简议无人机气动设计标准的编制

姚军锴 何海波 杨威

（北京机电工程研究所，北京，100074）

标准介绍与实施

简议无人机气动设计标准的编制

姚军锴 何海波 杨威

（北京机电工程研究所，北京，100074）

文摘：简介无人机气动设计标准的现状和背景，提出编制无人机气动标准应包含的内容，分析各内容对于无人机气动设计的影响和意义。

无人机（UAV）；气动设计；设计标准；标准编制。

现代战争呈现出明显的无人化发展趋势，无人军事装备几乎渗透到战场空间的各个领域，现代无人机被广泛用于执行各种非杀伤性和软、硬杀伤性任务。无人机（UAV）正在从过去单一的侦察、电子对抗等战斗支援型向攻击杀伤型发展，已成为影响作战进程的重要乃至关键性力量[1]。

在无人机设计中，空气动力技术是飞行器设计中非常重要的基础技术[2]，是无人机总体设计、控制系统设计、结构强度与热防护设计的重要依据。无人机气动设计标准体系在我国尚未建立，各国防单位在无人机设计过程中大部分是借鉴和参照导弹设计标准（如QJ 2353-92《飞航导弹气动外形设计准则》）和有人驾驶飞机标准中的设计准则。但导弹和有人驾驶飞机的部分设计准则并不完全适用于无人机的气动设计，难以满足无人机气动技术的发展[3]。

我院前期无人机的设计走工程研制道路，在气动关键技术方面的重视和攻关能力不够，气动设计多是借鉴导弹的设计方法和准则，欠缺新型布局无人机的设计、性能预测及评估能力。因此需要建立相应的标准体系，用于无人机气动设计及研制经验系统性传承，并重点规划建设与逐步完善。

1 无人机气动设计标准化现状

目前，国外航天大国针对无人机气动设计领域的研究、验证体系已成熟多年，但在公开发表的文献中鲜有其标准和规范。我国经历了多年无人机气动设计的摸索，在发展过程中制定了部分标准／规范，但无人机空气动力技术标准体系尚不完善，对于新型气动布局设计、操纵面设计、试验验证流程等问题的研究，更需要开展相关标准／规范的指导工作。经过对现行标准的梳理发现，在无人机空气动力技术标准化方面研究存在以下不足[4]。

a）专业标准内容不全面，缺乏新兴空气动力技术方面的标准，各类空气动力技术的行业标准、军用标准都很少，尤其是航天行业标准十分欠缺。

b）标准分散、系统性不强，在空气动力技术各个子领域，只有零散的相关通用标准和基础标准，难以获得有效的标准与标准体系。

c）针对无人机的空气动力技术标准内容少，且标准主要局限在空气动力试验方面，主要以国家军用标准的形式颁布，标准文件少而单一。一些国家军用标准适用对象的范围广，其具体可操作性不强，缺乏航天行业内通用的技术标准。

d）标准的制定、发布、修改和完善过程缺少一个有影响力的、权威性的开放平台，标准的工程影响力不够。

为了适应无人机领域空气动力技术发展的需要，满足无人机全包络飞行技术要求，提高无人机空气动力技术基础能力和标准化整体水平，保证设计质量，提高武器系统整体性能，需要针对无人机领域空气动力技术标准开展细致的梳理和规划，形成系统完整的标准体系，指导无人机空气动力相关的技术研究以及系统应用工作，满足对无人机气动设计标准规范的需求，提升无人机设计的综合能力。

2 无人机气动设计标准的主要内容

在无人机设计过程中，气动设计的工作主要集中在方案阶段。如今随着CFD（计算流体力学）技术的发展，很多气动设计工作均在计算机上完成，既减少了风洞试验的次数又缩短了无人机的研制周期，这就对气动设计过程提出了更高的要求。因而有必要对气动工作流程进行梳理，形成一套较为完善的气动设计标准，以指导和规范后续设计工作。现按照气动设计的主要工作内容，对无人机气动设计所应涉及的标准作一说明。

2.1 气动设计流程

无人机的气动设计涉及到总体参数确定、初步方案、详细设计、试验验证等多个流程，在进行气动设计工作过程中，各流程间紧密联系、互相配合，任何一个环节出现问题，都有可能导致方案的反复。因此，必须规范无人机的气动设计流程，以提高气动设计效率。无人机的气动设计流程如图1所示。

图1 无人机气动设计流程

建立无人机气动设计流程规范的目的是将无人机气动设计的技术要求、工作步骤、技术细节等进行提炼、总结和整理，将研究成果积淀，以规范后续设计工作。

2.2 无人机气动布局设计规范

气动布局设计是无人机设计的重要基础和内容，在方案设计阶段就要开展无人机的气动布局选型工作，通常需要进行大量的对比计算和试验确定气动布局。气动布局设计的优劣决定了无人机方案的性能和项目成败，这使其处在无人机设计各相关学科的优先地位。一般而言，无人机气动布局设计规范应包含：①气动布局设计涉及的术语、符号；②气动布局型式的对比、选择；③气动布局的设计原则、设计方法和设计流程。

建立此规范的目的是将无人机气动布局设计的方法和经验进行提炼、总结、整理，积淀研究成果，保证布局设计的合理性。

2.3 无人机翼型设计规范

机翼是无人机产生升力和阻力的主要部件，而构成机翼的翼型对飞机性能有很大影响。翼型影响着巡航速度、起飞速度、起降性能、失速速度以及所有飞行阶段的空气动力性能。

无人机翼型选择及设计是无人机气动设计的关键技术之一，且翼型的优化设计涉及到翼型参数化方法。翼型参数化方法的选择，除了影响优化算法类型的选择外，还影响计算时间和资源、设计空间的范围以及设计空间中翼型几何外形是否光滑或不规则、设计空间中是否包括有意义的优化结果。一般而言，无人机翼型设计规范包含：①翼型设计所涉及的术语、符号；②翼型种类整理、对比；③翼型选择准则、设计准则、设计要求和设计流程。

建立此规范的目的主要在于规范无人机翼型的设计方法和流程，缩短研制周期，节约设计成本，保证无人机翼型设计的性能优化。

2.4 无人机操纵面设计规范

无人机的操纵面主要用来维持、控制飞行姿态，现代无人机均配备有多组操纵面，其操纵形式多样，操纵效能相互耦合。此外，在操纵面设计过程中，不仅包含操纵面本身的设计，还包括操纵面与主翼面间缝隙的设计，因而操纵面的设计是无人机设计过程中较为关键的技术。无人机操纵面设计规范一般包括：①操纵面设计所涉及的术语、符号；②操纵面分类整理、对比；③操纵面设计准则、设计要求和设计流程。

建立无人机操纵面设计规范，一方面能够简化操纵面设计过程，另一方面也有助于提高无人机的设计效率和设计水平，从而提升无人机的飞行品质和飞行性能。

2.5 无人机增升装置设计规范

采用地面水平起降的无人机在设计研制过程中，一方面，要考虑高速飞行和机动作战的要求；另一方面，在起飞和着陆时，又要尽可能降低飞行速度，缩短滑跑距离，以最小的巡航性能损失来达到要求的场域性能。这意味着起飞、着陆时需要大升力系数，巡航飞行时需要高升阻特性，起降与巡航设计存在升力需求方面的矛盾。一个有效的解决途径就是在无人机机翼上加装增升装置，巡航飞行时，增升装置闭合，无人机以高升阻比巡航飞行；起降过程中，增升装置打开，满足低速起降升力需求，改善无人机的起飞着陆性能。

无人机增升装置的设计是无人机气动设计的关键技术之一，且增升装置涉及到复杂的缝隙流动、设计参数较多，设计难度较大。无人机增升装置规范一般包括：①增升装置设计所涉及的术语、符号；②增升装置的种类对比、选择；③增升装置的设计准则、设计要求和设计流程。

执行无人机增升装置设计规范，能够规范设计流程，避免人为因素引起的设计偏差，确保无人机研制流程的完善。

2.6 无人机试验验证流程

无人机在设计完成后需要进行一系列试验以验证设计结果的合理性与准确性，而验证所应包含的试验和试验开展的顺序是进行验证工作前必须详细考虑的。因此，建立无人机试验验证流程对于规范无人机试验验证工作十分重要。无人机试验验证流程一般包括：①无人机各项风洞试验所涉及的术语、符号；②无人机各项风洞试验的试验目的、技术要求；③无人机风洞试验验证流程。

无人机试验验证流程的建立有助于规范无人机各项试验验证项开展顺序、试验目的、试验技术要求以及试验数据处理等工作。

气动设计是无人机设计过程中的一项重要内容，其结果直接关系到无人机的性能与飞行品质。无人机气动设计标准按照无人机气动设计的阶段，对每一项气动设计涉及到的内容进行了明确定义与规定，同时，由于无人机用途、任务需求的不同，其气动布局型式朝着多样化方向发展，在气动布局、翼型、操纵面和增升装置等方面提出了设计要求。在目前尚未建立无人机气动设计标准相应背景材料的情况下，通过对无人机标准有关问题的研究和分析，有助于我院后续建立、完善相应的无人机标准并在实际设计工作中进行应用，从而提高企业无人机设计水平。

[1]陈晨，黄永葵，曾佳.无人机系统术语标准研究[J].航空标准化与质量，2012（5）.

[2]战培国，孙宗祥.空气动力学标准体系研究初探[J].标准科学，2009（11）.

[3]陶于金，王建培.无人机飞行品质标准研究[J].飞行力学，2010（28）.

[4]梁勇.航空行业工艺标准体系构建策略[J].航空标准化与质量，2006（8）.

姚军锴（1989年—），男，硕士研究生，气动技术研究室，主管工程师，专业方向为无人机气动设计，目前主要从事无人机气动布局设计相关工作。