飞翼式无人机总体概念性设计与分析.pdf
《飞翼式无人机总体概念性设计与分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《飞翼式无人机总体概念性设计与分析.pdf(77页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、南京航空航天大学硕士学位论文飞翼式无人机总体概念性设计与分析姓名:仲峰申请学位级别:硕士专业:飞行器设计指导教师:昂海松20080101南京航空航天大学硕士学位论文 I摘 要 无人战斗机总体设计是一个具有重要国防研究价值的课题,本文主要研究了飞翼式无人机的总体概念性设计与分析方法。在对某飞翼式布局的无人机三维外形重建的基础上,研究分析了其气动特性、飞行性能及隐身性能。为飞翼式布局的无人战斗机的气动特性、飞行性能以及隐身性能的认识和研究提供了一种可参考的思路。本文的主要内容包括:1)分析了国内外无人机发展现状和我国需求,依据某型无人战斗机的参考图及照片,利用参数化造型软件 CATIA 对某型飞翼
2、式无人机进行三维重建。2)根据重建的无人战斗机外形数据,运用南航微型飞行器中心自主开发的气动特性分析软件23D MUFS求解器,对无人机进行气动特性计算。得出飞机在不同马赫数、不同高度下的压力分布、机翼剖面受力及升阻力系数等方面的数值。进而分析出飞机的气动性能。计算的结果也印证了该求解器适用范围的较大。3)对无人机的主要飞行性能进行评估分析计算,得出一系列的该飞机性能数据。4)对无人机的隐身性能进行分析计算,证明了该气动布局无人机的良好隐身性能。关键词:关键词:无人机,飞翼式布局,气动特性,飞行性能,三维重建,隐身技术 飞翼式无人机总体概念性设计与分析 IIAbstract The study
3、 of unmanned combat aerial vehicle(UCAV)overall design is a subject of great value for defense research.This paper mainly deals with the overall framework design of UCAV with the layout of flying wings.On the basis of the three-dimensional shape rebuilding of a UCAV with the layout of flying wings,t
4、he paper analyzes its aerodynamic characteristics and flight performance,and furthermore provides a new approach to the research of flying wings UCAVs aerodynamic characteristics and flight performance.The following three aims would be achieved in this paper:1)Based on the analysis of the present st
5、atus and future development of domestic and overseas UAV,the first chapter of the paper tries to rebuild the three-dimensional shape for a type of UAV with flying wings with the help of CATIA(a software to rebuild a three-dimensional shape with the help of parameter)and some reference pictures of th
6、e UAV.2)According to the data get from some UAV shape rebuilding,the second part of the paper continues to compute UAVs aerodynamic characteristics with the UAVs aerodynamic characteristics analyzing software developed independently by MAV research center of NUAA University.During the computation,th
7、e numerical results of pressure distributions in Mark numbers or on different heights,the numerical data of the forces given to the supporting surface of an airfoil and the coefficients of lift force and air resistance as well as some other data are finally worked out therefore,the UAVs aerodynamic
8、characteristics are clearly showed by the data above.Meanwhile,the results of computation also prove a larger scope of this analyzing software.3)The third chapter of this paper also tries to analyze and compute the flight performance of UAV and get a series of data.4)In chapter four,the stealth char
9、acteristics of UAV would be analyzed and computed.Key words:UAV,Layout of flying wings,Aerodynamic characteristics,Flight performance,Three-dimensional shape rebuilding,stealth technology 南京航空航天大学硕士学位论文 V图、表清单 图 1.1 敢死蜂无人机图.3 图 1.2 幻影 2000.3 图 1.3 B2 隐身轰炸机.4 图1.4 暗星无人机.4 图 1.5 X45a 无人作战飞机.4 图1.6 飞马无
10、人机.5 图 3.1 飞机三视图.21 图 3.2 飞机翼身融合翼面.22 图 3.3 发动机进气道.22 图 3.4 飞机三维造型图.22 图 3.5 飞机三维网格图.23 图 4.1 飞机气动计算前改型变化图.28 图 4.2 无人机机体网格图(一半).29 图 4.3 压力分布图(Ma=0.8).30 图 4.4 压力分布图(Ma=0.5).31 图 4.5 压力分布图(Ma=0.3).32 图 4.6 翼剖面压力分布曲线(Ma=0.5、=12).33 图 4.7 翼剖面压力分布曲线(Ma=0.8、=12).34 图 4.8 翼剖面压力分布曲线(Ma=0.5、=24).35 图 4.9
11、升力系数随攻角变化曲线图(Ma=0.8).36 图 4.10 升力系数随攻角变化曲线图(Ma=0.5).36 图 4.11 升力系数随攻角变化曲线图(Ma=0.3).37 图4.12 Ma=0.3时的极曲线图.37 图4.13 Ma=0.5时的极曲线图.38 图4.14 Ma=0.8时的极曲线图.38 图 4.15 ZM随LC变化趋势图(Ma=0.3).39 图 4.16 ZM随LC变化趋势图(Ma=0.5).40 图 4.17 ZM随LC变化趋势图(Ma=0.8).41 图 5.1 涡喷发动机可用推力曲线图(亚音速飞机).44 图 5.2 不同高度下平飞的可用推力图.45 图 5.3 不同高
12、度下平飞的需用推力图.47 图 5.4 飞机的推力曲线图.47 飞翼式无人机总体概念性设计与分析 VI图 5.5 8000 米高度下的推力曲线图.48 图 5.6 上升率和推力曲线图.49 图 5.7 实用静升限的确定.50 图 5.8 8000 米高度下的加速性指标图.50 图 5.9 正常盘旋半径随盘旋速度变化图.52 图5.10正常盘旋时间随盘旋速度变化图.52 图6.1 投影与像素.54 图6.2 Phone方法的像素点法向矢量线性插值.57 图 6.3 (a)板块面元及板块像素(b)曲面重构及曲面像素.57 图6.4 利用节点信息的曲面重构.57 图 6.5 无人机的结构网格图.59
13、 图6.6 无人机雷达目标特性计算结果.60 表 4.1 Ma=0.8 时各迎角的升力系数.35 表 4.2 Ma=0.5 时各迎角的升力系数.36 表 4.3 Ma=0.3 时各迎角的升力系数.36 表 4.4 纵向力矩系数、升力系数表(Ma=0.3).39 表 4.5 各攻角下的全机压力中心表(Ma=0.3).39 表 4.6 纵向力矩系数、升力系数表(Ma=0.5).39 表 4.7 各攻角下的全机压力中心表(Ma=0.5).40 表 4.8 纵向力矩系数、升力系数表(Ma=0.8).40 表 4.9 各攻角下的全机压力中心表(Ma=0.8).40 表 5.1 不同马赫数下的推力有效系数
14、和可用推力(4000m).44 表 5.2 不同马赫数下的推力有效系数和可用推力(8000m).44 表 5.3 不同马赫数下的推力有效系数和可用推力(11000m).44 表 5.4 无人机平飞需用推力计算例表(4000 米).45 表 5.5 无人机平飞需用推力计算例表(8000 米).46 表 5.6 无人机平飞需用推力计算例表(11000 米).46 表5.7 正常盘旋性能指标表.51 南京航空航天大学硕士学位论文 VII注释表 A 展弦比 b 展长 Ab 机翼平均空气动力弦 c 弦长 AC 轴向力系数 DC 阻力系数 0DC 零升阻力系数 DiC 诱导阻力系数 DWC 波阻系数 dC
15、 剖面阻力系数 2DLCC 诱导阻力因子 eC 燃油消耗率 LC 升力系数 LdC 设计升力系数,LLCC 升力线斜率 lC 剖面升力系数,滚转力矩系数 lC 横向稳定性,lC mC 俯仰力矩系数 0mC 零升俯仰力矩系数,mLm CLCC C 法向稳定性 NC 法向力系数 nC 偏航力矩系数 nC 方向稳定性,nC pC 压力系数,00()ppq TC 前缘推力系数 e 诱导阻力效率因子,2()LDiCAC G 重力、飞机重量 pjG 飞机平均重量 g 重力加速度 H 自由流总压 h 高度 Wi 机翼安装角 飞翼式无人机总体概念性设计与分析 VIIIK 升阻比 Ma 马赫数 crM 临界马赫
16、数 dM 设计马赫数 m 翼型最大厚度位置,mxc,飞机质量 NS Navier-Stokes n 法向过载 Q 飞机阻力 pfQ 定直平飞阻力 q 速压 p 局部静压 P 推力 kyP 可用推力 pxP 需用推力 eR 雷诺数 r 半径 0r 前缘半径 S 面积,机翼面积 t 翼型最大厚度,t c 翼型相对厚度 V 速度 W S 翼载(单位为2Kg m)x 纵向距离 Y 飞机升力 y 横向距离 z 垂直距离 Z 飞机侧力 迎角 N 垂直前缘迎角 侧滑角 s 航迹滚转角 p 可用推力与翼弦夹角 上反角 后掠角 南京航空航天大学硕士学位论文 IX 差置 x 副翼偏度 y 方向舵偏度 z 升降舵偏
17、度 应力 角标 0 前缘,零升力,自由流 1 2 1 2弦线 1 4 1 4弦线 Cr 临界 d 设计 exp 外露 max 最大 min 最小 opt 最佳 r 根部 ref 参考 t 尖部 承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查询和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或
18、其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名:日 期:南京航空航天大学硕士学位论文 1第一章 绪论 无人飞机已普遍应用于很多国家的陆海空三军中,西方军事专家预测,未来的空战将是具有隐身性能的各种无人飞机与防空武器之间的作战。因此,无人战斗机的设计研制具有重要国防价值。1.1 无人机概述 无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称,英文常用 Unmanned Aerial Vehicle 表示,缩写为 UAV。1909 年第一架遥控航模飞机在美国试飞成功,1915 年德国研制成的采用伺服控制装置和指令制导的滑翔炸弹,被认为是有控无人机的先驱,1917
19、年英国研制了第一架无人驾驶的遥控飞机,1921 年英国研制成可付诸实用的第一架靶机。无人机直接用于战争始于 20 世纪 60 年代70 年代的美军侵越战争,但直到 20 世纪 80 年代才得到日益广泛的应用,并在几次局部战争中发挥了重要的作用。90 年代的海湾战争和科索沃战争及本世纪的阿富汗战争中,无人机卓有成效地完成执行了多种军事任务,如照相侦察、撒传单、信号情报搜集、布撒雷达干扰箔条、防空火力诱饵、防空阵地位置标识、直升机航路侦察,为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报12。在现代高技术条件下的陆、海、空、天、电五维一体的战争中,无人机所表现出来的卓越能力,
20、推动了无人机及相关技术在最近几年的飞速发展。高技术在无人机上的不断应用,将会使无人机的作战能力持续提高。现代无人机的作战任务也不再拘泥于实施有效的侦察情报支援,还可担负起对地攻击、空中格斗、拦截导弹等过去认为有人机才能完成的作战任务,从目前的发展势头和无人机各项关键技术的解决程度看,无人机将不再只是作为作战支援装备,充当辅助角色。而很可能极大程度地代替有人机,升级成为能执行压制敌防空系统、对地攻击,成为作战部队的首选武器平台。未来的电子战中,无人电子战飞机将发挥至关重要的作用。成为未来海战或海空战的主力。现在,世界主要大国都加快了无人机的研制步伐,研制开发了各种不同的作战平台的无人机3。无人机
21、在很多方面与有人机相似,但也会有不少创新。相对于有人机而言,无人机具有以下优点:1)安全系数高,作用半径大,不产生人员伤亡。2)作战环境要求低,机动性强。3)成本低,效率高。4)结构简单,系统配置多样化。飞翼式无人机总体概念性设计与分析 25)容易控制,可重复使用。无人机由于没有飞行员,在设计上,可省去座舱及相应的生命保障系统。另外,座舱决定了机身截面的下限,而气动最佳的长细比也决定了机身的最小长度。移去座舱可使飞行器每个方向尺寸均减小。无人机的雷达反射面积小于有人机,小的发动机也可以降低红外线,因此具有比有人机更好的隐身性能设计余地。由于没有飞行员的生理限制,无人机的过载仅受结构强度和发动机
22、能提供的能量的限制,以上这一切都允许无人机比有人机的气动布局上有更大的灵活性,故常见的无人机大多为非常规气动布局。目前世界上已有的无人机和正在设计的无人机主要分固定翼和旋翼两大类,其中旋翼式本文不将其归于无人机范畴。固定翼无人机主要采用以下几种布局:1)正常式布局(常规平尾气动布局),该设计理论成熟,稳定性好。2)非常规气动布局,常见的有鸭式布局、无尾布局、双尾撑联结翼布局、VV 型尾翼和三角飞翼布局等等。无人战斗机强调全方位隐身、高机动、高升阻比、大航程,所以要采取气动与隐身兼顾的外形布局形式。无人机相对于有人机,在气动布局设计上更加自由,应用新一代主动控制技术,通过高效的气动布局设计,能显
23、著提高飞机的效能和隐身能力。如取消驾驶员座舱和相应的环境系统、安全设备、显示仪表等,以缩小飞机尺寸,减轻飞机重量;发动机安装在更有效的位置,提高飞机的机动性和生存能力;采用翼身融合体,机身设计成完全光滑的无缝隙表面,进一步提高飞机的隐身能力45。1.2 无人机飞翼气动布局形式 飞机(包括无人机)的气动布局通常是指其不同的气动力承力面的安排方式。全机气动特性取决于各承力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状。机翼是主承力面,它是产生升力的主要部件,前翼、平尾、立尾等是辅助承力面,主要用于保证飞机的安定性和操纵性。根据各辅助翼面与机翼相对位置及辅助面的多少,有以下几种气动布局形式6:正常式布局,水平尾
24、翼在机翼之后;鸭式(远式、近距)布局,水平尾翼在机翼的前面;无尾或“飞翼”,飞机只有一对机翼;三翼面布局,机翼前面有水平前翼,机翼后面有水平尾翼。旋翼固定翼两用式,倾转旋翼式,多翼、栅格、环翼、扑翼式等。在这几种布局形式中,正常气动布局,设计理论成熟,稳定性好,应用最广。为了提高隐身性能,增大升阻比,其他布局飞机形式也得到较大发展。早期无尾南京航空航天大学硕士学位论文 3布局仅仅是无平尾而有垂尾的布局,典型的有美国的“敢死蜂”(Exdrone)(参见图 1.1),它是一种简单对称三角翼、单垂尾翼的小型无人机。德国梅塞斯米特 Me-163 无尾截击机也属于这种布局形式。另外此布局还在战斗机中得到
25、广泛的应用,比较有名的是两大无尾军用飞机系列,一是法国的“幻影”无尾飞机系列,包括幻影、幻影 2000(参见图 1.2)和后来的“阵风”(Rafale)战斗机。另一组是美国的无尾军用飞机系列,如无尾战斗机 XF-92A、跨音速战斗机 F-102 和 M3 级超音速高空侦察机 SR-71。在去除水平尾翼的基础上,有的飞机连垂尾也取消,并且机身也相对地缩小或取消而成为飞翼,如美国的隐身轰炸机 B27(参见图 1.3)。我们称这种布局是全无尾布局(无平尾和无垂尾)或“飞翼”式布局。飞翼式布局在无人机方面应用更加广泛,典型的有美国的暗星(Dark star)(参见图 1.4)和“X45”无人作战飞机(
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 飞翼式 无人机 总体 概念性 设计 分析
限制150内