無人機制造外形氣動偏差評估方法

包曉翔，孫凱軍，付義偉

(中國航天空氣動力技術研究院 彩虹無人機科技有限公司，北京 100074)

0 引 言

氣動外形對無人機起著至關重要的作用，它提供無人機飛行時所需的升力及飛行姿態力矩平衡。無人機的氣動外形是根據其任務剖面設計點確定設計的，如果其外形發生變化，特別是機翼、尾翼(或鴨翼)等升力面的外形變化，輕則影響無人機性能指標和飛行品質,重則影響飛行安全。然而在飛機制造過程中，外形加工不可避免地會出現誤差和偏差，因此需要對所加工的外形進行檢測驗收，評估制造誤差對無人機氣動特性的影響，以保證無人機滿足性能指標和飛行安全。

飛機制造結構驗收常用的方法是測量翼面及機身的關鍵尺寸、相對位置、安裝角度等。此方法的缺點是不能準確地、全面地檢測飛機外形制造的幾何偏差，例如機翼翼型偏差、翼面上的凸凹變形等，也不能定量地評估制造誤差對飛機氣動性能的影響。

近年來，數字攝影測量技術已被廣泛地應用于航空航天領域。R.S.Pappa等[1]利用數字相機測量了航天器天線；M.D.Nowak等[2]采用一種高精度數字攝影系統測量了太空望遠鏡；蔣山平等[3-4]對衛星等航天器結構變形進行了攝影測量；鄒冀華[5]、鄒愛麗等[6]將數字化測量技術運用到飛機裝配中；牛潤軍[7]對飛機部件的數字化測量技術進行了相關研究。目前，國內外鮮有利用數字測量系統來評估無人機制造氣動偏差的相關研究。

在氣動方面，計算流體力學(CFD)技術[8]已較為成熟，且計算精度很高。本文基于數字攝影測量及CFD技術，提出一種評估無人機制造外形氣動偏差的方法，以期實現定量地評估制造誤差對飛機氣動性能的影響。

1 評估方法

評估無人機外形制造氣動偏差的方法如圖1所示。

圖1 氣動偏差評估流程

首先將制造出的待測無人機水平地放置在地面上，利用數字攝影測量系統測量并獲得無人機外形的點云數據。以機頭為參考點，將測量點云數據與理論模型的坐標系重合，對比重合度統計無人機制造外形與理論外形的幾何偏差分布。在三維建模軟件中，根據點云數據進行逆向建模，獲得無人機制造外形的三維模型。對無人機理論外形進行CFD網格劃分，利用CFD計算得到氣動力，并與其風洞試驗數據進行對比，可以通過調整網格(例如網格數量、局部網格加密及附面層網格尺寸等)及計算方法設置(例如湍流模型、離散格式及邊界條件等)得到與試驗數據相吻合的CFD計算方法。將逆向建模模型導入無人機理論外形的CFD網格，將網格進行微調適配；采用相同的 CFD計算方法進行計算，得到無人機制造外形的氣動數據。將逆向建模模型的氣動力與無人機理論氣動數據進行對比，即可評估外形制造誤差對無人機氣動特性的影響。

2 無人機制造外形及數字攝影測量

某型無人機的生產制造實物如圖2所示。將無人機擺放在水平地面上，由鄭州辰維科技股份有限公司采用數字攝影測量系統測量得到無人機的點云數據(測量精度在1 mm以內)。由于影響無人機氣動性能的主要因素是翼面(機身的變化僅對阻力有一定影響)，只測量無人機機翼、鴨翼及垂尾。將所獲得的點云數據模型與無人機理論設計三維模型的坐標系重合，對比無人機制造模型的測量數據與理論模型，并進行偏差分析和偏差統計，如圖3所示。圖3(a)為測量模型表面與理論外形尺寸偏差分布(單位為mm)，顏色越深表示偏差越大，圖3(b)為不同偏差高度在全機偏差中所占百分比的統計。

圖2 某型無人機制造實物

(a) 偏差分布

(b) 偏差分布統計

從圖3可以看出：無人機制造偏差集中在2～5 mm，最大為25 mm。

分別截取了設計外形(實線)和實測外形(虛線)展向z=400 mm和z=2 400 mm的翼型進行對比，如圖4所示。

(a) z=400 mm鴨翼對比

(b) z=2 400 mm機翼對比

從圖4可以看出：無人機制造外形的右側機翼及鴨翼截面與理論設計偏差較大，最大偏差為20 mm。

3 逆向建模及CFD計算

3.1 逆向建模

根據測量得到的點云數據采用NURBS曲面[9]進行逆向建模，如圖5所示。

圖5 無人機逆向建模三維模型

3.2 網格劃分及計算分析

全模網格由ICEM生成的O-H結構網格，網格量1 000萬左右，網格示意圖如圖6所示。

圖6 網格示意圖

CFD計算利用Fluent軟件，采用有限體積法[10]求解N-S方程，選用S-A湍流模型，采用壓力遠場和切向無滑移、絕熱壁和法向無穿透物面邊界條件。

計算狀態：速度50 m/s，飛行高度0 km，攻角范圍-4°～8°，側滑角為0°。

首先，對無人機理論外形進行CFD計算，通過網格調整及計算設置，使CFD結果與風洞試驗相吻合(在此不做詳述)。利用該方法，對逆向建模外形進行CFD計算，并將計算結果與理論值進行對比，如圖7～圖8所示。

(a) 升力系數

(b) 升阻比

(c) 俯仰力矩系數

圖8 無人機制造外形滾轉力矩

從圖7可以看出：無人機制造外形升力下降，特別是在小攻角時，比理論值下降了12%；小攻角范圍(0°～4°)內，升阻比變化不大；制造外形俯仰力矩系數整體向上平移，偏差1°配平攻角，將影響無人機飛行升降舵配平舵偏角。

從圖8可以看出：無人機理論外形是左右對稱的，其橫向力矩為零，但制造外形存在一個向右的滾轉力矩，且從圖3(a)也可以看出，左右機翼偏差呈不對稱性。因此，無人機平飛時，為了保證飛機橫向平衡，需要副翼預置一定角度。

此外，利用計算的氣動數據，可以進一步評估外形制造偏差的無人機起飛距離、離地速度、爬升率、航程及航時，進而全面評估其技術指標及飛行品質，避免無人機飛行時因外形制造偏差帶來的安全隱患。

4 結 論

(1) 本文基于數字攝影測量系統及CFD計算技術提出了一種評估無人機外形制造偏差對氣動性能影響的方法，該方法能夠定量地評估外形制造偏差對無人機氣動特性的影響。

(2) 針對某型無人機進行制造外形偏差評估，升阻比下降明顯，縱向和橫向都存在力矩偏差，需要一定的預置配平舵面。

(3) 利用此方法，可以全面統計無人機制造外形與理論外形的幾何偏差分布，能獲得無人機制造外形的氣動數據，定量地給出氣動偏差，為進一步評估其性能指標和飛行品質提供依據。