高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaApr252017Vol38No．4SSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．CFIhkxb@buaa．edu．cn高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计方法有连兴，余雄庆*南京航空航天大学航空宇航学院飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京210016摘要：针对高马赫数临近空间无人机(HSUAV)概念设计的需求，研究一种飞行器主要总体参数设计的改进方法，目的是提高主要总体参数设计的可信度。在现有的约束分析和任务分析方法基础上，通过融入适用性更广、

2、预测精度更高的气动模型和推进系统模型，建立了一种迭代的设计计算流程。应用参数化建模方法建立了气动数值分析模型，应用发动机热力循环分析建立了推进系统模型。应用本文方法完成了高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计计算，结果表明：经过若干次迭代设计计算，主要总体参数值收敛；由传统方法确定的主要总体参数与本文方法的结果有明显差别。由于本文方法中使用了可信度更高的气动和推进系统模型，根据本文方法确定的主要总体参数具有更高的可信度。关键词：无人机；概念设计；临近空间；高马赫数；约束分析；任务分析中图分类号：V221文献标识码：A文章编号：10006893(2017)04—22051

3、412高马赫数临近空间无人机(HSuAV)是指在临近空间[1]以马赫数Ma一3．o～5．0巡航飞行完成特定任务的无人飞行器。与现有的亚声速和低超声速(Ma一1．2～3．o)飞行器相比，HSUAV的高空高速特性，使得现有战斗机和地面防空系统难以对其进行有效攻击。例如，SR-71侦察机的高空高速性能有效地提高其生存力[2]。与高超声速临近空间无人机相比，HSUAV无需采用超燃冲压发动机[3]，技术风险较小。与近地轨道侦察卫星相比，HSUAV能够在临近空间区域内更快、更精确地获取信息。目前，还没有一种真正实用的HSUAV。美国曾研制了高马赫数无人机D-21A[4]，设计巡航马

4、赫数为3．3，巡航高度为24380m。但由于采用了空中挂载发射方式，无法自主起飞和着陆，属于一次性使用飞行器，其使用成本较高。因此，研制一种能够实现自主起飞、爬升、巡航和着陆的高马赫数临近空间无人机更具有实用价值。飞行器概念设计属于飞机总体设计的早期阶段，它有2个关键问题要解决口]：一是概念方案，包括总体构型方案、推进系统、结构与材料方案等；二是总体参数设计，包括外形参数、动力装置参数和重量参数设计等。在这些总体参数中，最基本的参数是推重比、翼载荷和最大起飞重量，这3个参数通常称为主要总体参数(或基本总体参数)，飞行器性能在很大程度上取决于这3个主要总体参数。HSUAV

5、作为一种新型无人机，在总体设计阶段面临许多新的问题。其中一个问题就是：如何根据HSUAV的任务使命，确定其主要总体参数。飞机主要总体参数设计通常采用约束分析和任务分析的方法[6]。应用这种方法的前提是具有该类型飞机气动特性、动力装置特性和重量特性的统计数据，或具备相关的较精确的工程估算方法。但对于HSUAV这种新型无人机，其动力装收稿日期：2016．06．11；退修日期：2016—09—01；录用日期：2016-09-09；网络出版时间：2016-10—0909：36网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V．20161009．09

6、36．004．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(NZ2016101)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．E—mail：yxq@nuaa．edu．ca乎{用撂武：有连兴。余雄庆．高s赫数临近空阈无人机主要总体参数设讨方法[J二．航空学报t2017，38(4)：220514YOULX，YUXo．Preliminarysizingmethodfornear-spacehighsupersonicunmannedaerialvehiclesEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017．38(4)：220514

7、．220514．1航空学报置、气动布局等不同于常规飞机，既不存在统计数据，也不具备较精确的工程估算方法。因此，为了确定HSUAV主要总体参数，需要对现有的方法进行改进。本文目的是研究一种适用于HSUAV概念设计阶段的主要总体参数确定方法。本文的架构是以一种HSUAV任务使命和概念方案为例，基于约束分析和任务分析的思路[7]，通过采用数值分析和工程方法相结合的方法，展示HSUAV主要总体参数的设计过程。1一种HSUAV的设计要求和概念方案HSUAV主要总体参数设计的依据是任务剖面、性能要求和概念方案。由于需要一个具体的概念方案作为例子来详细