王曉璐 陳昌寧 張項(xiàng)博

無(wú)人機(jī)擁有效費(fèi)比高、響應(yīng)快、人員零傷亡等特點(diǎn)，適合執(zhí)行邊防任務(wù)。采用大展弦比布局設(shè)計(jì)的大型固定翼無(wú)人機(jī)，其升阻比高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)載荷重量大，但對(duì)起降環(huán)境要求較高，一旦邊境地區(qū)沒(méi)有跑道，大型固定翼無(wú)人機(jī)無(wú)法起降。多旋翼無(wú)人機(jī)部署更為靈活，但部分型號(hào)存在飛行速度慢、續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題，在邊境地區(qū)執(zhí)行任務(wù)難以取得預(yù)期的效果。無(wú)人機(jī)執(zhí)行邊防任務(wù)須具有如下能力。

第一，短距起降或垂直起降能力。

第二，對(duì)于持久偵察與快速打擊任務(wù)，無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，部署靈活，飛行速度快，以適應(yīng)不同任務(wù)的需求。

第三，無(wú)人機(jī)具有一定的隱身性和機(jī)動(dòng)性，以提高戰(zhàn)場(chǎng)生存力。

總體來(lái)看，常規(guī)單一氣動(dòng)布局難以同時(shí)滿足多種設(shè)計(jì)需求。因此，本文提出“龍鷹”自適應(yīng)布局無(wú)人機(jī)。

布局設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)

“龍鷹”無(wú)人機(jī)采用自適應(yīng)布局設(shè)計(jì)，在飛行時(shí)，機(jī)翼可在前掠和后掠形態(tài)間切換。尾翼采用獨(dú)特的可變傾角翼面設(shè)計(jì)，其外傾角可在0～40°之間自主改變。在前掠翼布局下，尾翼外傾角為40°，可提高前掠翼布局下的操縱性；在飛翼布局下，尾翼外傾角從40°變?yōu)?°，可減小巡航時(shí)的飛行阻力。

通過(guò)主機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)與垂直尾翼的翻折，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了前掠翼布局與飛翼布局之間的切換，從而在不同飛行任務(wù)階段凸顯前掠翼與飛翼布局的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)。單一氣動(dòng)布局存在高升力起降與高效率巡航之間的矛盾，無(wú)人機(jī)切換氣動(dòng)布局，可獲得較好的寬速域飛行性能，不僅解決了這一矛盾，而且提升了低速飛行時(shí)的偏航穩(wěn)定性和高速飛行時(shí)的隱身性能，提高了無(wú)人機(jī)的軍事應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)人機(jī)的2種布局圖和概念圖詳見(jiàn)圖1，飛行剖面示意圖詳見(jiàn)圖2。該機(jī)設(shè)計(jì)巡航速度Ma 0.3，機(jī)長(zhǎng)4m，機(jī)高1m，飛翼布局時(shí)翼展2.9m，前掠翼布局時(shí)翼展4.2m。

自適應(yīng)布局設(shè)計(jì)

“龍鷹”無(wú)人機(jī)的升力面由變后掠主機(jī)翼與變傾角尾翼兩部分組成。當(dāng)主機(jī)翼前掠角為10°且尾翼上傾40°時(shí)，無(wú)人機(jī)為前掠翼布局形態(tài)，此時(shí)無(wú)人機(jī)擁有較好的機(jī)動(dòng)性與側(cè)滑穩(wěn)定性，適合大迎角機(jī)動(dòng)飛行。當(dāng)主機(jī)翼后掠角為57°時(shí)，主機(jī)翼與水平尾翼組合，形成飛翼布局，無(wú)人機(jī)的飛行阻力降低。與前掠翼布局無(wú)人機(jī)相比，飛翼布局無(wú)人機(jī)的雷達(dá)截面積更小，提升了無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力。

本文使用ANSYS FLUENT軟件，對(duì)“龍鷹”無(wú)人機(jī)的兩種布局進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算。計(jì)算設(shè)置了四組工況，詳見(jiàn)表1。本文計(jì)算時(shí)取飛行時(shí)的側(cè)滑角為0，則無(wú)人機(jī)繞流流場(chǎng)為對(duì)稱分布，可使用半模非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算，半模計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)不小于700萬(wàn)。湍流模型選用K-omega SST，使用二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程。由于飛行速度≤Ma 0.3，屬于低速不可壓范圍，使用Coupled算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖3）顯示，前掠翼布局時(shí)的升力線斜率和升力隨迎角單調(diào)變化的范圍均大于飛翼布局。飛行速度為Ma 0.1時(shí)，前掠翼布局12°迎角下，升力系數(shù)較飛翼布局提升約36%；飛行速度為Ma 0.3時(shí)，飛翼布局4°迎角下阻力系數(shù)較前掠翼布局降低13%?？偟膩?lái)看，自適應(yīng)布局可兼顧起降和巡航階段對(duì)氣動(dòng)力的不同要求，綜合氣動(dòng)性能優(yōu)于單一布局。

大后掠邊條翼設(shè)計(jì)

“龍鷹”無(wú)人機(jī)使用大后掠邊條翼，邊條翼的后掠角為74°。在大迎角飛行時(shí)，邊條翼的脫體渦可對(duì)兩種布局的機(jī)翼繞流流場(chǎng)產(chǎn)生有利作用。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在前掠翼布局下，邊條翼對(duì)機(jī)翼的干擾強(qiáng)度明顯大于飛翼布局。

后續(xù)改進(jìn)方向

“龍鷹”無(wú)人機(jī)的后續(xù)設(shè)計(jì)將圍繞兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

翼型設(shè)計(jì)

翼型設(shè)計(jì)須要考慮兩種布局的不同需求。由于本方案中使用機(jī)翼旋轉(zhuǎn)方案實(shí)現(xiàn)布局變換，導(dǎo)致兩種布局下機(jī)翼的前后緣位置顛倒，這對(duì)翼型氣動(dòng)、翼肋結(jié)構(gòu)和機(jī)翼作動(dòng)裝置等設(shè)計(jì)提出了較高要求。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同布局轉(zhuǎn)換時(shí)，無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力焦點(diǎn)和重心應(yīng)在合理的范圍內(nèi)變動(dòng)。根據(jù)氣動(dòng)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)約束，控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是無(wú)人機(jī)從概念設(shè)計(jì)走向工程應(yīng)用的必要條件。 ■