作者 | Graychen 仿真秀科普作者
一、工程背景
无人机在进行完概念设计之后，大致确定了外形的基本参数。此时为了进一步提高无人机的飞行性能，常常需要对气动布局的外形参数进行优化设计。
二、算例介绍
以某翼身融合的无人机的初始气动外形为基础，利用ISIGHT软件对外形的主要控制参数进行优化设计，以提高无人机在迎角为0度时、速度为20m/s巡航状态下的升阻比。翼型为飞翼布局无人机常用的反弯S5010翼型。该翼身融合的无人机的主要外形参数如下图。
三、优化目标
为了了提高巡航状态下的升阻比，同时为了防止优化过程中出现的全机面积过大或者过小，添加如下的约束条件：
约束关系式中的
为0.4㎡， 为0.5㎡，无人机的翼展b为主要由主要的性能参数确定，不设为优化目标，此处设翼展b=1.8。半机身的宽度bf受到机载设备的限制也不设为优化目标参数，此处设bf=0.095。
四、无人机参数化模型
无人机在品外外形优化前，受先要将无人机的平面外形进行参数化，翼身融合的无人机主要由机身、机翼两部分组成，如上图所示，主要包括：
- 机身前缘后掠角：Γ1；
- 机身后缘后掠角：Γ2；
- 机翼前缘后掠角：Γ3；
- 机翼后缘后掠角：Γ4；
- 机身长度：Lf；
- 机翼展长：b;
- 机身半宽度：bf；
其他的平面参数，如升力面面积S、展弦比AR、平均气动弦长Cmac、翼根弦长Lwr、翼尖弦长Lwt等参数可根据上述参数计算得到。
选取无人机的部分平面外形参数作为设计变量，其他平面外形参数可以根据设计变量计算得到，设计变量的基准值和取值范围如下表：
五、平面外形优化流程
采用 Isight软件完成无人机平面外行优化设计，其流程如下图所示。通过将无人机初始平面参数输入到SHAPE模块进行计算得到无人机平面外形参数，并生成用于AVL软件计算的数据文件，然后通过 AVL模块计算无人机在巡航迎角和速度时的升力系数和阻力系数，最后由计算优化函数模块Calculator计算并输出目标参数。在优化过程中，计算得到的无人机升阻比只供对比分析，因此我们选择计算速度比较快的AVL软件来计算升阻比。
Shape模块主要是计算无人机的外形参数，采用Isight自带的matlab模块。
AVL软件是是MIT的Mark Drela教授开发的一个气动分析程序。AVL利用涡格法对给定的外形作气动分析，采用关键字描述几何外形，计算出数据并绘制图形，而且数据和图形都能够输出。这在计算后利用其结果十分方便。这里采用simcode进行集成。
六、优化设计结果与分析
根据上述的无人机平面外形优化设计流程进行迭代计算，得到结果如下所示：
优化之后的平面外形与优化之前的平面外形对比：
全机升阻比的对比：
算例
CL
CD
L/D
优化前
0.2637
0.0335
7.87
优化后
0.3128
0.0341
9.178
七、写在文后
这个算例只是优化了机身长度和机身机翼的前后缘后掠角5个参数，优化目标也只有升阻比一个参数，目的是通过这个算例演示一下无人机气动外形优化的一般性流程，因此并不能直接应用于工程实际。
受限于笔者的水平和操作习惯，定有许多错误之处，欢迎各位批评指正。
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