截击型无人机多目标气动外形优化设计.pdf
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1、引用格式:杨德敏 林三春 李易.截击型无人机多目标气动外形优化设计.航空兵器 ():.():.()截击型无人机多目标气动外形优化设计杨德敏 林三春 李 易(.西北工业大学 陕西省空天飞行器设计重点实验室 西安 .北京宇航系统工程研究所 北京.西北工业大学 太仓长三角研究院 江苏 太仓)摘 要:使用无人机碰撞拦截无人机是一种有效且成本适中的反制手段 为提高优化设计效率本文采用雷诺平均 方程计算流场 并使用 代理模型和基于分解的多目标进化算法(/)针对鸭式布局截击型无人机开展气动外形优化设计 设计过程中 以航程和最大可用过载为设计目标 将鸭翼纵向位置、主翼扭转角、展弦比和后掠角作为设计变量 以静稳
2、定度和鸭翼最大偏转角为约束 得到了分布均匀的 前沿 优化后的无人机航程与最大可用过载较基准外形分别提升了.和.证明了该优化方法的有效性关键词:反无人机 鸭式布局 代理模型/多目标优化 中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.引 言近年来 各类小型侦察无人机和察打一体无人机在如叙利亚内战、纳卡战争等地区武装冲突和局部战争中被大量使用 其体积小、难探测 给阵地防空和后勤运输造成了巨大威胁 当拦截中距离(约 )小型无人机时 自动化高炮与电磁武器的射程不足 中远程防空导弹的成本较高 截击型无人机便成为当前技术条件下一种成本适中的、有效的、能弥补末端近防武器和远程防空导弹防御漏洞的拦截手段 该类
3、型无人机发射后会先飞行至任务空域 然后根据自身导引头提供的测量信息导引无人机接近目标并引爆战斗部以摧毁目标 该方法相对近防炮和中近程防空导弹 成本更低且毁伤概率大 年 美国陆军将雷神公司“郊狼”无人机作为近程反无人机方案 该无人机配备有雷达导引头和战斗部 可以有效识别和毁伤目标无人机高显忠等分析了无人机蜂群攻击模式 提出截击型无人机应当成为中近程拦截的重要手段 以直接碰撞的形式实现有效毁伤 周洲等建立了自主拦截无人机的作战效能模型 并分析导引头视场角、突防距离等影响因素 给出了任务指标分配建议 以上研究分析了截击型无人机的重要性与作战效能 但总体方案和气动外形设计等更深入的研究方面 未见报道截
4、击型无人机的作战模式要求其同时具有大航程和大机动过载 这两个设计目标有时是相互约束与冲突的对于多目标设计问题 传统依靠经验的“试凑法”设计成本高、周期长 且难以得到最优的气动外形 进化算法虽然具有较好的全局性 但会大量调用 计算 导致计算成本过高 近年来 代理优化算法在气动外形设计领域得到了大量的应用 韩忠华等针对大型民机机翼采用 代理模型开展多轮优化设计 获得了满足设计要求的气动外形 验证了该方法的有效性和工程实用性进一步 当采用多目标进化算法时 代理优化算法可以很好地解决多目标气动优化问题 曹粟等以飞行器航程、总热流量和飞行时间为优化目标 采用基于分解的多目标进化算法(/)得到三锥体临近空
5、间拦截器的 前沿 证明了该算法的优势和可行性 文献 也证明了/在处理复杂非线性多目标问题的优势与巨大应用潜力本文将代理模型和/算法应用于截击型无人机的多目标气动优化设计 以航程和最大可用过载为设计 目标 通过分析优化前沿 得到设计变量对目收稿日期:基金项目:航天科技联合基金项目作者简介:杨德敏()男 山东郓城人 硕士研究生通信作者:李易()男 河南郑州人 副教授 年第 卷第 期 年 月 航空兵器 .标特性的影响 给出截击型无人机外形的设计建议 优化问题描述.基准模型根据截击型无人机的典型作战模式 可知其主要追求大航程和末段可用过载 对应的气动参数为巡航升阻比和最大升力系数 鸭式布局飞行器巡航飞
6、行时 配平阻力小、升阻比大 同时鸭翼位于机翼之前 操纵效率高 提高了鸭式布局无人机的操纵性和机动性 因此 本文无人机基准外形选择鸭式布局 如图 所示 同时采用尾推式电动螺旋桨驱动 可忽略其对气动特性的影响 鸭翼纵向位置距头部 垂向位置距参考平面 展弦比为 主机翼纵向位置距头部 展弦比为 扭转角为 图 截击型无人机基准外形.优化目标鸭式布局截击型无人机的主要性能要求是增大航程 和提高最大可用过载 航程 的计算公式为 ()式中:为巡航速度 为续航时间 为总电池能量 为巡航阻力 又因为巡航状态下 升力 等于重力 式()可以表示为(/)()最大可用过载 可表示为.()式中:为大气密度 为攻击状态时的速
7、度 为无人机参考面积 由上述公式可知 除了巡航升阻比/和最大升力系数 无人机质量也会严重影响飞行性能因此需要对飞机质量进行估算 由于本文设计的变量并不会影响机翼之外的结构质量 所以只给出机翼质量的估算公式:/()式中:为机翼展弦比 为机翼后掠角(/)为机翼平均相对厚度 为机翼根梢比 .(/)()是考虑机翼根梢比影响的系数 是与 (/)无关的系数此时无人机的总质量可以表示为 ()式中:为除机翼质量以外的无人机结构质量 为动力系统重量 为电池重量 为航电与任务载荷重量综上所述 无人机的优化目标航程 和最大过载可由式()()和()计算得到.设计变量本文主要针对无人机的外形参数进行优化 不考虑电池密度
8、及容量等因素对航程及过载的影响 对鸭式布局截击型无人机进行气动特性计算与分析 发现鸭翼纵向位置、机翼扭转角、机翼展弦比、机翼后掠角 对无人机的巡航升阻比/、最大升力系数 和质量 影响最为明显 因此选择上述 个变量作为设计变量 取值范围见表 表 设计变量取值范围 变量/()/()典型值.上限.下限.约束为满足实际飞行需要 无人机必须具有一定的稳定性和操纵性 因此静稳定度 和鸭翼最大偏转角可以作为约束指标鸭式布局截击型无人机优化问题可以表述为.流动控制方程及求解采用 软件 计算该无人机的气动特性 求解方程时 控制方程采用 方法 空间离散使用二阶迎风格式 通量差分为 格式 对于湍流模型 采用 方程
9、其对外流场模拟精度较高且计算量小 满足本文无人机流场模拟的要求 壁面为无滑移绝热壁面 远场采用压力远场条件 计算域为非结构网格 远场尺寸为 倍机身长度 在近壁面以及流动参数梯度较大的区域进行了网格加密 为保证 壁面网格初始层高度设为 增长率为.如图 所示 经过网格无关性验证 万网格能够较为准确地计算该无人机的气动特性 网格状态如图 所示图 不同网格数量下的无人机升力特性.杨德敏 等:截击型无人机多目标气动外形优化设计图 鸭式布局无人机网格划分.基于 代理模型与/算法的优化方法 采用拉丁超立方()采样生成初始样本点集 使用 代理模型模拟设计空间上的响应值 同时通过加点策略不断提高模型精度 并结合
10、多目标进化算法/寻找设计空间内的 前沿.模型设耗时函数响应值与自变量间的关系为 ()()()式中:()是一个确定性部分 称为确定性漂移()是高斯随机过程误差 具有如下统计特征:()()()()()()()式中:为随机过程的均方差()为样本点 和 之间的相关函数 本文选用()采用样本点响应值的线性加权来预测待预测点的响应值 有()()()式中:()()为待求加权系数向量 (.)根据无偏估计及预估方差最小的条件 并结合拉格朗日乘子法 最终求得加权系数向量为()()()()式中:()()()()()将其代入式()得到待预测点的预测值:()()()()()式中:()式()即为一维问题的 模型无偏估计
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