图11 大展弦比碳纤维复合材料机翼强度试验与分析[111]
Fig.11 Strength test and analysis of high-aspect-ratio carbon fiber composite wing[111]
此外，长航时无人机机翼结构设计过程中还需考虑结构的制造工艺性和维护便捷性.Benjamin等[114]基于Lattice晶格结构，实现复合材料机翼的分块制造与拼装，使得机翼具有轻量化、检修方便的特点.胡江波等[115]根据给定的机翼外形结合有限元分析和制造工艺性分析确定了直梁式机翼结构布局方案，并且通过增加后缘胶接区域的预浸料填充物，使得机翼的破坏载荷提升了18.95%，载荷质量比提高了13.15%.向锦武等[116-117]针对复合材料机翼制造和维修方法，提出了新的复合材料机翼防固化变形模具设计方法和开口补强设计方法.
4 长航时无人机飞行控制技术
高精度、高抗扰飞行控制是无人机实现安全精确着陆、精细侦察与监视、高分辨率遥感、自动攻击控制、自动空中加油对接控制的共性关键技术，对于无人机的发展具有重要的推动作用.长航时无人机采用大展弦比柔性机翼，机翼非线性气动弹性低频振动易与无人机飞行动力学产生耦合，导致复杂非线性飞行动力学行为，气动弹性颤振不稳定性成为危及飞行安全的首要因素，因此，柔性飞行动力学建模和主动气动弹性控制技术尤为关键；长航时无人机作业区域广，飞行高度高，自然环境和电磁环境多变，飞行控制和导航系统的稳定性和精度要求更高，必须进行无人机轨迹控制和自主导航技术的研究.
4.1 柔性飞行动力学建模
长航时飞行器具有机翼展弦比大、刚度低的特点，是典型的柔性飞行器，因此需要考虑机翼弹性对动力学分析的影响，进行无人机稳定性、操纵性分析与飞行控制律设计.张健等[72,118]针对柔性飞行器飞行动力学和结构动力学耦合的飞行动力学建模进行了相关研究，说明了耦合求解的重要性.目前，适用于大柔性飞行器飞行动力学建模的方法主要有平均轴系法(mean axes)[119-120]和准坐标系法(quasi coordinates)[121]，两种方法都是在体轴系中描述飞行器的弹性变形，区别在于对体轴系的定义不同.
国内外学者均开展了基于平均轴系法对柔性飞行器建模以及柔性飞行器动力学特性分析.Damveld等[122]和Silvestre等[123]基于平均轴系法对柔性飞行器进行了建模，分别实现了柔性飞行器的操纵品质的分析和俯仰角速度的控制.Patil等[124]对飞翼布局长航时无人机进行了动力学建模与分析，在大变形中引入小应变假设，使模型可用于稳定性分析和非线性仿真.国内主要有西北工业大学周洲等[125-127]对太阳能无人机进行了动力学建模，并分析了高空长航时无人机的纵向动力学特性.研究表明，在纵向稳定性方面，由于弹性变形和集中载荷的影响，无人机的短周期频率减小且阻尼增大，长周期运动与结构变形运动发生耦合，导致长周期的阻尼减小.王睿等[128]研究了大展弦比多螺旋桨飞行器的航向气动特性，基于航向小扰动方程进行了飞行器的动态特性分析，研究表明多螺旋桨可以显著改善飞行器的荷兰滚模态和螺旋模态特性.李锋等[129]建立了风场作用下的高空太阳能飞行器的横航向动力学模型，探究了稳定风场对无人机横航向特征根的影响.研究表明，稳定风场存在下横航向模态特征根与无风时相同，但横航向模态特征矢量中侧向速度对应的相应存在差异.
准坐标系法可以方便的描述飞行器的刚性运动和弹性变形的关系，目前有学者采用该方法进行了柔性飞行器的动态特性研究.Haghighat等[130]基于准坐标系方法建立了长航时无人机动力学方程，并进行了阵风响应分析.Chang等[131]基于准定常气动力方法，对全机动力学特性进行了研究，分析了机身质量分布、机身长度以及平尾位置对柔性飞行器的纵向特性影响，指出俯仰惯性随着机身长度的增加而增加，从而导致纵向短周期模态变得不稳定.此外，郭东等[132]则结合了平均轴系和准坐标系两种方法的优势，提出了“瞬态坐标系”法，该方法利用拉格朗日方程和有限元思想推导大柔性飞行器的动力学模型，充分考虑柔性飞行器气动力、结构、控制和飞行力学之间的交叉耦合特性，为动力学特性分析提供了理论基础.
随着大展弦比柔性长航时无人机刚柔耦合问题研究的开展，逐渐发展出若干柔性飞行器非线性气动弹性与飞行动力学耦合仿真工具/框架.目前主要的仿真工具/框架包括：ASWING[133]、NATASHA (nonlinear aeroelastic trim and stability of HALE aircraft)[134]、UM/NAST (the university of Michigan’s nonlinear aeroelastic simulation toolbox)[87]、NANSI(nonlinear-aerodynamics/nonlinear-structureinter-action)[135]以及SHARP(simulation of high aspect ratio planes)[136]等.各仿真工具/框架的特点和适用范围见表5.
