特殊布局无人机多目标气动外形优化设计

无人机的气动特性与优化设计随着科技的飞速发展，无人机在各个领域的应用日益广泛，从航拍测绘到物流运输，从农业植保到军事侦察，无人机的身影无处不在。

而无人机的性能优劣很大程度上取决于其气动特性和优化设计。

无人机的气动特性主要包括升力、阻力、稳定性和操纵性等方面。

升力是无人机能够在空中飞行的关键因素。

它主要由机翼产生，机翼的形状、面积和迎角都会对升力产生影响。

一般来说，较大的机翼面积和适当的迎角能够产生更大的升力，但同时也会增加阻力。

阻力则包括摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力等。

减少无人机的阻力对于提高飞行效率、增加续航时间至关重要。

稳定性是无人机飞行安全的重要保障。

无人机在飞行过程中，需要具备抵抗外界干扰的能力，保持自身的姿态和飞行轨迹稳定。

纵向稳定性、横向稳定性和方向稳定性是常见的稳定性类型。

例如，重心位置的合理布置对于纵向稳定性有着重要影响。

如果重心过于靠前或靠后，都可能导致无人机在飞行中出现不稳定的情况。

操纵性则关系到无人机对驾驶员指令的响应速度和准确性。

良好的操纵性能够使无人机灵活地完成各种飞行动作和任务。

舵面的设计和布局、控制律的优化等都是影响操纵性的关键因素。

在优化无人机的气动设计时，需要综合考虑上述气动特性，并结合具体的应用场景和任务需求。

首先，机翼的设计是一个关键环节。

不同类型的机翼，如平直翼、后掠翼、三角翼等，具有不同的气动特性。

对于低速飞行的无人机，平直翼可能是一个较好的选择，因为它能够在低速时产生较大的升力。

而对于高速飞行的无人机，后掠翼则可以减少阻力，提高飞行速度。

机身的形状也会对气动性能产生影响。

流线型的机身能够减少空气阻力，提高飞行效率。

同时，机身与机翼的连接处需要进行平滑过渡，以避免产生气流分离，增加阻力。

此外，发动机的进气和排气系统也需要精心设计。

合理的进气道和排气道形状能够提高发动机的工作效率，减少能量损失。

在实际的设计过程中，通常会采用数值模拟和实验研究相结合的方法。

航空航天飞行器的气动外形优化设计方法航空航天工程领域的气动外形优化设计一直是一个具有挑战性的任务。

设计一个优良的气动外形能够最大化飞行器的性能，提高其空气动力学效率和飞行稳定性。

在本文中，将介绍一些常用的航空航天飞行器的气动外形优化设计方法。

一、参数化设计方法参数化设计是一种常用的优化设计方法，它将飞行器的气动外形通过一系列参数化表达式进行描述。

通过改变这些参数的取值范围，可以实现对气动外形的快速调整和优化。

参数化设计方法主要分为基于经验公式和基于数值模拟的两种方式。

基于经验公式的参数化设计方法是基于大量的经验数据和实验结果进行的。

通过建立经验公式和设计指导手册，可以快速获得满足设计要求的气动外形。

这种方法的优点是快速可行，但是其精度相对较低，不适用于复杂的气动外形设计。

基于数值模拟的参数化设计方法则是利用计算流体力学（CFD）软件对飞行器进行数值模拟和分析。

通过对参数化模型进行大量的CFD计算，可以得到飞行器在不同参数取值下的气动性能。

然后根据设计要求和优化目标，利用数学优化算法对参数进行调整，最终得到最优的气动外形。

这种方法相对较为准确，适用于复杂的气动外形优化设计。

二、自适应进化算法自适应进化算法是一种通过模拟生物进化过程来进行优化设计的方法。

在航空航天飞行器的气动外形优化中，常用的自适应进化算法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。

遗传算法是一种基于生物进化理论的优化算法。

通过定义适应度函数、选择、交叉和变异等操作，模拟自然选择和遗传变异的过程，不断地演化出更适应环境的解。

在航空航天飞行器的气动外形优化中，可以将飞行器的气动外形参数作为遗传算法的个体基因，通过演化过程不断优化，得到最优的气动外形。

粒子群算法是一种模拟鸟群觅食过程的优化算法。

在航空航天飞行器的气动外形优化中，可以将飞行器的气动外形参数看作是粒子的位置，通过模拟粒子之间的协作和信息交流，最终找到最优的解。

模拟退火算法是一种模拟金属退火过程的优化算法。

小型载重无人机机翼气动结构的优化设计小型载重无人机机翼气动结构的优化设计需要从多个方面进行考虑和分析。

以下是一些可能的优化设计方向：
1.气动外形设计：机翼的气动外形设计对其性能有着重要的影响。

通过采用流线型的设计，能够减小气动阻力，提高飞行效率。

此外，还可以考虑采用分段设计或双翼式结构，以实现更好的升力和稳定性。

2.翼型选取：不同的翼型对于飞机的性能影响也不同。

通过选择适合的翼型，可以提高机翼的升力系数和减小气动阻力。

同时，翼型也会影响机翼的稳定性和控制性，需要进行综合考虑。

3.材料选择：机翼材料的选择会影响其重量和强度等特性。

需要在重量和强度之间进行取舍，选择适当的材料。

一般而言，碳纤维等复合材料比传统的金属材料更适合用于小型载重无人机机翼的结构设计。

4.内部结构设计：除了外形和材料，机翼的内部结构也需要进行优化设计。

通过合理地选择支撑结构和隔板等内部构件，可以提高机翼的强度和稳定性，同时减小其重量。

5.优化计算：优化设计过程中需要进行结构力学和气动力学的计算，以评估机翼的性能表现。

在计算过程中，需要考虑多个参数的综合影响，如机翼尺寸、翼型、材料等。

通过反复的优化计算，可以找到最优的设计方案。

综上所述，小型载重无人机机翼气动结构的优化设计需要综合考虑外形、翼型、材料、内部结构和计算等多个方面，以实现最佳的性能表现。

新型无人机的气动性能分析与优化在当今科技迅速发展的时代，无人机技术已经成为了众多领域的重要应用手段。

从军事侦察到民用航拍，从物流配送再到环境监测，无人机的身影无处不在。

而在无人机的设计和研发过程中，气动性能的分析与优化是至关重要的环节，它直接关系到无人机的飞行效率、稳定性、操控性以及续航能力等关键性能指标。

一、新型无人机气动性能分析的重要性无人机的气动性能是指其在空气中运动时所受到的空气动力特性。

良好的气动性能能够使无人机在飞行中消耗更少的能量，从而延长续航时间，提高作业效率。

同时，稳定的气动性能有助于无人机在复杂的气象条件和环境中保持稳定的飞行姿态，减少失控的风险。

例如，在航拍领域，如果无人机的气动性能不佳，可能会在强风环境下出现剧烈的抖动，导致拍摄画面模糊不清；在物流配送中，低效的气动设计会使无人机消耗过多的电能，缩短飞行距离，影响配送任务的完成。

二、新型无人机的气动特性1、外形设计对气动性能的影响无人机的外形设计是影响其气动性能的重要因素之一。

常见的无人机外形包括多旋翼、固定翼和混合翼等。

多旋翼无人机由于其结构简单、操控灵活，在近地作业中广泛应用。

但其多个旋翼产生的气流相互干扰，会在一定程度上降低气动效率。

固定翼无人机则依靠机翼产生升力，具有较高的飞行速度和较远的航程，但起降需要一定的场地和条件。

混合翼无人机结合了多旋翼和固定翼的特点，在一定程度上弥补了两者的不足，但也带来了结构复杂和控制难度增加的问题。

2、翼型选择与气动性能翼型的选择直接关系到无人机机翼产生升力和阻力的大小。

常见的翼型有对称翼型和非对称翼型。

对称翼型在正飞和倒飞时性能相同，但升力系数相对较低；非对称翼型在正常飞行时能产生较大的升力，但倒飞性能较差。

对于不同用途的无人机，需要根据其飞行任务和要求选择合适的翼型。

例如，用于长航时侦察的无人机可能会选择高升阻比的翼型，以提高续航能力；而用于快速机动的无人机则可能更倾向于选择具有良好加速性能的翼型。

新型无人机的气动性能分析与优化研究与探讨在当今科技飞速发展的时代，无人机技术已经取得了显著的进步，并在多个领域得到了广泛的应用，如军事侦察、农业植保、物流配送、影视拍摄等。

而无人机的气动性能作为影响其飞行性能、稳定性和操控性的关键因素，一直是研究的重点和热点。

对新型无人机的气动性能进行深入分析和优化，对于提高无人机的整体性能和应用效果具有重要的意义。

一、新型无人机的特点和应用场景新型无人机相较于传统无人机，在设计理念、材料应用和功能实现等方面都有了较大的创新和突破。

在设计理念上，更加注重一体化和流线型设计，以减少空气阻力，提高飞行效率。

同时，采用了更加先进的飞控系统和传感器技术，实现了更精准的姿态控制和自主飞行。

材料方面，新型无人机大量使用高强度、轻质的复合材料，如碳纤维、钛合金等，不仅减轻了机身重量，还增强了结构强度。

在功能实现上，新型无人机具备更强大的任务执行能力，例如搭载高分辨率的摄像设备进行精细的地理测绘，或者携带专业的检测仪器进行环境监测等。

其应用场景也日益广泛。

在军事领域，可用于战场侦察、目标定位和精确打击；在民用领域，能够进行电力巡检、森林防火监测、城市交通管理等工作。

二、气动性能分析的基本原理和方法无人机的气动性能主要包括升力、阻力、力矩等方面。

升力是无人机能够升空飞行的关键力量，阻力则影响其飞行速度和能耗，力矩则决定了飞行的稳定性和操控性。

分析无人机的气动性能，通常采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法。

理论分析主要基于空气动力学的基本原理和公式，如伯努利方程、牛顿定律等，对无人机的气动特性进行初步的计算和预测。

数值模拟则借助计算机软件，如 Fluent、CFX 等，对无人机周围的流场进行模拟计算，得到详细的气流速度、压力分布等信息，从而更准确地评估其气动性能。

实验研究则是通过风洞试验等手段，直接测量无人机在不同风速和姿态下的受力情况，为理论分析和数值模拟提供验证和补充。

飞行器的气动外形与外形优化飞行器的气动外形是指飞行器的外部轮廓，在飞行器设计中起着至关重要的作用。

优化飞行器的外形可以显著提升其气动性能，包括减少阻力、提高升力与操纵性能等。

本文将探讨飞行器气动外形设计的基础知识以及一些外形优化方法。

一、飞行器气动外形设计的基础知识飞行器的气动外形设计要考虑飞行器的功能以及面临的不同工况，如巡航、爬升、下降和起降。

以下是一些常见的飞行器气动外形设计要点：1. 风阻与升力飞行器在飞行过程中会受到空气的阻力，而外形设计要考虑如何减少这种阻力，提高飞行器的速度与燃油效率。

此外，飞行器还需要产生足够的升力以维持在空中的浮力。

2. 操纵性能飞行器的气动外形还要考虑其操纵性能，如响应时间、稳定性等。

外形设计应该能够使飞行器在不同的操纵动作下，如转弯、滚转和俯仰，能够保持稳定且具备足够的灵活性。

3. 噪音减少飞行器的气动外形应该考虑如何减少噪音产生，特别是在起降和低空飞行过程中。

合理设计外形可以降低飞行器产生的气动噪音，减少对周围环境的干扰。

二、飞行器外形优化方法为了提高飞行器的气动性能，设计人员可以采用多种外形优化方法。

以下是一些常见的外形优化技术：1. 流线型设计流线型设计是一种基本的外形优化方法。

通过使飞行器的外形更加流线型，可以减少阻力、提高升力，从而提高飞行器的速度和燃油效率。

在流线型设计中，设计人员通常采用曲线形状来减少阻力，减少气动干扰。

2. 翼型设计翼型设计是针对飞行器机翼的外形优化方法。

翼型的选择和设计可以影响飞行器的升力、阻力和操纵性能。

设计人员可以通过改变翼型的厚度、弦长和前缘后缘的形状等参数来优化飞行器的外形。

3. 尾翼设计尾翼是飞行器的关键部件之一，其外形设计可以影响飞行器的稳定性和操纵性能。

通过优化尾翼的外形，设计人员可以减小飞行器的阻力、提高操纵性能和稳定性。

4. 机身设计机身是飞行器的主要部件之一，其外形设计要考虑飞行器的载荷分布、稳定性和阻力等因素。

新型无人机气动设计与优化研究在当今科技迅速发展的时代，无人机已经成为了众多领域中不可或缺的工具，从军事侦察到民用航拍，从物流配送再到环境监测，其应用范围不断扩大。

而无人机的性能优劣在很大程度上取决于其气动设计，良好的气动设计能够显著提升无人机的飞行效率、稳定性和操控性。

因此，对新型无人机气动设计与优化的研究具有重要的现实意义。

一、无人机气动设计的基本原理无人机的气动设计主要基于空气动力学的原理。

当无人机在空气中飞行时，其周围的气流会产生各种力和力矩，如升力、阻力、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩等。

升力是使无人机能够克服重力升空飞行的关键力量，通常由机翼产生。

阻力则会消耗无人机的能量，降低飞行效率，因此需要尽量减小。

在设计机翼时，形状和尺寸的选择至关重要。

常见的机翼形状有矩形翼、梯形翼、椭圆形翼等，每种形状都有其特点和适用场景。

例如，矩形翼结构简单，但在高速飞行时阻力较大；梯形翼则在一定程度上兼顾了低速和高速飞行的性能。

此外，无人机的机身形状也会影响其气动性能。

流线型的机身能够减小空气阻力，提高飞行速度和效率。

而机翼与机身的连接方式、尾翼的布局等也都会对无人机的气动特性产生影响。

二、新型无人机气动设计的挑战随着无人机应用场景的不断拓展和性能要求的不断提高，新型无人机的气动设计面临着诸多挑战。

一方面，无人机的任务多样化使得其飞行环境和飞行模式更加复杂。

例如，在城市环境中执行任务的无人机需要具备良好的低速机动性和悬停能力，而用于长距离侦察的无人机则需要在高速飞行时保持低阻力和高稳定性。

另一方面，无人机的尺寸和重量限制也给气动设计带来了困难。

为了提高无人机的便携性和续航能力，往往需要在有限的空间内实现最优的气动布局，同时还要考虑电池、传感器等设备的安装和布局。

此外，新型材料和制造工艺的不断涌现也为无人机的气动设计提供了更多的可能性，但同时也需要在设计过程中充分考虑材料的特性和制造工艺的可行性。

三、新型无人机气动设计的方法为了应对上述挑战，研究人员采用了多种新型的气动设计方法。

新型无人机的气动设计与性能分析在当今科技迅速发展的时代，无人机在各个领域的应用日益广泛，从军事侦察到民用航拍，从物流配送到环境监测，其身影无处不在。

而无人机性能的优劣，很大程度上取决于其气动设计。

本文将深入探讨新型无人机的气动设计原理以及相关的性能分析。

一、新型无人机气动设计的重要性无人机的气动设计直接影响其飞行性能、稳定性、操控性和能耗等关键指标。

一个优秀的气动设计能够让无人机在飞行中减少阻力，提高升力，从而实现更远的航程、更长的续航时间以及更灵活的机动能力。

同时，良好的气动设计还能增强无人机在复杂气象条件下的飞行稳定性，降低失控风险。

二、新型无人机的气动设计要素1、外形设计无人机的外形是影响气动性能的首要因素。

常见的外形包括固定翼、多旋翼和倾转旋翼等。

固定翼无人机通常具有流线型的机身和机翼，以减少空气阻力；多旋翼无人机则通过多个旋翼的协同工作产生升力，其外形设计更注重旋翼的布局和机身的平衡；倾转旋翼无人机结合了固定翼和旋翼的特点，在不同飞行阶段通过旋翼的倾转来实现不同的飞行模式，外形设计需要兼顾两种模式的气动需求。

2、机翼设计机翼的形状、面积、翼型和安装角度等都会对无人机的升力和阻力产生影响。

常见的机翼形状有矩形、梯形和椭圆形等。

翼型的选择则需要综合考虑升阻比、失速特性和低速性能等因素。

此外，机翼的安装角度也会影响无人机的飞行姿态和稳定性。

3、机身设计机身的形状和结构不仅要考虑空气动力学性能，还要满足内部设备的安装和布局需求。

流线型的机身可以减少阻力，但同时也要保证足够的强度和刚度。

机身表面的光滑度也对减少空气摩擦起着重要作用。

4、旋翼设计（针对多旋翼和倾转旋翼无人机）旋翼的数量、直径、桨叶形状和转速等参数决定了无人机的升力产生和能耗效率。

桨叶的翼型通常采用适合低速旋转的设计，以提高升力并降低噪音。

旋翼的布局要考虑到重心平衡和气流相互干扰的问题。

三、新型无人机的气动性能分析方法1、理论计算基于空气动力学原理，通过数学模型和公式对无人机的气动性能进行估算。

Z字形折叠无人机气动优化设计作者：孟宾张锦康奚乐乐杨泽夏周宁来源：《河北科技大学学报》2023年第05期文章編号：1008-1542（2023）05-0450-09摘要：针对Z字形无人机存在滚转力矩和偏航力矩的问题，提出一种基于混合翼型参数化的整机多目标优化方法，以非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）为核心与混合翼型参数化、SCDM流场建模、Fluent Meshing网格划分以及Fluent Solution流场计算相结合，建立优化模型，进而开发出基于Isight平台的整机自动优化流程，实现Z字形无人机的气动优化设计。

结果表明，基于混合翼型参数化的优化平台，增加了翼型优化的搜索空间，实现了多目标预定数值的优化，减小了Z字形无人机的滚转力矩和偏航力矩，提高了其整体的气动性能。

所提方法能消除有限翼展无人机的力矩，为解决不对称无人机滚转和偏航问题提供了技术参考。

关键词：定翼机；无人机；优化设计；遗传算法；翼型参数化；流场建模；空气动力学性能中图分类号：V211.41文献标识码：ADOI：10.7535/hbkd.2023yx05003收稿日期：2023-05-29；修回日期：2023-09-01；责任编辑：冯民基金项目：河北省自然科学基金（F2022208007）；河北省教育厅基础研究重点培育专项（JZX2023005）；河北省科技重大专项（22280802Z）；河北科技大学基础研究质量提升专项（重点）（2021YWF12）；河北科技大学博士科研基金（1181439）第一作者简介：孟宾（1974—），男，河北石家庄人，高级工程师，硕士，主要从事无人机总体设计方面的研究。

E-mail：***************孟宾，张锦康，奚乐乐，等.Z字形折叠无人机气动优化设计［J］.河北科技大学学报，2023，44（5）：450-458.MENG Bin，ZHANG Jinkang，XI Lele，et al.Aerodynamic optimization design of Z-shaped folding UAV［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2023，44（5）：450-458.Aerodynamic optimization design of Z-shaped folding UAVMENG Bin1，ZHANG Jinkang1，XI Lele2，YANG Zexia2，ZHOU Ning2（1.School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）Abstract：Aiming at the problems of rolling torque and yaw torque of zigzag UAV， a multi-objective optimization method based on hybrid airfoil parameterization was proposed. The optimization model was established by combining the non dominated sorting genetic algorithm （NSGA-Ⅱ） with hybrid airfoil parameterization， SCDM flow field modeling， fluent meshing and fluent solutionflow field calculation. Then an automatic optimization process based on Isight platform was developed to realize the aerodynamic optimization design of zigzag UAV. The results show that the optimization platform based on hybrid airfoil parameterization increases the search space of airfoil optimization， achieves the optimization of multi-objective predetermined values， reduces the roll torque and yaw torque of Z-shaped UAV to the greatest extent， and improves its overall aerodynamic performance. The proposed method can eliminate the moment of UAV with limited wingspan， which provides a technical reference for solving the roll and yaw problems of asymmetric UAV.Keywords：fixed wing aircraft; unmanned aerial vehicle; optimization design; genetic algorithm; airfoil parameterization; flow field modeling; aerodynamic performance随着飞行器产业的不断发展，出现了一种不对称结构的固定翼无人机，这种无人机具有折叠与展开2种形态，展开时形似字母“Z”，因此又被称为Z字形无人机。

新型飞行器的气动布局优化研究在现代航空航天领域，新型飞行器的研发始终是科技进步的重要驱动力。

其中，气动布局的优化是提升飞行器性能的关键环节之一。

气动布局直接影响着飞行器的飞行速度、稳定性、操控性以及燃油效率等重要指标。

因此，对新型飞行器的气动布局进行深入研究和优化具有极其重要的意义。

飞行器在空气中飞行时，会与周围的气流相互作用。

良好的气动布局能够有效地减少空气阻力，提高升力，从而使飞行器更加高效地飞行。

例如，飞机的机翼形状、机身流线型设计等都是为了实现更好的气动性能。

而对于新型飞行器来说，由于其设计目标和应用场景的不同，往往需要独特的气动布局来满足特定的需求。

在进行气动布局优化时，首先要考虑的是飞行器的任务需求。

是追求高速飞行、长航程，还是需要具备良好的机动性和短距起降能力？不同的任务需求决定了气动布局的基本方向。

比如，战斗机通常需要强调机动性和高速性能，因此其气动布局会采用更加复杂的机翼形状和可动控制面；而客机则更注重燃油效率和舒适性，其机身设计会更加注重流线型和减少阻力。

计算流体力学（CFD）是目前在气动布局优化中广泛应用的工具之一。

通过建立飞行器的数学模型，并在计算机上模拟气流在其表面的流动情况，可以快速评估不同布局方案的性能。

CFD 能够提供详细的流场信息，如压力分布、速度矢量等，帮助设计师深入了解飞行器的气动特性。

然而，CFD 模拟也存在一定的局限性，例如计算精度和计算时间的平衡，以及对复杂流动现象的准确模拟等问题。

风洞试验也是气动布局研究中不可或缺的手段。

将模型放入风洞中，通过测量不同风速下的气动力参数，可以直观地了解飞行器的气动性能。

风洞试验的结果通常较为准确可靠，但成本较高，而且试验条件的限制可能无法完全模拟真实飞行中的复杂情况。

除了传统的设计方法和试验手段，近年来随着人工智能和优化算法的发展，也为气动布局优化带来了新的思路。

例如，遗传算法、粒子群优化算法等可以在大量的设计变量中自动搜索最优解，大大提高了设计效率。