基于伴随方法的无人机气动隐身优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30010

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基于伴随方法的无人机气动隐身优化设计

黎明¹(), 陈娇娇¹, 周海¹, 陈颖闻¹, 白俊强²

^1.成都飞机设计研究所，成都 610091
^2.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-12-25 修回日期:2024-01-17 接受日期:2024-02-26 出版日期:2024-03-13 发布日期:2024-03-11
通讯作者: 黎明 E-mail:2014200130@mail.nwpu.edu.cn

Adjoint⁃based aero/stealth optimization design for UAV

Ming LI¹(), Jiaojiao CHEN¹, Hai ZHOU¹, Yingwen CHEN¹, Junqiang BAI²

^1.Chengdu Aircraft Design and Research Institute，Chengdu 610091，China
^2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-12-25 Revised:2024-01-17 Accepted:2024-02-26 Online:2024-03-13 Published:2024-03-11
Contact: Ming LI E-mail:2014200130@mail.nwpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

隐身无人机的外形设计需要兼顾气动、隐身性能，协调气动、隐身两学科的矛盾。为了进一步挖掘无人机的性能潜力，采用多学科优化设计方法对外形进行精细化设计。首先，建立了适用于均匀介质目标的雷达散射截面积（RCS）梯度求解的伴随方法，将带有隐身材料的目标等效为均匀介质体进行分析，采用PMCHWT （Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai）方程求解RCS。其次，结合雷诺平均Navier-Stokes方程求解器、自由曲面变形参数化方法、逆距离权重网格变形算法、序列二次规划算法和伴随方法，搭建了气动隐身多学科梯度优化设计系统。最后，对某无人机的外形进行气动隐身优化设计。结果显示，优化后外形的气动隐身性能均有提高，验证了本文方法的有效性。

关键词: 伴随方法, PMCHWT, 矩量法, RANS, 多学科优化, 气动隐身

Abstract:

The shape design of the stealth UAV needs to give consideration to both aerodynamic and stealth performance and balance these two disciplines. To further tap the potentials of UAV， this paper adopts a multidisciplinary optimization design method to refine the shape. Firstly， an adjoint method for solving the gradient of Radar Cross Section （RCS） of a homogeneous medium target is established. The target with the stealth material is treated as a homogeneous medium. The RCS of the homogeneous medium is solved by the Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai （PMCHWT） equation. Secondly， a multidisciplinary gradient optimization design system for aero/stealth is established by combining the Reynolds average Navier-Stokes equation solver， the free form deformation parameterization method， the inverse distance weight mesh deformation algorithm， the sequential quadratic programming algorithm， and the adjoint method. Finally， the aero/stealth optimization design of the shape of a UAV is carried out. The results show that the aerodynamic and stealth performance of the optimized shape is improved， which verifies the effectiveness of the method proposed.

Key words: adjoint method, Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai (PMCHWT) equation, method of moments, RANS, multidisciplinary optimization, aero/stealth

中图分类号:

V211.41

黎明, 陈娇娇, 周海, 陈颖闻, 白俊强. 基于伴随方法的无人机气动隐身优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 530010-530010.

Ming LI, Jiaojiao CHEN, Hai ZHOU, Yingwen CHEN, Junqiang BAI. Adjoint⁃based aero/stealth optimization design for UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(17): 530010-530010.

图/表 22

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 10

表 1

表 2

表 3

图 11

图 12

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图 18

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参考文献 37

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算例	w₁	w₂	χ₁	χ₂
1	1.0	0	1.000 0	1.0
2	0.5	0.5	0.000 1	10.0
3	0.5	0.5	0.000 1	30.0

外形	攻角/（°）	C_D	升阻比
基准外形	2.59	0.025 04	9.98
优化外形1	2.29	0.024 41	10.24
优化外形2	2.22	0.024 42	10.24
优化外形3	2.38	0.024 82	10.07

外形	金属RCS/dBsm		介质RCS/dBsm
外形	HH极化	VV极化	HH极化	VV极化
基准外形	-10.76	-10.37	-27.31	-30.57
优化外形1	-10.81	-10.42	-26.65	-30.51
优化外形2	-10.85	-10.47	-26.58	-30.74
优化外形3	-10.93	-10.41	-25.46	-34.82

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