2.1.1 翼型优化设计方法

低雷诺数是长航时无人机的重要气动特征之一.国内外学者分别通过试验和计算流体力学(CFD)方法进行了低雷诺数翼型气动特性的研究.结果表明，低雷诺数条件下翼型层流分离现象体现出强非定常特性，具有流动分离、转捩和再附等复杂流场结构特征[17]，从而导致阻力系数陡增，最大升阻比快速下降，以及升力系数非线性效应[18]和静态滞回效应[19]等.

优化设计方法可有效地提高翼型的升力系数和降低阻力系数，使翼型具有更高的综合气动性能.长航时无人机翼型基本设计目标包括设计点升力系数、最大升力系数、失速特性(失速过程是否缓和)、最小阻力系数、设计点阻力系数、零升力矩、力矩线性范围等.翼型优化设计方法主要有两种：反设计法和最优化法.其中，反设计法是一种高效的设计方法.Zhu等[20]采用反设计方法设计了自然层流翼型，并用非接触测量方式对设计效果进行了实验验证.华俊等[21-23]应用反设计法对高升力缓失速翼型进行了优化设计，采用改进余量修正迭代方法，设计了升力线线性段延长，升力线斜率增加，失速特性缓和的有利于“高升力长航时”安全飞行的翼型.

最优化法将设计对象的气动分析与最优化方法相结合，通过不断改变设计对象的气动外形，使气动性能在满足给定约束条件下达到最优.最优化法设计流程如图4所示，基本思路为：基于Hicks-Henne型函数、Parsec Method和B-spline Curves等方法参数化翼型[24-25]；在低雷诺数飞行条件下，对翼型气动性能进行分析；结合优化算法对参数化的翼型进行设计.数值模拟精度和优化算法是长航时翼型成功设计的关键.

图4 常用优化算法优化翼型流程图[26]

Fig.4 Schematic diagram of common algorithm structure for airfoil aerodynamic optimization[26]

翼型优化过程中常用的气动分析方法包括工程方法、基于势流理论的数值模拟方法、基于欧拉方程的数值模拟方法和基于N-S方程的数值模拟方法.在涉及到复杂流动问题以及结合多点计算的优化算法时，高精度的数值模拟需要耗费较大的计算资源，因此有研究人员提出了构建代理模型来代替气动分析数值模拟的方法，减小优化设计的计算量.代理模型的构造主要有：参数化方法，如Kriging方法和多项式回归法；非参数化方法，如径向基函数和神经网络等，相关研究详见文献[27-29].

目前常用的翼型优化算法主要有控制面法[30]、多目标遗传算法[31]、粒子群优化算法[32]等.针对长航时无人机翼型，Zhao等[33]通过求解考虑层流转捩的雷诺平均N-S方程，基于粒子群优化算法，构建了翼型综合优化设计平台，寻找可以应用于长航时无人机的最优自然层流翼型.Nikolaev等[34]基于遗传算法，利用翼展方向的升力系数分布对翼型进行优化，实现了低雷诺数条件下大展弦比机翼的准确计算与快速优化设计.

2.1.2 流动控制技术研究

采用适当的流动控制技术也是增大机翼升阻比的重要方法.目前国内外均已展开了低雷诺数翼型控制技术的研究，流动控制主要分为主动流动控制和被动流动控制.针对主动流动控制技术，Yang等[35]进行了低雷诺数下声激励主动流动控制技术的研究.Buchmann等[36]提出了前缘零质量射流对大迎角分离的控制技术.左伟等[37]和刘沛清等[38]分别应用合成微射流(Micro-SJ)和吹吸气技术，对翼面层流分离泡(低雷诺数下翼型的特殊流动现象)进行控制，推迟了失速迎角、增大了机翼最大升力系数和最大升阻比.由于主动控制技术需要利用加入外部能量对边界层进行控制，增加了额外复杂激励装置，因此，加大了长航时无人机应用该技术的难度.

被动流动控制方法具有耗能小、装置简单、实用性强、控制效果明显等优点，常用的被动流动控制方法有涡流发生器、沟槽壁面、前缘襟翼、后缘缝翼以及仿生机翼前后缘等[39-42].被动流动控制通过控制边界层流动状态，抑制了流动分离，提高了机翼升阻比，并改善了机翼失速特性.随着智能材料的发展，可变形机翼成为被动流动控制研究的重要分支[43]，如图5所示.目前已有学者开展了长航时无人机可变形机翼技术的研究.

图5 后缘可变形机翼示意[44]

Fig.5 Morphing wing with a flexible trailing-edge[44]

Lafountain等[45]针对“全球鹰”无人机LRN 1050翼型应用了可变形机翼技术.研究了襟翼偏转和翼型弯度变形之间的关系，结果表明，应用机翼后缘弯度变形可以代替襟翼偏转对无人机的操纵，同时能保持较高的气动效率.Della[46]等通过飞行试验和参数化空气动力学分析，证明了自适应机翼后缘可以有效改善长航时无人机的飞行性能和地面性能.当前适用于长航时无人机的流动控制方案还需要进一步研究，但是主动和被动流动控制技术为气动优化设计提供了重要思路.