高空长航时无人机综合优化设计

摘要

高空长航时无人机是一种新型的无人飞行器，在战场侦察和高空大气探测方面有其特殊的用途。特别是近几年，高空长航时无人机作为一种多功能作战平台，其发展受到了广泛关注，但是由于高空长航时无人机对飞行性能、气动品质等方面要求较高，因此目前只有美国等少数国家掌握了其设计技术。由于高空长航时无人机在设计时有其特殊的要求，因此，高空长航时无人机的总体设计必然是一个复杂的过程，本论文针对高空长航时无人机的综合优化设计进行了初步研究，为我国今后高空长航时无人机的发展提供一个良好的基础。 本文首先以美国成功设计的同类无人机——“全球鹰”为参考，确定了以正常式布局作为本论文高空长航时无人机的基本布局形式；然后运用飞行器设计理论进行总体布局设计，包括总体参数设计、飞机发动机匹配、机翼平面参数设计、翼型选择、舵面配置、以及起落架参数设计等，使全机具有较好的气动特性，以满足飞机飞行性能的要求；在以上研究的基础上，进行全机飞行性能和稳定性、操纵性分析，以验证方案的可行性，检验本论文方案是否达到设计指标要求：鉴于高空长航时无人机对布局设计的要求较高，文章的最后，利用MATLAB软件编写了高空长航时无人机多目标优化设计程序，并给出了优化后的方案和分析，对进一步的设计提出了建议。通过以上的工作，最终形成一套高空长航时无人机的综合设计优化方法。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1无人机的发展

1.2高空长航时无人机的特点

1.3高空长航时无人机的现状与展望

1.4论文主要工作简介

第2章无人机初始参数设计

2.1无人机方案的初始设计指标

2.2重量估算

2.3推重比与翼载的确定

2.3.1推重比的确定

2.3.2翼载的确定

第3章无人机布局设计及参数确定

3.1无人机机翼设计

3.1.1机翼几何参数的确定

3.1.2机翼的外形几何参数的确定

3.1.3翼型的选择

3.1.4机翼油箱容积的确定

3.1.5副翼的布置

3.1.6增升装置的类型、尺寸和布置

3.2无人机机身设计

3.3无人机尾翼及舵面设计

3.4无人机重心计算

3.4.1无人机重量计算方法

3.4.2无人机重量计算与重心确定

3.5无人机起落架初步参数设计

3.6发动机及进排气参数的确定

3.6.1发动机的初步尺寸确定

3.6.2发动机进气道参数初步设计

3.6.3捕获面积、分流器与尾喷管设计

3.7无人机推进装置修正

3.7.1发动机装机推力修正

3.7.2发动机装机净推力修正

3.8本章小结

第4章初始方案气动特性分析

4.1无人机升力特性的分析

4.1.1无人机升力线斜率的估算

4.1.2机翼最大升力系数估算

4.2无人机阻力特性分析

4.2.1废(零升)阻力计算

4.2.2诱导阻力计算

4.3无人机极曲线的分析

4.4无人机俯仰力矩特性计算

4.4.1翼型俯仰力矩系数

4.4.2机翼俯仰力矩系数

4.4.3全机俯仰力矩系数

4.4横航向静导数计算

4.4.1横向力系数对侧滑角的导数

4.4.2滚转力矩系数对侧滑角的导数

4.4.3偏航力矩系数对侧滑角的导数

4.5动导数计算

4.5.1俯仰角速度引起的动导数计算

4.5.2迎角变化率引起的动导数计算

4.5.3滚转角速度引起的动导数计算

4.5.4偏航角速度引起的动导数计算

4.5.5侧滑角变化率引起的动导数

第5章无人机稳定性、操纵性分析

5.1纵向稳定性和操纵性

5.1.1纵向静稳定性

5.1.2纵向模态特性

5.1.3纵向操纵性

5.2横向稳定性和操纵性

5.2.1横航向静稳定性

5.2.2横航向模态特性

5.2.3横航向操纵性

第6章无人机飞行性能分析

6.1发动机推力特性估算

6.2飞行性能及飞行包线的分析

6.2.1平飞需用推力

6.2.2飞行包线

6.3爬升性能分析

6.3.1定常直线运动分析

6.3.2上升角和上升率

6.3.3爬升段航程、航时及耗油量计算

6.4无人机下滑性能分析

6.5无人机续航能力分析

第7章无人机参数多目标优化设计

7.1多目标优化

7.1.1传统多目标优化

7.1.2遗传算法多目标优化

7.2无人机总体参数多目标优化数学模型

7.2.1优化变量、优化目标和约束条件的选取

7.2.2优化算法的改进和优化建模

7.3优化结果与分析

7.4结论

第8章结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文