2.1.1 翼型优化设计方法

低雷诺数是长航时无人机的重要气动特征之一.国内外学者分别通过试验和计算流体力学(CFD)方法进行了低雷诺数翼型气动特性的研究.结果表明，低雷诺数条件下翼型层流分离现象体现出强非定常特性，具有流动分离、转捩和再附等复杂流场结构特征[17]，从而导致阻力系数陡增，最大升阻比快速下降，以及升力系数非线性效应[18]和静态滞回效应[19]等.

优化设计方法可有效地提高翼型的升力系数和降低阻力系数，使翼型具有更高的综合气动性能.长航时无人机翼型基本设计目标包括设计点升力系数、最大升力系数、失速特性(失速过程是否缓和)、最小阻力系数、设计点阻力系数、零升力矩、力矩线性范围等.翼型优化设计方法主要有两种：反设计法和最优化法.其中，反设计法是一种高效的设计方法.Zhu等[20]采用反设计方法设计了自然层流翼型，并用非接触测量方式对设计效果进行了实验验证.华俊等[21-23]应用反设计法对高升力缓失速翼型进行了优化设计，采用改进余量修正迭代方法，设计了升力线线性段延长，升力线斜率增加，失速特性缓和的有利于“高升力长航时”安全飞行的翼型.

最优化法将设计对象的气动分析与最优化方法相结合，通过不断改变设计对象的气动外形，使气动性能在满足给定约束条件下达到最优.最优化法设计流程如图4所示，基本思路为：基于Hicks-Henne型函数、Parsec Method和B-spline Curves等方法参数化翼型[24-25]；在低雷诺数飞行条件下，对翼型气动性能进行分析；结合优化算法对参数化的翼型进行设计.数值模拟精度和优化算法是长航时翼型成功设计的关键.

图4 常用优化算法优化翼型流程图[26]

Fig.4 Schematic diagram of common algorithm structure for airfoil aerodynamic optimization[26]

翼型优化过程中常用的气动分析方法包括工程方法、基于势流理论的数值模拟方法、基于欧拉方程的数值模拟方法和基于N-S方程的数值模拟方法.在涉及到复杂流动问题以及结合多点计算的优化算法时，高精度的数值模拟需要耗费较大的计算资源，因此有研究人员提出了构建代理模型来代替气动分析数值模拟的方法，减小优化设计的计算量.代理模型的构造主要有：参数化方法，如Kriging方法和多项式回归法；非参数化方法，如径向基函数和神经网络等，相关研究详见文献[27-29].

目前常用的翼型优化算法主要有控制面法[30]、多目标遗传算法[31]、粒子群优化算法[32]等.针对长航时无人机翼型，Zhao等[33]通过求解考虑层流转捩的雷诺平均N-S方程，基于粒子群优化算法，构建了翼型综合优化设计平台，寻找可以应用于长航时无人机的最优自然层流翼型.Nikolaev等[34]基于遗传算法，利用翼展方向的升力系数分布对翼型进行优化，实现了低雷诺数条件下大展弦比机翼的准确计算与快速优化设计.

2.1.2 流动控制技术研究

采用适当的流动控制技术也是增大机翼升阻比的重要方法.目前国内外均已展开了低雷诺数翼型控制技术的研究，流动控制主要分为主动流动控制和被动流动控制.针对主动流动控制技术，Yang等[35]进行了低雷诺数下声激励主动流动控制技术的研究.Buchmann等[36]提出了前缘零质量射流对大迎角分离的控制技术.左伟等[37]和刘沛清等[38]分别应用合成微射流(Micro-SJ)和吹吸气技术，对翼面层流分离泡(低雷诺数下翼型的特殊流动现象)进行控制，推迟了失速迎角、增大了机翼最大升力系数和最大升阻比.由于主动控制技术需要利用加入外部能量对边界层进行控制，增加了额外复杂激励装置，因此，加大了长航时无人机应用该技术的难度.

被动流动控制方法具有耗能小、装置简单、实用性强、控制效果明显等优点，常用的被动流动控制方法有涡流发生器、沟槽壁面、前缘襟翼、后缘缝翼以及仿生机翼前后缘等[39-42].被动流动控制通过控制边界层流动状态，抑制了流动分离，提高了机翼升阻比，并改善了机翼失速特性.随着智能材料的发展，可变形机翼成为被动流动控制研究的重要分支[43]，如图5所示.目前已有学者开展了长航时无人机可变形机翼技术的研究.

图5 后缘可变形机翼示意[44]

Fig.5 Morphing wing with a flexible trailing-edge[44]

Lafountain等[45]针对“全球鹰”无人机LRN 1050翼型应用了可变形机翼技术.研究了襟翼偏转和翼型弯度变形之间的关系，结果表明，应用机翼后缘弯度变形可以代替襟翼偏转对无人机的操纵，同时能保持较高的气动效率.Della[46]等通过飞行试验和参数化空气动力学分析，证明了自适应机翼后缘可以有效改善长航时无人机的飞行性能和地面性能.当前适用于长航时无人机的流动控制方案还需要进一步研究，但是主动和被动流动控制技术为气动优化设计提供了重要思路.

2.2 气动布局设计

2.2.1 气动布局方式及优化方法

高效总体气动布局是提高飞行器整体飞行性能的核心关键，也是实现可靠精准飞行控制的重要基础.长航时无人机气动布局与其动态特性和气动特性密切相关，不同的布局形式对无人机的飞行性能、稳定性和操纵性有重大影响.选择长航时无人机总体布局类型和参数时不仅要考虑每个部件的合适外形，还要考虑把它们组合在一起时，产生的气动干扰情况，并且可能需要采取多种技术措施进行综合权衡，才能实现满足设计要求和使用要求的最佳总体布置形式.

常规动力长航时无人机气动布局主要有：V尾布局(如“全球鹰”无人机)、双尾撑布局(如“苍鹭”无人机)、可变后掠翼布局、边条翼布局和联接翼布局等[47-49].太阳能长航时无人机气动布局有：常规布局(如“西风”无人机)、飞翼布局(如“太阳神”无人机)、分布式布局和串列式布局等.常见气动布局特点对比，见表3.

表3 长航时无人机常见气动布局对比

Tab.3 Comparison of aerodynamic layouts of long-endurance UAVs

目前翼身融合布局正成为常规动力无人机和太阳能无人机研究重点之一.翼身融合布局具有浸润面积和内部体积比低、光滑变截面分布、隐身性能好等特点，可以避免机身与机翼的相互干扰，消除翼身连接处复杂流动的影响，从而改善全机的升阻比等气动特性[50].Panagiotou等[51]对翼身融合布局的后掠角、展弦比和垂直机翼位置等参数进行研究，分析了翼身融合布局的气动效率和升力曲线斜率特性等.虽然长航时无人机，特别是高空长航时无人机，对隐身性要求不高，但是合理的在气动布局设计时考虑隐身性，可以显著地降低其RCS(雷达散射截面积)，提高其生存力.例如，美国的“全球鹰”高空长航时无人机，采用背负式S弯进气道，减小飞机的头向雷达散射截面；将发动机布置在后机身内，并利用V形尾翼遮挡发动机尾喷口，进一步减小侧向散射截面，从而提高了全机的整体隐身性能.

长航时无人机气动布局方案确定后，需对布局参数进行优化设计.气动布局优化方法有梯度法、罚函数法、基于控制理论的优化方法和遗传算法等[52-54].由于遗传算法可以找到优化模型的全局最优解，在长航时无人机气动布局优化设计中得到了较多应用.Alsahlani等[55]基于遗传算法，针对飞翼布局太阳能长航时无人机，结合气动、结构和稳定性分析，搭建了气动布局设计与优化框架.梁煜等[56]将Kriging代理模型和Pareto遗传算法引入气动外形平面参数匹配设计，提出一种基于代理模型的多目标平面参数匹配设计方法，提升了优化的效率并保证了可信度.Panagiotou等[57]针对翼身融合布局长航时无人机设计提出了一种全面优化配置方法，用以解决翼身融合设计阶段遇到的问题.

2.2.2 螺旋桨/机身一体化气动设计

螺旋桨是多数长航时无人机的重要推进部件，根据对无人机的需求不同，螺旋桨布局有推进式布局和拉力式布局，如图6所示.高空飞行时，由于大气稀薄，雷诺数降低，还需要针对螺旋桨在低雷诺数下的气动性能和翼型设计展开研究[58-59].

图6 螺旋桨发动机的不同布置类型

Fig.6 Different arrangements of propeller on UAVs

对于前置螺旋桨，Traub等[60]研究发现，机翼、机身等部件在螺旋桨滑流作用下的气动特性与无滑流状态下有较大差异，同时螺旋桨布置位置对全机气动特性也有不同影响.对于螺旋桨产生的滑流流场的研究，需要考虑流场的加速效应、旋转效应、黏性效应、湍流效应和发动机位置等因素的影响[61-63].Catalano[64]进行了螺旋桨在不同位置和不同倾角时，正转与反转的诱导流对机翼气动力影响的试验，试验雷诺数分别为3.5×105和4.5×105.结果表明，螺旋桨正转时，转捩发生在机翼前缘附近，而螺旋桨反转时，转捩出现延迟.Rakshith等[65]研究不同机翼弦长受螺旋桨滑流影响的程度，并指出较短弦长的机翼有利于减阻.Ananda等[66]对以Wortmann FX 63-137为翼型的矩形机翼进行了低雷诺数流动风洞试验，研究表明螺旋桨滑流诱导了湍流的早期过渡，导致了分离泡过早形成.Aref等[61]研究了不同攻角、安装位置以及旋转方向的螺旋桨对机翼气动力的影响，采用CFD方法对流场进行了分析，得到的涡结构如图7所示.

图7 螺旋桨在机翼内/外侧时的涡量等值面图[61]

Fig.7 Vorticity isosurfaces with propeller installed inboard/outboard[61]

对于螺旋桨在机身后方的布局形式，需要考虑螺旋桨对机身的反作用.陈广强等[67]对螺旋桨装布置在V尾后方的高空长航时无人机流动特性进行了数值模拟，研究表明螺旋桨尾流的干扰使无人机机身尾部的压差阻力迅速增大，导致无人机气动性能变差.另外，在低雷诺数条件下无人机平台表面流动容易发生分离，也会使螺旋桨推进效率降低[68].因此，必须考虑螺旋桨与全机的气动性能相互干扰，进行螺旋桨/机身一体化设计[69].