2.2 气动布局设计

2.2.1 气动布局方式及优化方法

高效总体气动布局是提高飞行器整体飞行性能的核心关键，也是实现可靠精准飞行控制的重要基础.长航时无人机气动布局与其动态特性和气动特性密切相关，不同的布局形式对无人机的飞行性能、稳定性和操纵性有重大影响.选择长航时无人机总体布局类型和参数时不仅要考虑每个部件的合适外形，还要考虑把它们组合在一起时，产生的气动干扰情况，并且可能需要采取多种技术措施进行综合权衡，才能实现满足设计要求和使用要求的最佳总体布置形式.

常规动力长航时无人机气动布局主要有：V尾布局(如“全球鹰”无人机)、双尾撑布局(如“苍鹭”无人机)、可变后掠翼布局、边条翼布局和联接翼布局等[47-49].太阳能长航时无人机气动布局有：常规布局(如“西风”无人机)、飞翼布局(如“太阳神”无人机)、分布式布局和串列式布局等.常见气动布局特点对比，见表3.

表3 长航时无人机常见气动布局对比

Tab.3 Comparison of aerodynamic layouts of long-endurance UAVs

目前翼身融合布局正成为常规动力无人机和太阳能无人机研究重点之一.翼身融合布局具有浸润面积和内部体积比低、光滑变截面分布、隐身性能好等特点，可以避免机身与机翼的相互干扰，消除翼身连接处复杂流动的影响，从而改善全机的升阻比等气动特性[50].Panagiotou等[51]对翼身融合布局的后掠角、展弦比和垂直机翼位置等参数进行研究，分析了翼身融合布局的气动效率和升力曲线斜率特性等.虽然长航时无人机，特别是高空长航时无人机，对隐身性要求不高，但是合理的在气动布局设计时考虑隐身性，可以显著地降低其RCS(雷达散射截面积)，提高其生存力.例如，美国的“全球鹰”高空长航时无人机，采用背负式S弯进气道，减小飞机的头向雷达散射截面；将发动机布置在后机身内，并利用V形尾翼遮挡发动机尾喷口，进一步减小侧向散射截面，从而提高了全机的整体隐身性能.

长航时无人机气动布局方案确定后，需对布局参数进行优化设计.气动布局优化方法有梯度法、罚函数法、基于控制理论的优化方法和遗传算法等[52-54].由于遗传算法可以找到优化模型的全局最优解，在长航时无人机气动布局优化设计中得到了较多应用.Alsahlani等[55]基于遗传算法，针对飞翼布局太阳能长航时无人机，结合气动、结构和稳定性分析，搭建了气动布局设计与优化框架.梁煜等[56]将Kriging代理模型和Pareto遗传算法引入气动外形平面参数匹配设计，提出一种基于代理模型的多目标平面参数匹配设计方法，提升了优化的效率并保证了可信度.Panagiotou等[57]针对翼身融合布局长航时无人机设计提出了一种全面优化配置方法，用以解决翼身融合设计阶段遇到的问题.

2.2.2 螺旋桨/机身一体化气动设计

螺旋桨是多数长航时无人机的重要推进部件，根据对无人机的需求不同，螺旋桨布局有推进式布局和拉力式布局，如图6所示.高空飞行时，由于大气稀薄，雷诺数降低，还需要针对螺旋桨在低雷诺数下的气动性能和翼型设计展开研究[58-59].

图6 螺旋桨发动机的不同布置类型

Fig.6 Different arrangements of propeller on UAVs

对于前置螺旋桨，Traub等[60]研究发现，机翼、机身等部件在螺旋桨滑流作用下的气动特性与无滑流状态下有较大差异，同时螺旋桨布置位置对全机气动特性也有不同影响.对于螺旋桨产生的滑流流场的研究，需要考虑流场的加速效应、旋转效应、黏性效应、湍流效应和发动机位置等因素的影响[61-63].Catalano[64]进行了螺旋桨在不同位置和不同倾角时，正转与反转的诱导流对机翼气动力影响的试验，试验雷诺数分别为3.5×105和4.5×105.结果表明，螺旋桨正转时，转捩发生在机翼前缘附近，而螺旋桨反转时，转捩出现延迟.Rakshith等[65]研究不同机翼弦长受螺旋桨滑流影响的程度，并指出较短弦长的机翼有利于减阻.Ananda等[66]对以Wortmann FX 63-137为翼型的矩形机翼进行了低雷诺数流动风洞试验，研究表明螺旋桨滑流诱导了湍流的早期过渡，导致了分离泡过早形成.Aref等[61]研究了不同攻角、安装位置以及旋转方向的螺旋桨对机翼气动力的影响，采用CFD方法对流场进行了分析，得到的涡结构如图7所示.

图7 螺旋桨在机翼内/外侧时的涡量等值面图[61]

Fig.7 Vorticity isosurfaces with propeller installed inboard/outboard[61]

对于螺旋桨在机身后方的布局形式，需要考虑螺旋桨对机身的反作用.陈广强等[67]对螺旋桨装布置在V尾后方的高空长航时无人机流动特性进行了数值模拟，研究表明螺旋桨尾流的干扰使无人机机身尾部的压差阻力迅速增大，导致无人机气动性能变差.另外，在低雷诺数条件下无人机平台表面流动容易发生分离，也会使螺旋桨推进效率降低[68].因此，必须考虑螺旋桨与全机的气动性能相互干扰，进行螺旋桨/机身一体化设计[69].