无人机紧密编队气动耦合分析与仿真

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1、第32卷第鸺期计算机仿真2015年08月文章编号：1006—9348(2015)08—0094—05无人机紧密编队气动耦合分析与仿真李博，李学仁，杜军，张鹏(空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安710038)摘要：研究多无人机紧密编队气动耦合问题。为准确描述翼尖尾涡衰减模型，并分析无人机紧密编队飞行中提高气动效率的最佳空间位置，提出了一种采用Burnham马蹄涡模型的双机编队气动耦合分析方法。首先对无人机编队中僚机进行受力状态分析，然后建立以长机机翼质点为原点的机体坐标轴系，并根据Burnham马蹄涡模型建立僚机的诱导

2、上洗速度和诱导俺洗速度的数学公式，最后在不同空间平面内对僚机的诱导速度和升阻力系数进行仿真。仿真结果表明，在双机紧密编队队形中，僚机通过调整自身位置可以利用长机尾涡气动效应来减小阻力，提高升阻比，达到节省燃油从而提高续航能力的效果。关键词：无人机；紧密编队；气动耦合；升阻比中圈分类号：V279文献标识码：BAerodynamicCouplingAnalysisandSimulationofMulti—-UAVTightFormationFlightUBo，LIXue—ren，DUJun，ZHANGPeng(Aeronau

3、ticsAndAstronauticsEngineerngCollege，AirForceEngineerngUIIive瑙ity，Xi’anShanxi710038，China)ABSTRACT：Aerodynamiccouplingproblemoftightformafionflightofmulti—UAVisresearched．Aimingtoaccu-ratelydescribethemodeloflead’Strailingvorticesandtoanalysetheoptimalpositionint

4、hecoordinateofincreasingaerodynamicefficiencyinthetghtformafionflightofmulti—UAV，amodifiedmethodofaerodynamiccouplingeffectofcouplednightformationbasedonBurnhamhorseshoovortexmodelisproposed．Fifty，theinducedliftanddragofthewingaircraftintheforrnationisanalysed．Se

5、condly，theBurnhamvortexprofilemodelisadoptedtocalcu-latethevortex—inducedupwashandsidewashforces．Then．theinducedvelocit)randlift／dragcoefl3cientineachplanearesimulatod．ThesimulationresultshowthatthewingaircraftCandecreasedragforceandimprovelift—to—dragratiobyadju

6、stingspacepositionforexploitingvortexeffect．thusitCanimprovetheformationflightdistance．Finallytheresultoreverifiedbycomparingwiththewindtunnelexpofiments．KEYWORDS：UAV；Tightformation；Aerodynamiccoupling；Lift—‘to。-dragratio1引言目前，为更好地适应复杂的战场环境和提高执行任务的成功率，有关无人机编队的研究得

7、到越来越广泛的关注¨’21。多无人机在近距飞行时实现紧密编队，紧密编队飞行中各僚机利用长机翼尖尾涡产生的上洗气流减小阻力，使编队整体实现相当于大展弦比飞机的气动效能，提高升阻比，从而使飞行效率提高，增强了编队飞行的续航能力。国外学者和机构自上世纪70年代开始研究飞机编队问题。美国NASA研究中心采用两架F一18C模型进行风洞实收稿日期：2014—10-22---——94·--——验，结果表明僚机阻力减小达25％，且燃油消耗比长机少18％【3J。但风洞实验代价过高，且当飞机数量较多时实验实施较为困难甚至无法完成。文献[4]

8、采用Helmholtz经典马蹄涡模型对有人机编队进行了数学建模和分析，但此模型在涡线中心位置存在奇点，未能全面地描述气动耦合关系。文献[5]研究了编队间横向和垂直向距离对编队气动耦合的影响，但未考虑纵向距离与翼尖尾涡衰减之间的关系。本文针对无人机紧密编队中气动耦合的特点，对编队中各机的最佳空间位置进行了探索性研究。考