[發明專利]一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法

有效

• 申請號: 202110123276.9
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112699622B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 段海濱;苑廣松;魏晨;李衛琪;鄧亦敏
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 李娜;王順榮

1.一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，其特征在于：該方法包括：長機尾渦建模模塊，誘導速度計算模塊，耦合效應公式化模塊；具體如下：

所述的長機尾渦建模模塊，即長機尾渦模型，采用一種連續馬蹄渦建模方法：即認為馬蹄渦沿機翼的1/4弦線連續分布，根據1/4弦線上的升力分布計算連續馬蹄渦在翼展方向上的環量分布，并引入渦絲的氣動扭轉系數，以模擬飛機尾渦產生的實際流場，提高長機尾渦的建模精度；具體的所述長機尾渦建模模塊包括：固定翼無人機的機翼建模、連續分布的馬蹄渦環量分布計算、及連續分布的馬蹄渦強度的衰減計算；

所述的誘導速度計算模塊，根據畢奧-薩伐爾定律將對渦絲長度的積分轉化為方向角的積分，使得長機尾渦誘導速度的計算成為可能；由于所述的長機尾渦模型是一種連續馬蹄渦建模方法，根據馬蹄渦的組成，分別對附著渦和脫體渦形成的誘導速度進行求解；無人機集群緊密編隊的氣動耦合效應在僚機上的直接表現即為僚機在長機的尾渦中受到誘導速度，因此，最后進行僚機所受誘導速度的計算；具體的所述誘導速度計算模塊包括：單渦絲誘導速度的計算、所有馬蹄渦形成的誘導速度場計算、及僚機所受誘導速度計算；

所述的耦合效應公式化模塊，通過一種離散求平均的誘導力和力矩的計算方式提升氣動耦合效應計算效率；具體的所述耦合效應公式化模塊包括：誘導升力系數計算、誘導阻力系數計算、誘導滾轉力矩系數計算、及誘導俯仰力矩系數計算；

所述的連續分布的馬蹄渦環量分布計算，即附著渦和脫體渦的環量分布計算，具體過程如下：

定義Γ(s)為馬蹄渦的環量沿機翼的1/4弦線的分布密度，根據庫塔-茹可夫斯基定理可得：

其中，表示機翼1/4弦線上單位長度上的升力；ρ_∞代表空氣密度；V_∞為來流速度；對于小型的固定翼無人機，升力沿機翼1/4弦線一般呈橢圓形分布；因此，環量沿機翼的1/4弦線具體分布為

其中，s表示機體坐標系下橫軸上點的坐標；Γ₀為力矩參考點處的環量，計算公式為Γ₀＝2V_∞SC_L/(bπ)；S表示機翼面積；C_L代表無人機的整體升力系數；b為翼展；假設長機產生的尾渦在一個平面內，沒有厚度；因此，可得連續分布馬蹄渦的附著渦環量和脫體渦環量分布都服從機翼上的環量分布，給出如下：

其中，Γ_bound(s)和Γ_free(s)分別為所有馬蹄渦的附著渦和脫體渦沿機翼1/4弦線的環量分布；

所述的連續分布的馬蹄渦強度衰減計算，即附著渦和脫體渦的強度衰減計算，具體過程如下：

由于所有馬蹄渦的附著渦集中分布于機翼的1/4弦線，渦絲延伸的距離小于飛機的翼展，所以附著渦的強度保持恒定；定義Υ_bound為附著渦的強度衰減量，通過上面的分析，可得

Υ_bound＝1????????????????????????????(5)

對于脫體渦，由于從1/4弦線開始平行于來流速度方向，向下游延伸至無限遠，所以渦強度沿渦絲的延伸方向逐漸衰減；定義Υ_free為脫體渦的強度衰減量，具體的計算公式如下

其中，h表示流場中的計算點到渦絲的垂直距離；r_c為渦的半徑，與流體的粘度υ和來流到達流場中計算點的時間τ有關，具體的計算公式為

2.根據權利要求1所述的一種固定翼無人機的緊密編隊氣動耦合效應建模方法，其特征在于：所述的固定翼無人機的機翼建模，具體過程如下：

集群緊密編隊中的每一架固定翼無人機都由它的升力面代表，忽略機身所受的氣動力和力矩；并進一步假設無人機所受升力都集中于1/4弦線并滿足物理邊界條件，也即認為機翼的升力線和1/4弦線重合，因此馬蹄渦的產生點都集中在1/4弦線；每一個馬蹄渦由一個附著渦和兩個脫體渦組成；假設所有馬蹄渦的附著渦沿1/4弦線連續分布，進一步根據升力線理論，可得兩個脫體渦從1/4弦線開始向下游延伸至無限遠；同時，根據上述假設，僚機所受誘導速度也都沿1/4弦線分布。