一种螺旋桨动力配平的小型电动无尾无人机研究

发布时间：2017-08-12 01:14

  本文关键词：一种螺旋桨动力配平的小型电动无尾无人机研究

  更多相关文章： 无人机 无尾布局 总体设计 螺旋桨动力配平 航时 纵向稳定性 优化设计 稳健性

【摘要】：固定翼飞机的纵向静稳定性、纵向配平与飞行性能对飞机的设计要求是相矛盾的,无尾飞机由于缺少平尾,使该矛盾对其影响尤为显著。因此,无尾飞机设计需要在纵向稳定性、平衡和性能之间做更多的协调和折衷。相比于常规布局,设计性能较好的无尾飞机难度更大。在飞机概念设计阶段,其外形参数以及实际的飞行状态往往存在着一定的随机不确定性。特别地,针对无尾布局,某些不确定性因素对飞机的飞行性能和稳定性影响较为敏感。如果在无尾飞机总体设计时不考虑这些不确定性因素,就极有可能无法达到飞机的设计要求。针对以上两个问题,本文提出了一种利用螺旋桨动力配平纵向力矩(propeller thrust trimming,PTT)的飞机布局方案,力图通过螺旋桨动力产生抬头力矩,来提高无尾飞机的最大升力系数和升阻特性,以改善无尾飞机的飞行性能。围绕该布局,以一架小型电动无尾无人机为研究对象,开展了PTT布局性能收益及纵向稳定性研究,并进行了PTT小型无尾无人机航时稳健性优化设计工作。本文主要完成了以下几方面工作:(1)提出了PTT布局方案,并对PTT小型无尾无人机进行了总体方案初步设计。首先,从改善无尾飞机性能的角度,阐述了PTT布局的方案原理。其次,研究了PTT小型无尾无人机的总体布局。然后,进行了无人机初始外形参数设计,从稳定性、纵向配平以及性能方面,定性地分析了机翼、翼梢小翼以及舵面几何参数的选择。(2)为评估PTT小型无尾无人机的气动性能收益,对采用常规升降副翼配平和采用PTT的两种小型无尾无人机进行了风洞实验。测试结果显示:在满足纵向配平条件下,倘若PTT布局的翼身轴线偏移量设计合理,那么相比于常规升降副翼配平的无尾无人机,PTT布局的最大升阻比可以提升15%左右,最大升力系数可以提升16%左右。此外,风洞实验数据还对本文的无人机气动力计算方法进行了验证。(3)为评估无人机续航性能,建立了PTT小型电动无人机总体设计计算模型。针对PTT布局以及电动无人机存在的特殊性,重点研究了以下四个方面:其一,计入推力线偏移、重心偏移以及螺旋桨矢量推力等影响,建立了PTT布局的纵向稳定性与纵向配平计算模型;其二,建立了存在来流攻角的螺旋桨以及无刷电机模型,为电动无人机设计出了高效的推进系统;其三,建立了恒功率放电条件下锂离子电池放电时间计算模型,并基于该模型推导出了电动无人机航时公式;其四,根据飞机外形尺寸,通过叠加全机各部件重量来评估无人机结构重量,进而建立了电动无人机重量计算模型。(4)基于前文建立的总体设计计算模型,对PTT小型电动无尾无人机进行了总体参数优化,研究PTT带来的无人机续航性能收益。优化结果表明:在满足指定任务目标要求下,PTT无尾无人机具有更轻的重量和更高的升阻比,相比于采用正弯度翼型和反弯度翼型的常规升降副翼配平无尾无人机,PTT布局的航时分别提升了24.2%和40.4%。通过对一架2.5kg级别的样机进行多次飞行测试,证明了本文提出的PTT改善无尾飞机飞行性能这种方案的可行性,以及建立的小型电动无人机总体设计计算模型的有效性。(5)以优化得到的PTT小型电动无尾无人机为基准,探究了总体参数对PTT无尾无人机纵向静稳定性、纵向配平以及纵向动稳定性的影响。分析结果显示:重心下移对纵向静稳定性影响非常显著,它增加了PTT无尾飞机的纵向静稳定性,并使纵向静安定裕度随升力系数呈非线性变化。重心下移量越大,纵向静稳定性越好,但同时会增加配平力矩,降低无人机性能。另一方面,引入的螺旋桨推力线偏移和矢量推力则对纵向静稳定性影响较小,但它们增加了长周期的振荡周期,减小了长周期的阻尼,并且分别决定着PTT无尾无人机的零升俯仰力矩大小和纵向配平能力。(6)开展了PTT小型电动无尾无人机航时稳健性优化设计。通过Sobol’全局灵敏度分析,筛选出了对PTT小型电动无尾无人机航时和约束影响较大的13个几何设计变量和飞行状态参数,并将其划分为5类不确定性问题。然后基于代理模型,利用多目标遗传算法对这5类不确定性问题进行了稳健性优化。与确定性优化结果相比,经过稳健性优化得到的无人机总体参数,在损失较小航时均值的条件下,可以显著降低无人机几何设计变量和飞行状态参数变化对航时的影响,大幅度提升无人机设计过程中满足约束的概率。最后基于稳健性优化设计结果,总结出了PTT小型电动无尾无人机航时和约束稳健性设计准则。
【关键词】：无人机 无尾布局 总体设计 螺旋桨动力配平 航时 纵向稳定性 优化设计 稳健性
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究进展15-23
• 1.2.1 无尾飞机设计15-19
• 1.2.2 增加飞机续航性能的方法19-20
• 1.2.3 小型电动无人机设计20-22
• 1.2.4 飞机稳健性优化设计22-23
• 1.3 需要进一步研究的问题23-24
• 1.4 论文的主要研究工作24-28
• 第2章 PTT小型无尾无人机总体方案初步设计28-40
• 2.1 PTT布局原理28-31
• 2.2 无人机任务剖面31-32
• 2.3 无人机总体布局32-33
• 2.4 无人机初始外形参数设计33-39
• 2.4.1 翼型选择33-36
• 2.4.2 机翼设计36-37
• 2.4.3 翼梢小翼设计37-39
• 2.4.4 舵面设计39
• 2.5 本章小结39-40
• 第3章 PTT小型无尾无人机气动性能收益研究40-54
• 3.1 风洞实验40-43
• 3.1.1 实验内容40-41
• 3.1.2 实验模型41-43
• 3.2 气动力计算方法43-46
• 3.3 测试结果与分析46-51
• 3.3.1 无舵面偏转测试46-48
• 3.3.2 升降副翼偏转测试48-49
• 3.3.3 最大升力系数测试49-50
• 3.3.4 不同翼身轴线偏移量测试50-51
• 3.4 布局修正51-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 PTT小型电动无尾无人机总体设计计算模型54-84
• 4.1 无人机总体设计框架55
• 4.2 无人机任务要求55-56
• 4.3 总体参数与无尾飞机重心位置56-59
• 4.3.1 总体参数计算56-57
• 4.3.2 无尾飞机重心位置确定57-59
• 4.4 电动推进系统设计59-66
• 4.4.1 螺旋桨优化设计60-63
• 4.4.2 无刷电机优化选取63-66
• 4.5 电动无人机重量66-69
• 4.5.1 结构重量66-69
• 4.5.2 电机重量69
• 4.6 PTT无尾无人机纵向稳定性与纵向配平建模69-76
• 4.6.1 纵向静稳定性建模70-72
• 4.6.2 纵向配平建模72-73
• 4.6.3 纵向动稳定性建模73-76
• 4.7 电动无人机航时76-81
• 4.7.1 锂离子电池放电时间计算模型76-79
• 4.7.2 锂离子电池放电实验测试79-80
• 4.7.3 航时公式80-81
• 4.8 本章小结81-84
• 第5章 PTT小型电动无尾无人机续航性能收益研究84-96
• 5.1 遗传算法优化84-86
• 5.2 优化结果与分析86-91
• 5.3 样机试飞验证91-95
• 5.3.1 样机结构设计与加工实物91-93
• 5.3.2 样机试飞验证93-95
• 5.4 本章小结95-96
• 第6章 PTT无尾无人机纵向稳定性与纵向配平影响分析96-112
• 6.1 纵向静稳定性影响分析96-101
• 6.1.1 油门杆位置的影响96-98
• 6.1.2 螺旋桨俯仰偏转角的影响98-99
• 6.1.3 翼身轴线偏移量的影响99-100
• 6.1.4 重心偏移量的影响100-101
• 6.1.5 螺旋桨尾力臂长度的影响101
• 6.2 纵向配平影响分析101-104
• 6.2.1 翼身轴线偏移量的影响102-103
• 6.2.2 重心偏移量的影响103
• 6.2.3 螺旋桨尾力臂长度的影响103-104
• 6.3 纵向动稳定性影响分析104-110
• 6.3.1 与常规无尾布局对比104-106
• 6.3.2 翼身轴线偏移量的影响106-107
• 6.3.3 重心偏移量的影响107-108
• 6.3.4 螺旋桨尾力臂长度的影响108-109
• 6.3.5 飞行速度的影响109-110
• 6.4 本章小结110-112
• 第7章 PTT小型电动无尾无人机稳健性优化设计112-138
• 7.1 无人机稳健性优化设计环境112-115
• 7.1.1 稳健性优化概念112-113
• 7.1.2 无人机稳健性优化设计环境113-115
• 7.2 代理模型技术115-119
• 7.3 全局灵敏度分析119-126
• 7.3.1 Sobol’全局灵敏度分析119-122
• 7.3.2 全局灵敏度分析结果与讨论122-126
• 7.4 稳健性优化126-127
• 7.5 稳健性优化结果与分析127-136
• 7.5.1 飞行状态不确定性127-129
• 7.5.2 动力位置不确定性129-130
• 7.5.3 重心位置不确定性130-132
• 7.5.4 几何变量不确定性132-134
• 7.5.5 舵面变量不确定性134-136
• 7.6 本章小结136-138
• 第8章 总结与展望138-142
• 8.1 全文工作总结138-140
• 8.2 论文创新点140
• 8.3 未来工作展望140-142
• 参考文献142-152
• 附录A-存在来流攻角的螺旋桨涡流理论计算模型152-158
• 附录B-无刷电机计算模型158-160
• 致谢160-162
• 攻读博士学位期间取得的学术成果162-164

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