【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)計技術(shù)是目前國際航空技術(shù)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。無人旋翼飛行器不受載人條件限制,在構(gòu)型設(shè)計方面自由度更大,突破了有人駕駛直升機的構(gòu)型定式,呈現(xiàn)出多樣化的設(shè)計趨勢,涉及到較為復(fù)雜的升力分配、推力分配、氣動干擾等設(shè)計問題,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)實現(xiàn)飛行品質(zhì)要求,須在總體設(shè)計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)計才能獲得有效的總體設(shè)計方案。無人旋翼飛行器用途廣泛、可實現(xiàn)的構(gòu)型眾多,針對無人旋翼飛行器構(gòu)型選擇問題,采用層次分析法(AHP),建立了構(gòu)型評價指標(biāo)體系和量化評估方法,根據(jù)性能指標(biāo)、使用環(huán)境等要求實現(xiàn)對構(gòu)型的評價和選擇。針對無人旋翼飛行器多樣化的構(gòu)型特點,提出模塊化氣動建模方法,將典型的氣動部件分別建立了適用的氣動模型和重量分析模型,結(jié)合具體的構(gòu)型特點,在配平條件下實現(xiàn)了多種構(gòu)型旋翼飛行器需用功率計算;然后采用優(yōu)化算法實現(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)計對經(jīng)驗的依賴,解決了無人旋翼飛行器總體設(shè)計中可參考信息少的難題。針對無人旋翼飛行構(gòu)型復(fù)雜、多升力面氣動干擾問題突出,在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,建立了單旋翼、旋翼與機翼、共軸雙旋翼、縱列雙旋翼布局氣動模型,采用快速多級子算法進行尾跡計算加速,為飛行性能計算和飛行動力學(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)計方案,針對無人旋翼飛行器無人化特點,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,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飛行品質(zhì)的影響,拓展了總體參數(shù)設(shè)計范圍,實現(xiàn)了基于飛行品質(zhì)要求的參數(shù)方案設(shè)計,獲得了有效的設(shè)計方案,為總體參數(shù)多學(xué)科綜合設(shè)計優(yōu)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。針對無人旋翼飛行器多學(xué)科總體設(shè)計優(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、飛行動力學(xué)、飛行控制、旋翼氣動設(shè)計等學(xué)科,建立了多學(xué)科綜合設(shè)計優(yōu)化模型。以長航時無人旋翼飛行器設(shè)計為例,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)化模型對長航時無人旋翼飛行器的總體設(shè)計方案進行了優(yōu)化,獲得了最優(yōu)的無人旋翼飛行器參數(shù)設(shè)計方案。本文以理論建模結(jié)合實際樣例設(shè)計驗證相結(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)計優(yōu)化方法,可為無人旋翼飛行器總體設(shè)計提供借鑒和參考。
【圖文】：

引言人機在當(dāng)前軍事活動與社會生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越大的作用。隨著技術(shù)的進步無人日趨復(fù)雜，要求無人機具有更強的任務(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，美國在無人機路線圖中對無人機的自主性進行了 10 個等級的劃分，控、故障診斷/修復(fù)、多機編隊協(xié)同到高級別的全自主集群能力都做了描述。隨著升，不僅對無人機的飛行性能，也對無人機對環(huán)境的適應(yīng)能力、對任務(wù)完成的精高的要求�，F(xiàn)代及今后無人機的設(shè)計需要統(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中的重要組成部分，其具備垂直起降及懸停的能力，對求低，具有很大的使用靈活性，在軍事偵察、預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測、地形測繪、搜救領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比有人駕駛直升機，無人旋翼飛行器不受載人條件限制，，可以更多的根據(jù)使用任動布局，在構(gòu)型上有更大的靈活性（圖 1.1）。針對不同的使用需求，目前已開展人旋翼飛行器的研制，如單旋翼無人直升機、雙旋翼無人直升機、多旋翼飛行器等，也包括為了拓展飛行器的最大前飛速度，將旋翼與機翼相結(jié)合的飛行器，如復(fù)合式高速直升機等。

基于飛行品質(zhì)的無人旋翼飛行器總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究旋翼飛行器提供了更大的設(shè)計自由度。單旋翼無人直升機技術(shù)成熟，是發(fā)展最多的無人旋翼飛行器。AF25B 無人直升機是目前應(yīng)最為廣泛的小型無人直升機，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)的簡化，獲得了更好的使用維護性，更被用戶受。奧地利 S-100 無人直升機（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，在總設(shè)計過程當(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)計考慮無鉸式旋帶來的迎角不穩(wěn)定性問題。美國波音公司研制的 A-160T 長航時無人直升機（圖 1.2（b））是行性能與飛行控制技術(shù)高度結(jié)合的機型，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)對飛行重量的變化，使旋翼始終工作在最優(yōu)氣動效率狀態(tài)，創(chuàng)下了 18.7h 的續(xù)航時間錄。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，為此對飛行品質(zhì)設(shè)計提出巨大挑戰(zhàn)，需要在設(shè)計過程中，針對飛行品質(zhì)要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)、氣動布局和飛行控制律設(shè)計展綜合優(yōu)化設(shè)計，以期獲得最優(yōu)的飛行性能。A-160T 無人直升機通過綜合氣動和飛行控制技設(shè)計取得了最優(yōu)設(shè)計方案。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279

【參考文獻】

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本文編號：2657132