軍事偵察無人機空氣動力學研究

陳聚超 萬又銘 韓曉茹

摘要：現階段，在軍事偵察過程中，無人機應用的非常廣泛，為軍事偵察工作帶來了非常大的便利。但是就無人機應用現狀來看，其空氣動力學問題還是比較突出的，需要相關操作人員和設計者予以關注。基于此，本文通過對軍事偵察無人機空氣動力學的特點進行分析，從機翼空氣動力學、螺旋槳空氣動力學、整體空氣動力學等方面入手，研究了軍事偵察無人機的空氣動力學。

關鍵詞：軍事偵察;無人機;空氣動力學

前言：

近些年來，無人機是軍事偵察中不可或缺的裝備之一。現階段，很多國家將無人機普遍應用與海陸空三軍中，但是三軍所用的機型卻是不同，這是由于三軍的使用條件和任務要求有非常的的差別。目前，在世界普遍應用的偵察無人機大多數都是低雷諾數型號。無人機都具有一定程度的動力學特性，對其動力學進行深入研究，有利于工作人員更好的設計無人機，從而保證無人機性能。

1軍事偵察無人機空氣動力學特點

無人機的全稱為無人駕駛飛機，它是現階段軍事偵察工作中最為熱門的裝備之一。在應用無人機過程中，盡管不需要在內部進行操作，但是仍然需要工作人員在地面或者是另一架飛機上對其進行操縱。而與其他普通飛機最大的差異是：只要在關鍵點對無人機進行操縱便可，如決策、目標判斷以及降落、起飛、回收等時刻。從動力學方面來看，在偵察無人機必須滿足隱身的需求。因此，在設計其氣動過程中，需要同時對隱形性能和氣動性能進行考慮，同時還要考慮高升阻比需求。為了充分滿足以上需求。在設計無人機過程中，需要進行無尾設計。在氣動學設計過程中，需要設計新型的操作機構，利用這個機構替代垂直尾翼，這樣機身的偏航力矩得到滿足，從而使無人機可以高效完成各種動作。在無人機工作過程中，常會遇到小雷諾數動力學問題，該問題是軍事偵察領域中無人機設計的一大難點。雷諾數直接影響著無人機邊界層性質和機翼，是其失速的一個參考數值。在設計過程中，要想獲得這得參數，需要分析機翼失速問題，這樣才能通過對翼弦長度進行測量來計算雷諾數。當機翼的雷諾數始終在超過臨界值，那么說明其飛行性能良好。除此之外，還要從螺旋槳以及整體上分析相關動力學問題。

2軍事偵察無人機空氣動力學

2.1機翼空氣動力學

在研究機翼氣動學過程中，需要從以下幾方面進行分析：1）翼型分析。在設計機翼過程中，一般情況下，使用百分數表示中弧線彎曲度、最高點實際翼型厚度，而機翼弦長代表的是基準長度。在表示翼型外形坐標過程中，要利用百分數表示要上下弧線各個點的坐標，以前緣為坐標點。同時在考慮翼型性能過程中，需要從動力學角度出發，分析其阻力系數、升力系數、升阻比以及焦點力矩系數等參數，同時還要考慮翼型壓力中心位置。當升力的作用點位于翼弦上，那么阻力必須作用在翼弦上，這樣才能降低機翼所受空氣阻力。同時，在無人機在執行軍事偵察任務過程中，需要在高空長航，而在高空中，空氣非常稀薄，無人機長時間在此環境中飛行，需要很大的升力系數支撐。這種情況下，需要選擇具有較大升力系數的機翼，才能滿足其需求，如層流翼型。2）在無人機執行任務過程中，其機翼的上翼所受壓力比較小，而對于下翼來說，所受壓力比較大，因此，在翼尖處，氣流會一直向上流動，形成一個渦流。在此過程中，渦流會影響整個機翼周邊的氣流流動。首先，由于渦流的影響，會改變上下壓力分布情況，從而使得壓力差降低，機翼升力也會隨之減小。其次，渦流還會使機翼的迎角減小，尤其使翼尖處迎角受到的影響更大。此時機翼后面氣流向下傾斜，使得機翼阻力大幅度增加，這個阻力最大可為總阻力的1/3，嚴重影響機翼正常使用。為了克服這種影響，需要設計扭轉翼，即以翼尖方向將翼型安裝角減小，從而增大翼型根部的迎角。這樣可以有效降低空氣對機翼的影響程度，并解決翼尖失速問題[1]。

2.2螺旋槳空氣動力學

在對螺旋槳進行氣動力分析過程中，一般情況下，都是以槳葉的半徑70%為基準。首先，在飛行過程中，螺旋槳旋轉面氣流速度以及相對速度之間的矢量和便是翼型速度。對氣流速度進行計算過程中，需要獲取滑流速度和前進速度二者的平均值。通常情況下，滑流速度是前進速度2/3。其次，將螺旋槳的直徑、槳葉弦長、轉速以及翼型速度結合起來，從而計算出螺旋槳的雷諾數。在軍事領域中，無人機上所用的螺旋槳直徑大約為2m，由于它的雷諾數不高，因此，使用的槳葉都比較寬。在飛行時，螺旋槳會呈現高速旋轉的情況，從而產生比較大陀螺力矩，在一定程度上會影響無人機飛行，但是影響不是非常的明顯。

2.3整體空氣動力學

分析無人機整體氣動學過程中，整個無人機所受空氣動力是無人機各個部件所受空氣動力和。而升力來源于機翼，而對于阻力來說，各個部件都會產生不同的阻力，且它們之間還會互相干擾，這使得無人機所受總阻力要比阻力之和大。因此，在研究整體氣動學過程中，需要從各部件阻力分析。首先，在分析無人機所受阻力過程中，需要通過風洞試驗測試各種附著物的阻力系數。如果在實際分析過程中，沒有進行風洞試驗，那么需要通過各種資料對阻力系數進行分析，然后計算阻力。其次，從機身阻力方面入手，無人機中沒有座艙，只有偵察設備。因此，設計機身時，仍然預留了一定的位置。一般情況下，機身呈現的線條都是流線型，在飛行過程中，會產生很大的摩擦阻力。這時可以將邊界層流看做是層流，將邊界層附近的各類數值看做是摩擦力系數，與機身橫截面相結合，計算機身阻力系數。這樣可以計算出機身所受空氣動力，根據計算結果設計機身，可以最大限度的提升無人機的性能[2]。

結論：

綜上所述，在軍事偵察過程中，無人機發揮著不可估量的作用，而對其所受空氣動力進行分析，可以大幅度提升其性能。經過上文分析可得，對無人機所受氣動力進行分析，首先，要從其機翼升力與阻力入手，確定它們之間的關系，其次，從螺旋槳入手，分析前進速度與滑流速度。最后，對整體進行分析，計算各個阻力系數。

參考文獻：

[1]楊婷婷.火星無人機梯形槳葉空氣動力學特性分析及實驗研究[D].哈爾濱工業大學，2018.

[2]程載恒.面向旋翼型無人機空氣動力學分析的高性能數值算法研究[D].江西師范大學，2017.