姚軍鍇 何海波 楊威

（北京機(jī)電工程研究所，北京，100074）

標(biāo)準(zhǔn)介紹與實施

簡議無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的編制

姚軍鍇 何海波 楊威

（北京機(jī)電工程研究所，北京，100074）

文摘：簡介無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和背景，提出編制無人機(jī)氣動標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含的內(nèi)容，分析各內(nèi)容對于無人機(jī)氣動設(shè)計的影響和意義。

無人機(jī)（UAV）；氣動設(shè)計；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)編制。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭呈現(xiàn)出明顯的無人化發(fā)展趨勢，無人軍事裝備幾乎滲透到戰(zhàn)場空間的各個領(lǐng)域，現(xiàn)代無人機(jī)被廣泛用于執(zhí)行各種非殺傷性和軟、硬殺傷性任務(wù)。無人機(jī)（UAV）正在從過去單一的偵察、電子對抗等戰(zhàn)斗支援型向攻擊殺傷型發(fā)展，已成為影響作戰(zhàn)進(jìn)程的重要乃至關(guān)鍵性力量[1]。

在無人機(jī)設(shè)計中，空氣動力技術(shù)是飛行器設(shè)計中非常重要的基礎(chǔ)技術(shù)[2]，是無人機(jī)總體設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與熱防護(hù)設(shè)計的重要依據(jù)。無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系在我國尚未建立，各國防單位在無人機(jī)設(shè)計過程中大部分是借鑒和參照導(dǎo)彈設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（如QJ 2353-92《飛航導(dǎo)彈氣動外形設(shè)計準(zhǔn)則》）和有人駕駛飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計準(zhǔn)則。但導(dǎo)彈和有人駕駛飛機(jī)的部分設(shè)計準(zhǔn)則并不完全適用于無人機(jī)的氣動設(shè)計，難以滿足無人機(jī)氣動技術(shù)的發(fā)展[3]。

我院前期無人機(jī)的設(shè)計走工程研制道路，在氣動關(guān)鍵技術(shù)方面的重視和攻關(guān)能力不夠，氣動設(shè)計多是借鑒導(dǎo)彈的設(shè)計方法和準(zhǔn)則，欠缺新型布局無人機(jī)的設(shè)計、性能預(yù)測及評估能力。因此需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，用于無人機(jī)氣動設(shè)計及研制經(jīng)驗系統(tǒng)性傳承，并重點規(guī)劃建設(shè)與逐步完善。

1 無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，國外航天大國針對無人機(jī)氣動設(shè)計領(lǐng)域的研究、驗證體系已成熟多年，但在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中鮮有其標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我國經(jīng)歷了多年無人機(jī)氣動設(shè)計的摸索，在發(fā)展過程中制定了部分標(biāo)準(zhǔn)／規(guī)范，但無人機(jī)空氣動力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，對于新型氣動布局設(shè)計、操縱面設(shè)計、試驗驗證流程等問題的研究，更需要開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)／規(guī)范的指導(dǎo)工作。經(jīng)過對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的梳理發(fā)現(xiàn)，在無人機(jī)空氣動力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面研究存在以下不足[4]。

a）專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不全面，缺乏新興空氣動力技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，各類空氣動力技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)都很少，尤其是航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)十分欠缺。

b）標(biāo)準(zhǔn)分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)，在空氣動力技術(shù)各個子領(lǐng)域，只有零散的相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，難以獲得有效的標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)體系。

c）針對無人機(jī)的空氣動力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容少，且標(biāo)準(zhǔn)主要局限在空氣動力試驗方面，主要以國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布，標(biāo)準(zhǔn)文件少而單一。一些國家軍用標(biāo)準(zhǔn)適用對象的范圍廣，其具體可操作性不強(qiáng)，缺乏航天行業(yè)內(nèi)通用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

d）標(biāo)準(zhǔn)的制定、發(fā)布、修改和完善過程缺少一個有影響力的、權(quán)威性的開放平臺，標(biāo)準(zhǔn)的工程影響力不夠。

為了適應(yīng)無人機(jī)領(lǐng)域空氣動力技術(shù)發(fā)展的需要，滿足無人機(jī)全包絡(luò)飛行技術(shù)要求，提高無人機(jī)空氣動力技術(shù)基礎(chǔ)能力和標(biāo)準(zhǔn)化整體水平，保證設(shè)計質(zhì)量，提高武器系統(tǒng)整體性能，需要針對無人機(jī)領(lǐng)域空氣動力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展細(xì)致的梳理和規(guī)劃，形成系統(tǒng)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)無人機(jī)空氣動力相關(guān)的技術(shù)研究以及系統(tǒng)應(yīng)用工作，滿足對無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的需求，提升無人機(jī)設(shè)計的綜合能力。

2 無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

在無人機(jī)設(shè)計過程中，氣動設(shè)計的工作主要集中在方案階段。如今隨著CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展，很多氣動設(shè)計工作均在計算機(jī)上完成，既減少了風(fēng)洞試驗的次數(shù)又縮短了無人機(jī)的研制周期，這就對氣動設(shè)計過程提出了更高的要求。因而有必要對氣動工作流程進(jìn)行梳理，形成一套較為完善的氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)和規(guī)范后續(xù)設(shè)計工作。現(xiàn)按照氣動設(shè)計的主要工作內(nèi)容，對無人機(jī)氣動設(shè)計所應(yīng)涉及的標(biāo)準(zhǔn)作一說明。

2.1 氣動設(shè)計流程

無人機(jī)的氣動設(shè)計涉及到總體參數(shù)確定、初步方案、詳細(xì)設(shè)計、試驗驗證等多個流程，在進(jìn)行氣動設(shè)計工作過程中，各流程間緊密聯(lián)系、互相配合，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致方案的反復(fù)。因此，必須規(guī)范無人機(jī)的氣動設(shè)計流程，以提高氣動設(shè)計效率。無人機(jī)的氣動設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)氣動設(shè)計流程

建立無人機(jī)氣動設(shè)計流程規(guī)范的目的是將無人機(jī)氣動設(shè)計的技術(shù)要求、工作步驟、技術(shù)細(xì)節(jié)等進(jìn)行提煉、總結(jié)和整理，將研究成果積淀，以規(guī)范后續(xù)設(shè)計工作。

2.2 無人機(jī)氣動布局設(shè)計規(guī)范

氣動布局設(shè)計是無人機(jī)設(shè)計的重要基礎(chǔ)和內(nèi)容，在方案設(shè)計階段就要開展無人機(jī)的氣動布局選型工作，通常需要進(jìn)行大量的對比計算和試驗確定氣動布局。氣動布局設(shè)計的優(yōu)劣決定了無人機(jī)方案的性能和項目成敗，這使其處在無人機(jī)設(shè)計各相關(guān)學(xué)科的優(yōu)先地位。一般而言，無人機(jī)氣動布局設(shè)計規(guī)范應(yīng)包含：①氣動布局設(shè)計涉及的術(shù)語、符號；②氣動布局型式的對比、選擇；③氣動布局的設(shè)計原則、設(shè)計方法和設(shè)計流程。

建立此規(guī)范的目的是將無人機(jī)氣動布局設(shè)計的方法和經(jīng)驗進(jìn)行提煉、總結(jié)、整理，積淀研究成果，保證布局設(shè)計的合理性。

2.3 無人機(jī)翼型設(shè)計規(guī)范

機(jī)翼是無人機(jī)產(chǎn)生升力和阻力的主要部件，而構(gòu)成機(jī)翼的翼型對飛機(jī)性能有很大影響。翼型影響著巡航速度、起飛速度、起降性能、失速速度以及所有飛行階段的空氣動力性能。

無人機(jī)翼型選擇及設(shè)計是無人機(jī)氣動設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，且翼型的優(yōu)化設(shè)計涉及到翼型參數(shù)化方法。翼型參數(shù)化方法的選擇，除了影響優(yōu)化算法類型的選擇外，還影響計算時間和資源、設(shè)計空間的范圍以及設(shè)計空間中翼型幾何外形是否光滑或不規(guī)則、設(shè)計空間中是否包括有意義的優(yōu)化結(jié)果。一般而言，無人機(jī)翼型設(shè)計規(guī)范包含：①翼型設(shè)計所涉及的術(shù)語、符號；②翼型種類整理、對比；③翼型選擇準(zhǔn)則、設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計要求和設(shè)計流程。

建立此規(guī)范的目的主要在于規(guī)范無人機(jī)翼型的設(shè)計方法和流程，縮短研制周期，節(jié)約設(shè)計成本，保證無人機(jī)翼型設(shè)計的性能優(yōu)化。

2.4 無人機(jī)操縱面設(shè)計規(guī)范

無人機(jī)的操縱面主要用來維持、控制飛行姿態(tài)，現(xiàn)代無人機(jī)均配備有多組操縱面，其操縱形式多樣，操縱效能相互耦合。此外，在操縱面設(shè)計過程中，不僅包含操縱面本身的設(shè)計，還包括操縱面與主翼面間縫隙的設(shè)計，因而操縱面的設(shè)計是無人機(jī)設(shè)計過程中較為關(guān)鍵的技術(shù)。無人機(jī)操縱面設(shè)計規(guī)范一般包括：①操縱面設(shè)計所涉及的術(shù)語、符號；②操縱面分類整理、對比；③操縱面設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計要求和設(shè)計流程。

建立無人機(jī)操縱面設(shè)計規(guī)范，一方面能夠簡化操縱面設(shè)計過程，另一方面也有助于提高無人機(jī)的設(shè)計效率和設(shè)計水平，從而提升無人機(jī)的飛行品質(zhì)和飛行性能。

2.5 無人機(jī)增升裝置設(shè)計規(guī)范

采用地面水平起降的無人機(jī)在設(shè)計研制過程中，一方面，要考慮高速飛行和機(jī)動作戰(zhàn)的要求；另一方面，在起飛和著陸時，又要盡可能降低飛行速度，縮短滑跑距離，以最小的巡航性能損失來達(dá)到要求的場域性能。這意味著起飛、著陸時需要大升力系數(shù)，巡航飛行時需要高升阻特性，起降與巡航設(shè)計存在升力需求方面的矛盾。一個有效的解決途徑就是在無人機(jī)機(jī)翼上加裝增升裝置，巡航飛行時，增升裝置閉合，無人機(jī)以高升阻比巡航飛行；起降過程中，增升裝置打開，滿足低速起降升力需求，改善無人機(jī)的起飛著陸性能。

無人機(jī)增升裝置的設(shè)計是無人機(jī)氣動設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，且增升裝置涉及到復(fù)雜的縫隙流動、設(shè)計參數(shù)較多，設(shè)計難度較大。無人機(jī)增升裝置規(guī)范一般包括：①增升裝置設(shè)計所涉及的術(shù)語、符號；②增升裝置的種類對比、選擇；③增升裝置的設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計要求和設(shè)計流程。

執(zhí)行無人機(jī)增升裝置設(shè)計規(guī)范，能夠規(guī)范設(shè)計流程，避免人為因素引起的設(shè)計偏差，確保無人機(jī)研制流程的完善。

2.6 無人機(jī)試驗驗證流程

無人機(jī)在設(shè)計完成后需要進(jìn)行一系列試驗以驗證設(shè)計結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性，而驗證所應(yīng)包含的試驗和試驗開展的順序是進(jìn)行驗證工作前必須詳細(xì)考慮的。因此，建立無人機(jī)試驗驗證流程對于規(guī)范無人機(jī)試驗驗證工作十分重要。無人機(jī)試驗驗證流程一般包括：①無人機(jī)各項風(fēng)洞試驗所涉及的術(shù)語、符號；②無人機(jī)各項風(fēng)洞試驗的試驗?zāi)康?、技術(shù)要求；③無人機(jī)風(fēng)洞試驗驗證流程。

無人機(jī)試驗驗證流程的建立有助于規(guī)范無人機(jī)各項試驗驗證項開展順序、試驗?zāi)康摹⒃囼灱夹g(shù)要求以及試驗數(shù)據(jù)處理等工作。

氣動設(shè)計是無人機(jī)設(shè)計過程中的一項重要內(nèi)容，其結(jié)果直接關(guān)系到無人機(jī)的性能與飛行品質(zhì)。無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按照無人機(jī)氣動設(shè)計的階段，對每一項氣動設(shè)計涉及到的內(nèi)容進(jìn)行了明確定義與規(guī)定，同時，由于無人機(jī)用途、任務(wù)需求的不同，其氣動布局型式朝著多樣化方向發(fā)展，在氣動布局、翼型、操縱面和增升裝置等方面提出了設(shè)計要求。在目前尚未建立無人機(jī)氣動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)背景材料的情況下，通過對無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)問題的研究和分析，有助于我院后續(xù)建立、完善相應(yīng)的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)并在實際設(shè)計工作中進(jìn)行應(yīng)用，從而提高企業(yè)無人機(jī)設(shè)計水平。

[1]陳晨，黃永葵，曾佳.無人機(jī)系統(tǒng)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012（5）.

[2]戰(zhàn)培國，孫宗祥.空氣動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系研究初探[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2009（11）.

[3]陶于金，王建培.無人機(jī)飛行品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].飛行力學(xué)，2010（28）.

[4]梁勇.航空行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建策略[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2006（8）.

姚軍鍇（1989年—），男，碩士研究生，氣動技術(shù)研究室，主管工程師，專業(yè)方向為無人機(jī)氣動設(shè)計，目前主要從事無人機(jī)氣動布局設(shè)計相關(guān)工作。