高性能無人機強度低成本設計與試驗控制策略

閔強

高性能無人機是指用于執行偵察、對地對海攻擊、空中作戰、加油、運輸等高軍事價值任務，可重復使用的無人機。高性能無人機在設計時，要遵守結構完整性大綱（ASIP）的要求，保證高性能無人機在整個設計使用壽命期內，結構安全性、結構能力、耐久性和可保障性處于期望水平之上。

高性能無人機在結構強度設計時，目前遵循的標準有：GJB 775A-2012《軍用飛機結構完整性大綱》、GJB 67A-2008《軍用飛機結構強度規范》、GJB 5435-2005《無人FQE機強度與剛度規范》等，這些標準基本上和有人機的要求一致或者以有人機的標準為原型演化而來。

按照有人機的設計標準來設計無人機，研制周期尤其是試驗的周期長、費用高。例如，澳大利亞皇家空軍的“鷹”Mk.127教練機從2006年2月啟動全尺寸疲勞試驗，到2020年6月5日正式結束疲勞試驗，歷時14年；又據2022年6月10日美國國防部網站公告，授予一份金額為4065.1605萬美元的MQ-4C無人機全尺寸疲勞試驗的訂單。在高性能無人機越來越強調快速研發與低成本研制的前提下，這些按照有人機的設計規范來設計與要求無人機，難以適應無人機市場快速發展的需求。

本文根據高性能無人機設計經驗，提出了一系列的控制策略用于在高性能無人機結構平臺強度設計時，以盡可能低的強度設計成本和強度試驗成本來保持結構平臺的完整性，實現與滿足高性能無人機使用安全性、適用性和戰斗力的要求，在保證任務能力和使用安全基礎上，以最小化的成本完成確定、評估、驗證和審定分析無人機的結構完整性。

強度設計整體控制策略

在保證高性能無人機結構在使用過程中的安全性、滿足使用功能性能要求的前提下，用盡可能低的設計、試驗、制造和使用維護費用，來降低無人機全壽命期的經濟成本。強度設計過程中主要有以下成本控制措施。

（1）對高性能無人機強度設計準則進行裁剪。如通過可接受的飛機性能代價來降低載荷、通過對遭遇的嚴酷使用環境的概率進行裁剪來降低強度設計系數，重新考慮無人機的疲勞強度設計與試驗等方面，在強度設計的源頭降低強度設計成本。

（2）加強數字化分析手段的應用。機體結構完整性設計驗證，以分析驗證為主，試驗驗證為輔，結合數字化分析手段，大幅減少元件、典型件和部件級試驗規模。充分利用以往相似飛行器的設計、試驗資料，采用經驗證的設計準則和分析方法，以類比分析方法、工程分析方法為主。

（3）低成本材料的選擇與應用。盡可能選擇成熟的、適用的、經濟的材料、工藝、連接方法及結構方案。從全壽命期考慮降低成本，結構設計時充分考慮降低制造、裝配、使用維護成本。評估無人機投產架次與經濟性關系，對于投產架次多的無人機，如果采用新材料、新工藝、新連接方式及新結構方案能明顯降低無人機全壽命期成本，可按相關要求進行新設計的物理性能評估；對于投產架次少的無人機，應選擇成熟的、合適的、經濟的材料、工藝、連接方法及結構方案。

（4）研發模式的改變。重組“設計-制造-試驗”流程，前置強度試驗設計與準備工作，實現強度分析與試驗設計高度并行，將強度仿真設計、試驗需求設計、試驗假件設計、試驗件配套工作等提前，全面考慮強度試驗條件以及試驗設備。

低成本無人機強度設計規范

在有人機的強度設計規范基礎上，對飛機總體設計條件、機體研制規范、強度設計規范等總體要求性文件進行詳細研究，在高性能無人機強度設計準則中充分考慮低成本設計的因素，對各種強度系數和強度設計條件進行剪裁取舍。

（1）在G J B 67A-2008《軍用飛機結構強度規范》、GJB 5435-2005《無人機強度和剛度規范》等基礎上，考慮低成本無人機特點，充分借鑒以往型號的設計經驗，進一步剪裁強度設計系數。例如，無人機不確定系數1.3甚至更低，而有人機不確定系數1.5，這些系數的降低直接給無人機結構設計帶來重量和空間設計上的效益。

（2）針對高性能無人機性能要求，通過總體、飛控的優化，降低飛機總體載荷；剪裁環境適應性條款，降低對成品的環境適應性要求；類比相似的試驗結果來修正高性能無人機的設計載荷。

如在設計時對地面滑行轉彎進行限制：速度<15km/h、操縱角<32°。據此限制，依據國軍標要求的轉彎時的側向載荷系數由0.5直接降到0.35，降低30%，而該條限制指令在該無人機系統設計時，是非常容易實現的，以最簡單的指令改進換來了強度設計的載荷下降。

又如參考類似結構形式的起落架落震試驗結果，對起落架地面載荷中的起轉回彈系數進行修正，起轉系數ξ1由0.75到0.65，降13.3%，回彈系數ξ2由0.80到0.70，降12.5%，直接減小起落架著陸時候的地面設計載荷，從而降低飛機結構重量，到達降低設計成本的效果。

（3）疲勞經濟性考慮。高性能無人機的疲勞強度設計，減少疲勞關鍵件（保留結構重要特性）。針對低成本及使用特點，高性能無人機的疲勞強度設計在有人機的設計流程上進行適當簡化，對比同類型飛機，采用相似飛機載荷譜譜型，依據工程經驗進行的高性能無人機結構疲勞強度設計，對一些重要結構進行初步疲勞強度分析，節省設計人力成本。

數字化設計手段應用

傳統的航空裝備強度分析研發體系是基于實物試驗的研制程序，如圖3所示。首先進行航空裝備結構強度設計，然后生產制造出實物，通過實物的強度試驗再來評估結構強度，一旦在實物試驗時發現結構強度設計問題再返回進行結構強度的設計修改，這樣的設計流程會導致強度設計周期長，研發風險大，強度試驗次數多，費用高。

這種強度研發模式不能適應高性能無人機快速發展的需求，如果按照傳統的強度研發模式，在一定程度上會造成試驗費用的增加和試驗時間的延長，這使得傳統結構強度設計模式與高性能無人機快速低成本研制要求的矛盾日益突出。

隨著信息技術的飛速發展，建模與仿真、虛擬現實、人工智能、計算機網絡等技術也有了巨大發展，促成了仿真、虛擬技術與試驗和評價的有效結合，正在形成在軍工試驗與評價領域有廣泛應用前景的新技術，美軍正在采用強度的數字試驗來加快實物試驗的進行，如圖4所示。

航空武器裝備結構強度數字化設計研發正在形成，如圖5所示，在設計時就通過數字化的虛擬試驗來指導設計，在生產制造時通過虛實結合的綜合試驗來指導生產制造，驗證工藝，控制風險，在實物試驗時，通過虛擬試驗來規劃實物試驗，指導實物試驗進行，控制實物試驗的分析。

航空武器裝備結構強度數字化設計研發相對于傳統的研發流程而言，具備技術可控制、無破壞性的、耗費小并允許多次重復的數字試驗手段。在復雜飛行器的研制過程中，虛擬試驗不僅可以作為真實試驗的前期準備工作，而且可以在一定程度上替代傳統的物理試驗，減少物理樣機制造、試驗次數，使試驗不受場地、時間和次數的限制，并可實現對試驗過程的重復與再現，實現在設計階段對飛行器結構及布局優劣的信息反饋，使設計者盡早發現并解決設計過程中存在的潛在問題，從而達到縮短新產品試驗周期、降低試驗費用、提高產品質量的目的。

（1）加強數字化分析減少實物試驗。充分借助強度數字化分析手段，盡可能減少元件、典型件和部件級試驗規模，優化精簡強度驗證工況，節省試驗件和試驗費用，節約研制周期。如同時可以在一個試驗工況中，設計試驗載荷，將所有考核部位盡可能都考核到，節省試驗工況數。

（2）多構型高性能無人機強度試驗優化設計。高性能無人機通常涉及到一機多構型的結構設計，在強度設計時進行統型設計。如某飛機涉及到機動構型（短機翼）和長航時構型（長機翼），可設計全機強度試驗，一邊安裝長機翼，一邊安裝短機翼進行試驗，同時滿足兩種構型機翼載荷考核，通過該試驗方法節約長短機翼試驗件各一件。

（3）強度試驗機在完成強度試驗任務進行無損檢測后未發現問題，可繼續執行飛行任務。借助還有其他高價值用途的執行飛行任務的無人機機體結構進行全機靜力試驗，可依據強度分析的結果適當降低靜力試驗的加載百分比，通過可靠的應變、變形測量，采取外推法進行極限載荷下的驗證，達到既能試驗驗證強度設計又能保證飛機機體結構后續繼續使用的目的。

（4）靜力機主要采用膠布帶杠桿系統，這種加載方式實施方便、傳載準確，但膠布帶不易去除，會傷害飛機表面，不利于試驗機后續執行飛行任務。

采用不傷飛機表面的卡板加載系統或者吸盤加載系統，保護強度試驗機的結構，強度試驗完成后試驗件繼續用于飛行任務，可節省一架靜力機。

低成本材料選擇與應用

要從全壽命期考慮降低成本，結構設計時充分考慮降低制造、裝配、使用維護的成本，建立高性能無人機投產架次與經濟性關系。對于投產架次多的無人機，如果采用新材料、新工藝、新連接方式及新結構方案能明顯降低無人機全壽命期成本，可以按相關要求進行新設計的物理性能評估；對于投產架次少的無人機，應選擇成熟的、合適的、經濟的材料、工藝、連接方法及結構方案，避免帶來過多的強度考核性試驗，從而造成設計成本的增加。

同時針對無人機使用的低成本復合材料強度試驗矩陣進行縮減。對初次應用的復合材料，按照要求需要進行復合材料金字塔式的矩陣試驗驗證，該驗證方法采用的是試樣、元件（包括典型件）、組合件組成的多層次積木式試驗方法進行驗證。復合材料設計許用值作為第一層級的力學性能數據，常因物理試驗周期過長、物理測試量巨大而無法及時獲取，影響后續工作進展。

通過研判，適當減少材料試驗批次，重點關注設計亟需的試驗項目和性能數據，對復合材料積木式試驗驗證方法進行研判，適當減少復材試驗批次，關注重點試驗項目，通過少量物理試驗結合全面虛擬試驗的形式確定復合材料設計許用值。

“設計-制造-試驗”極速研發模式

無人機按照“設計-制造-試驗”全流程按照順序完成整個工作耗時較長，難以快速搶占市場。重組“設計-制造-試驗”流程，前置強度試驗設計與準備工作，實現強度分析與試驗設計高度并行的極速研發，探索高性能無人機低成本快速強度試驗設計與試驗實施技術研究，加快強度試驗進度。

結束語

根據高性能無人機設計經驗，本文提出了高性能無人機強度低成本設計與試驗控制策，在強度設計方面包括低成本無人機強度設計準則的裁剪、低成本材料的應用、疲勞經濟性的考慮等，在強度試驗方面包括復合材料性能試驗矩陣的選取、全機強度試驗的考量等，最后研究“設計-生產-試驗”極速研發模式帶來效益。提出的一系列的控制策略用于在高性能無人機結構平臺強度設計，以盡可能低的強度設計成本和強度試驗成本來保持結構平臺的完整性。實現與滿足高性能無人機使用安全性、適用性和戰斗力的要求，在保證任務能力和使用安全基礎上，以最小化的成本完成確定、評估、驗證和審定分析無人機的結構完整性。本文提供的強度低成本設計與試驗控制策略已在一些研制中的型號中得到應用。