军事侦察无人机空气动力学研究

陈聚超 万又铭 韩晓茹

摘要：现阶段，在军事侦察过程中，无人机应用的非常广泛，为军事侦察工作带来了非常大的便利。但是就无人机应用现状来看，其空气动力学问题还是比较突出的，需要相关操作人员和设计者予以关注。基于此，本文通过对军事侦察无人机空气动力学的特点进行分析，从机翼空气动力学、螺旋桨空气动力学、整体空气动力学等方面入手，研究了軍事侦察无人机的空气动力学。

关键词：军事侦察;无人机;空气动力学

前言：

近些年来，无人机是军事侦察中不可或缺的装备之一。现阶段，很多国家将无人机普遍应用与海陆空三军中，但是三军所用的机型却是不同，这是由于三军的使用条件和任务要求有非常的的差别。目前，在世界普遍应用的侦察无人机大多数都是低雷诺数型号。无人机都具有一定程度的动力学特性，对其动力学进行深入研究，有利于工作人员更好的设计无人机，从而保证无人机性能。

1军事侦察无人机空气动力学特点

无人机的全称为无人驾驶飞机，它是现阶段军事侦察工作中最为热门的装备之一。在应用无人机过程中，尽管不需要在内部进行操作，但是仍然需要工作人员在地面或者是另一架飞机上对其进行操纵。而与其他普通飞机最大的差异是：只要在关键点对无人机进行操纵便可，如决策、目标判断以及降落、起飞、回收等时刻。从动力学方面来看，在侦察无人机必须满足隐身的需求。因此，在设计其气动过程中，需要同时对隐形性能和气动性能进行考虑，同时还要考虑高升阻比需求。为了充分满足以上需求。在设计无人机过程中，需要进行无尾设计。在气动学设计过程中，需要设计新型的操作机构，利用这个机构替代垂直尾翼，这样机身的偏航力矩得到满足，从而使无人机可以高效完成各种动作。在无人机工作过程中，常会遇到小雷诺数动力学问题，该问题是军事侦察领域中无人机设计的一大难点。雷诺数直接影响着无人机边界层性质和机翼，是其失速的一个参考数值。在设计过程中，要想获得这得参数，需要分析机翼失速问题，这样才能通过对翼弦长度进行测量来计算雷诺数。当机翼的雷诺数始终在超过临界值，那么说明其飞行性能良好。除此之外，还要从螺旋桨以及整体上分析相关动力学问题。

2军事侦察无人机空气动力学

2.1机翼空气动力学

在研究机翼气动学过程中，需要从以下几方面进行分析：1）翼型分析。在设计机翼过程中，一般情况下，使用百分数表示中弧线弯曲度、最高点实际翼型厚度，而机翼弦长代表的是基准长度。在表示翼型外形坐标过程中，要利用百分数表示要上下弧线各个点的坐标，以前缘为坐标点。同时在考虑翼型性能过程中，需要从动力学角度出发，分析其阻力系数、升力系数、升阻比以及焦点力矩系数等参数，同时还要考虑翼型压力中心位置。当升力的作用点位于翼弦上，那么阻力必须作用在翼弦上，这样才能降低机翼所受空气阻力。同时，在无人机在执行军事侦察任务过程中，需要在高空长航，而在高空中，空气非常稀薄，无人机长时间在此环境中飞行，需要很大的升力系数支撑。这种情况下，需要选择具有较大升力系数的机翼，才能满足其需求，如层流翼型。2）在无人机执行任务过程中，其机翼的上翼所受压力比较小，而对于下翼来说，所受压力比较大，因此，在翼尖处，气流会一直向上流动，形成一个涡流。在此过程中，涡流会影响整个机翼周边的气流流动。首先，由于涡流的影响，会改变上下压力分布情况，从而使得压力差降低，机翼升力也会随之减小。其次，涡流还会使机翼的迎角减小，尤其使翼尖处迎角受到的影响更大。此时机翼后面气流向下倾斜，使得机翼阻力大幅度增加，这个阻力最大可为总阻力的1/3，严重影响机翼正常使用。为了克服这种影响，需要设计扭转翼，即以翼尖方向将翼型安装角减小，从而增大翼型根部的迎角。这样可以有效降低空气对机翼的影响程度，并解决翼尖失速问题[1]。

2.2螺旋桨空气动力学

在对螺旋桨进行气动力分析过程中，一般情况下，都是以桨叶的半径70%为基准。首先，在飞行过程中，螺旋桨旋转面气流速度以及相对速度之间的矢量和便是翼型速度。对气流速度进行计算过程中，需要获取滑流速度和前进速度二者的平均值。通常情况下，滑流速度是前进速度2/3。其次，将螺旋桨的直径、桨叶弦长、转速以及翼型速度结合起来，从而计算出螺旋桨的雷诺数。在军事领域中，无人机上所用的螺旋桨直径大约为2m，由于它的雷诺数不高，因此，使用的桨叶都比较宽。在飞行时，螺旋桨会呈现高速旋转的情况，从而产生比较大陀螺力矩，在一定程度上会影响无人机飞行，但是影响不是非常的明显。

2.3整体空气动力学

分析无人机整体气动学过程中，整个无人机所受空气动力是无人机各个部件所受空气动力和。而升力来源于机翼，而对于阻力来说，各个部件都会产生不同的阻力，且它们之间还会互相干扰，这使得无人机所受总阻力要比阻力之和大。因此，在研究整体气动学过程中，需要从各部件阻力分析。首先，在分析无人机所受阻力过程中，需要通过风洞试验测试各种附着物的阻力系数。如果在实际分析过程中，没有进行风洞试验，那么需要通过各种资料对阻力系数进行分析，然后计算阻力。其次，从机身阻力方面入手，无人机中没有座舱，只有侦察设备。因此，设计机身时，仍然预留了一定的位置。一般情况下，机身呈现的线条都是流线型，在飞行过程中，会产生很大的摩擦阻力。这时可以将边界层流看做是层流，将边界层附近的各类数值看做是摩擦力系数，与机身横截面相结合，计算机身阻力系数。这样可以计算出机身所受空气动力，根据计算结果设计机身，可以最大限度的提升无人机的性能[2]。

结论：

综上所述，在军事侦察过程中，无人机发挥着不可估量的作用，而对其所受空气动力进行分析，可以大幅度提升其性能。经过上文分析可得，对无人机所受气动力进行分析，首先，要从其机翼升力与阻力入手，确定它们之间的关系，其次，从螺旋桨入手，分析前进速度与滑流速度。最后，对整体进行分析，计算各个阻力系数。

参考文献：

[1]杨婷婷.火星无人机梯形桨叶空气动力学特性分析及实验研究[D].哈尔滨工业大学，2018.

[2]程载恒.面向旋翼型无人机空气动力学分析的高性能数值算法研究[D].江西师范大学，2017.