针对某型无人机在考虑发动机进排气影响状态下,最大飞行速度可能无法达到的问题,进行了全机气动减阻优化设计,重点针对机翼、尾翼等关键气动部件开展优化,通过设计多种不同优化方案并进行计算分析,最终确定了最优方案,气动减阻优化设计效果明显,在最大速度状态升阻比增加约0.44,气动阻力有显著改善。同时对无人机外挂载荷安装构型进行计算分析,并通过风洞试验进行验证,确定将任务载荷挂载于翼尖处对全机升阻特性影响最小。

优化载重性能的气动布局设计是当前无人机研究重要方向,为提高物资运载能力和结构性能,基于连接翼、双机身、鸭式布局设计,提出一种新型双机身鸭式布局无人机,采用FLUENT详细研究了两种飞行速度下的升阻特性、压力云图、涡量分布等。研究结果表明,双机身鸭式布局无人机具有较高的升阻性能,速度提高时,升力系数增加而阻力系数减小,速度由30 m/s增加到60 m/s时,最大升力系数增加7.6%,升阻比增加4.8%;从表面压力云图看,升力主要贡献为前机翼、鸭翼和后机翼,失速迎角前后,后机翼未受前机翼和鸭翼气流干扰,提高了无人机的失速特性;巡航迎角状态的涡量较弱,仅在翼梢及部件连接处出现,失速迎角前后,翼梢、部件连接处涡系增强,且产生了干扰,机翼表面趋于分离。

针对无人机价格相对较贵,零部件易损坏,很多院校的无人机设备数量有限,空域限制,学生无人机外业操控经验缺乏,无人机系统复杂性及外业环境的不稳定性等问题,本文提出一套既针对以上风险问题又革新传统教学模式的新方案,充分发掘虚拟仿真技术,将其应用到无人机建模、飞行仿真验证等过程的教学中。本套虚拟仿真教学系统采用的实验设备有遥控器、飞控、电脑等实物产品,将先前建立的模型导入仿真系统进行飞行验证实验,沉浸式地感受逼真的飞行场景和可变的环境,实现与虚拟世界的交互融合,通过参数设置来模拟环境的变化,如环境可见度、降雨量、风和气流的设置等,提供第一人称视角、跟踪视角、实际作业视角等几种视角的随时切换,驾驶员可以在虚拟飞行器上模拟仿真驾驶真实飞行器的感受,并验证飞行器的设计质量。

为了保证旋翼无人机编队飞行时的安全性,探究双旋翼间的气动干扰作用,采用计算流体力学仿真的方法,研究悬停状态下不同间隔的双旋翼流场干涉特征和气动参数变化。首先通过单旋翼实验和数值结果对比,验证数值方法的有效性;然后分析不同间隔双旋翼流场干涉的截面速度分布和涡量分布特征;最后讨论双旋翼作用下间隔对气动参数的影响。研究结果表明气动干扰主要影响2#旋翼的流场特征和气动参数;当两旋翼无横向间隔时,流场可保持对称性,气动力变化主要表现为拉力和扭矩的降低;当横向间隔0.5D≤X≤1.0D时,2#旋翼速度场和涡量场扩散范围受限,其流场出现明显非对称特征;在X=0.5D且1.0D≤Z≤3.0D间隔时2#旋翼受到显著俯仰力矩作用,为悬停较危险区域。

为改善无人机承载质量性能,提出并设计了一种新型连翼式双机身气动布局,建立了基础布局和改进布局模型,基于FLUENT详细研究了两种布局的气动特性。仿真结果表明,连翼式双机身布局有较好的气动性能,巡航状态升阻比可达16以上;经过翼身融合、机头修形及前后翼连接处理等改进后,升阻性能有较大提高,迎角2°时,改进布局升力系数、升阻比分别提高了1.8%、9.1%,阻力系数降低了6.7%,且具有更好的失速性能;与基础布局相比,改进布局有效降低了迎角2°时机头位置、翼身连接处的压力分布,迎角12°时改进布局后翼未发生明显分离;初步试飞试验说明两种布局均具有较为优秀的飞行性能,有望在军民运输、救援、侦察等领域得到应用。