制的 A-160T 長(zhǎng)航時(shí)無人直升機(jī)（圖 1.2（b））是行性能與飛行控制技術(shù)高度結(jié)合的機(jī)型，因搭載了接近 40%起飛重量的燃油，采用旋翼變轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)對(duì)飛行重量的變化，使旋翼始終工作在最優(yōu)氣動(dòng)效率狀態(tài)，創(chuàng)下了 18.7h 的續(xù)航時(shí)間錄。由于其旋翼轉(zhuǎn)速不固定，其飛行操縱特性處于不斷變化當(dāng)中，為此對(duì)飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)提出巨大挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)飛行品質(zhì)要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)布局和飛行控制律設(shè)計(jì)展綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得最優(yōu)的飛行性能。A-160T 無人直升機(jī)通過綜合氣動(dòng)和飛行控制技設(shè)計(jì)取得了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2657132