翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29587

飞行器新概念气动布局设计专栏

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翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

安朝, 霍贵玺, 孟杨, 谢长川(), 杨超

北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191

收稿日期:2023-09-14 修回日期:2023-09-28 接受日期:2023-12-04 出版日期:2024-03-25 发布日期:2023-12-13
通讯作者: 谢长川 E-mail:xiechangc@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12102027)

Aerodynamic modeling methods and influence of layout parameters for wingtip⁃hinged multi⁃body combined UAV

Chao AN, Guixi HUO, Yang MENG, Changchuan XIE(), Chao YANG

School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2023-09-14 Revised:2023-09-28 Accepted:2023-12-04 Online:2024-03-25 Published:2023-12-13
Contact: Changchuan XIE E-mail:xiechangc@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12102027)

摘要/Abstract

摘要：

翼尖铰接组合式无人机是一类新概念飞行器，其由多个单体无人机以翼尖铰接形式连接而成并允许相对滚转运动，在布局参数及飞行力学特性上与常规飞行器有较大不同，单体无人机间存在气动耦合。首先基于状态空间形式涡格法给出了针对该类型飞行器的气动导数计算方法。然后，结合Newton-Euler方程建立的飞行力学模型进行配平计算及飞行力学稳定性分析，说明其具有以相对滚转运动主导的不稳定复合运动飞行模态特征。最后，开展布局参数对飞行动力学稳定性影响研究，经分析，减小单体无人机配平滚转角，增加后掠角可以改善飞行稳定性，同时机翼与尾翼距离存在改善飞行稳定性最优值。研究结果可为翼尖铰接组合式无人机设计提供指导和参考。

关键词: 飞行力学, 多体组合式无人机, 新概念飞行器, 涡格法, 气动布局

Abstract:

The wingtip-hinged multi-body combined Unmanned Aerial Vehicle （UAV） represents a novel conceptual aircraft， comprising multiple individual unmanned aircraft interconnected through wingtip hinges and allowing for relative roll motion. It exhibits significant distinctions in layout parameters and flight dynamics characteristics compared to conventional aircraft， with the presence of aerodynamic coupling between individual unmanned aircraft. First， the state-space vortex lattice method is employed to derive the aerodynamic derivatives specific to this aircraft type. Then， utilizing the Newton-Euler equations， a flight dynamics model is established for trim calculation and stability analysis， elucidating its unstable compound motion flight modes dominated by relative roll motion. Lastly， an investigation is conducted on the influence of layout parameters on flight dynamics stability. The analysis shows that reducing the trim roll angle of individual unmanned aircraft and increasing the sweep angle can enhance flight stability， while an optimal distance between the wing and tail is found to improve flight stability. The research findings can provide guidance and reference for the design of wingtip-hinged multi-body combined UAVs.

Key words: flight dynamics, multi-body combined unmanned aerial vehicle, new concept aircraft, vortex lattice method, aerodynamics layout

中图分类号:

V221

安朝, 霍贵玺, 孟杨, 谢长川, 杨超. 翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629587-629587.

Chao AN, Guixi HUO, Yang MENG, Changchuan XIE, Chao YANG. Aerodynamic modeling methods and influence of layout parameters for wingtip⁃hinged multi⁃body combined UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(6): 629587-629587.

图/表 32

图 1

图 2

图 3

表 1

图 4

图 5

图 6

图 7

表 2

气动导数计算结果

气动导数	本文方法计算结果	ZONAIR计算结果
$C L α$	4.88	4.89
$C M y α$	-1.92	-1.86
$C Y β$	0.288	0.291
$C M x β$	-0.007 5	-0.007 2
$C M z β$	0.092	0.094
$C Y p$	0.02	0.02
$C M x p$	-0.536	-0.542
$C L q$	9.526	9.619
$C M y q$	-20.25	-20.21
$C Y r$	-0.199	-0.191
$C M z r$	-0.063	-0.065

表 2

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表 3

表 4

飞行力学模态特征向量角度量

模态

Δ ϕ 1

Δ ϕ 2

Δ θ 1

Δ θ 2

Δ ψ 1

Δ ψ 2

复合运动

模态1

-1

0.02

9×10^-4

复合运动

模态2

-1

0.015

8×10^-5

表 4

图 13

表 5

飞行力学模态特征向量角速度量

模态	$Δ p 1$	$Δ p 2$	$Δ q 1$	$Δ q 2$	$Δ r 1$	$Δ r 2$
复合运动模态1	1.67	-1.67	-0.04	-0.04	-2×10^-3	-2×10^-3
复合运动模态2	-1.49	1.49	0.032	0.032	4×10^-4	4×10^-4

表 5

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

参考文献 28

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

设计参数	数值	设计参数	数值
机翼展长/m	3.0	机翼弦长/m	0.27
副翼展长/m	1.0	副翼弦长/m	0.09
垂尾展长/m	0.24	垂尾弦长/m	0.12
平尾展长/m	0.96	平尾弦长/m	0.12
机翼翼型	NACA0012	平尾、垂尾翼型	NACA0012

阶数	模态	特征根	特征时间/s	模态特征
1~2	短周期模态	-3.791 5±1.593i	3.94	收敛
3	滚转模态	-1.673 4	0.41	收敛
4~5	荷兰滚模态	-0.297 0±0.726i	8.65	收敛
6	复合运动模态1	1.65	0.42	发散
7	复合运动模态2	-0.332 5	2.10	收敛
8~9	长周期模态	-0.000 1±0.011i	570.9	收敛

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翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响

Aerodynamic modeling methods and influence of layout parameters for wingtip⁃hinged multi⁃body combined UAV

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