长航时无人机面临复杂的非线性气动弹性问题，一方面需要建立更加准确的模型，结合结构设计进行被动气动弹性控制；另一方面可采用主动控制技术进行气动弹性控制，该内容将在气动弹性主动控制中进行详细介绍.

3.2 复合材料机翼气动弹性剪裁

气动弹性剪裁技术使用控制刚度方向的方法，来控制静态或动态的气动弹性变形，从而使飞行器的气动和结构性能向着有益的方向发展.长航时无人机大多采用了轻质、高强度和高模量的先进复合材料结构，具有良好的可设计特性.气动弹性剪裁技术可以在满足气动弹性要求的前提下，最大限度地降低机翼结构质量，是飞行器结构设计的关键技术之一.

气动弹性剪裁本质为约束优化问题，一般流程如图10所示.结构质量经常被设为优化的目标函数，约束条件可能是结构在外部载荷作用下的强度条件、刚度条件或气动弹性约束条件等[99].Guo等[100]以强度、损伤容限和气动弹性稳定性为约束，提出了大型飞机复合材料机翼多目标优化方法.将蒙皮层数和铺层角度作为设计变量，优化完成后的机翼满足实际设计的生产要求，同时结构质量减轻了30%.万志强等[101]研究表明，使用遗传/敏度混合优化算法可以较好实现强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件下的质量最小设计.

图10 气动弹性剪裁多目标优化流程图[98]

Fig.10 Multi-objective optimization flow chart of aeroelastic tailoring[98]

长航时无人机机翼由于柔性特征明显，颤振临界速度经常成为约束无人机性能指标的重要因素之一.白俊强等[102]提出了三级结构优化方法，在满足强度和变形约束的条件下，将梁、肋和蒙皮厚度作为设计变量，进行第1级结构质量优化.以颤振速度为约束条件将铺层顺序进行优化，完成第2级结构质量优化.最后，在不改变质量的前提下，采用遗传算法优化复合材料铺层顺序，增大了机翼的颤振速度.刘湘宁等[103]以颤振临界速度作为目标函数,建立了非线性气动弹性模型，研究了两种不同截面的复合材料机翼颤振速度与铺层角的关系.使用罚函数内点法和导数优化方法变尺度结合求解，进行气动弹性剪裁优化，优化后的机翼颤振速度提高了22.77%.

3.3 复合材料机翼/机身结构设计

长航时无人机的结构设计主要包括机翼、尾翼、机身、发动机吊舱和起落架等机体结构设计和操纵系统设计.结构设计方案需要根据结构使用条件、外形尺寸、初步确定的结构形式以及各种协调关系，通过设计、分析、试验等方式确定.大展弦比复合材料机翼结构设计的核心是在机翼厚度、结构强度与稳定性、气动弹性变形以及颤振速度等多约束条件下，寻求综合性能最优的结构方案.

长航时无人机机翼外形参数以及机翼机身相对位置初步确定后，需要明确机翼结构参数.机翼结构可以选用蜂窝夹层、多墙式和混合式结构[104].张纪奎等[105]的研究表明：蜂窝夹层结构具有密度小、刚性好、减震性和抗疲劳性强等特点，并且有利于气动弹性剪裁设计；多墙式结构在相对厚度较小的机翼结构中能够充分利用蒙皮来承受较大弯矩；混合式结构同时综合了多种结构特点，有较好的方向可设计性，通过合理的刚度分配，可实现较小的结构质量.

为了得到机翼结构最优设计方案，需要基于结构分析方法或结构试验方法，对其性能进行分析，通过设计复合材料铺设角度、铺层厚度、铺层比例等变量，合理分配机翼结构刚度，最优化机翼性能.刘峰等[106]应用准等强度设计思想对大展弦比机翼进行了复合材料铺层设计与优化，随后利用有限元软件进行分析与校核，优化后的机翼结构减重达5.23%.杨龙[107]针对机翼主梁碳纤维铺层厚度与机翼结构动力学特性的关系进行了研究，发现机翼刚度与碳纤维厚度并不是正相关，而是存在厚度的最佳值.Meddaikar等[108]基于NASTRAN有限元软件分析机翼结构性能，以机翼最大翼尖位移为目标函数，使用遗传算法优化了复合材料铺层顺序，并通过风洞试验验证了分析结果的可靠性.Vio等[109]和Gauthier-Perron等[110]通过优化机翼结构参数，提高机翼刚度，实现了被动阵风载荷减缓.Park[111]等针对高空长航时无人机，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料圆柱管和隔板作为大展弦比机翼翼梁，如图11所示，实现机翼轻量化设计，并使用非线性有限元数值分析方法和静强度试验对其研制的机翼进行结构强度分析，验证了所研制机翼满足设计性能要求.

机翼机身连接处的设计是飞机设计中的难点之一，界面复杂，连接件多且装配问题突出，合理地设计翼根连接件对减少装配工时和减少零件修配有很大作用[112].长航时无人机大展弦比机翼因根部弯矩和弹性变形较大，给机翼结构翼身连接设计带来较大难度.无人机传统的翼身连接多为集中接头式，传力路线为机翼弯矩和剪力通过接头耳片到机身框.由于长航时无人机机翼根部弯矩大，工程上翼身连接设计一般采用可以实现机翼弯矩的自平衡的翼身连接方式，如中央翼贯穿机身的结构型式.中央翼结构型式的无人机机翼和机身框之间只传递剪力，可有效减轻机身框的质量，但也会影响机身的传力路线[113].“捕食者”无人机采用了一种主梁弯矩自平衡的连接形式，即在翼身连接区，两侧机翼的主梁重叠，左侧机翼的主梁相对右侧机翼的主梁偏移，并通过两轴销相互连接，实现弯矩自平衡，并与机身隔框相连传递剪力.