共轴无人直升机总体优化设计

共轴无人直升机总体优化设计

刘 涛

航天神舟飞行器有限公司 天津 300450

摘要：传统直升机设计方法，主要依靠统计数据或者参考样机，同时加上设计者的个人设计经验和创新思想对总体方案进行改善和优化，设计者的个人能力和水平很大程度上决定了一个直升机总体方案的好坏，主观因素占有很大比重，加上一个完整的直升机研制过程的周期长，效率低，很难实现快速的形成一个最优的总体设计方案。随着计算机技术的迅猛发展以及广泛应用，直升机设计技术也经历了一场深刻的变革，先进的现代设计方法、理论以及设计手段层出不穷，总体参数优化设计这一理念逐渐在直升机总体设计中成型。所谓优化设计，其实质是将实际问题转化为一定约束条件下的最优化问题，通过对实际问题进行数学分析，建立数学模型，然后运用一些先进的优化算法，借助计算机和一些高性能计算工具进行自动寻优计算，最终寻找出最优方案。

关键词：共轴；无人直升机；总体优化设计

1共轴无人直升机的发展现状

1944年，当时的第一飞机制造厂的总负责人朱家仁先生设计了中国第一架直升机:“蜂鸟式甲型单座直升机”，但是由于旋翼的受损，未能应用于实践中。在之后的几十年里我国的共轴直升机技术发展缓慢。目前主要研究集中在高校、研究院所以及民企等机构。1996年，北京航空航天大学研制成功了我国第一架共轴式无人驾驶直升机一海鸥共轴无人直升机，是我国共轴技术的一大进步。1997年，北航又研制成功了我国第一架共轴双旋翼载人直升机“蜜蜂16”，主要应用于森林防火、巡逻以及通讯等方面。目前，我国在大力发展共轴无人直升机，比如中航智研发的300公斤级TD22。无人直升机、3吨级T33无人直升机等都是共轴双旋翼结构。且TD22。直升机将作为海上载荷平台，加快了无人直升机在海上维权的应用与研究，2015年，其成为中国海关应用的首款无人直升机，应用于孔道巡查、海关缉私等领域。另外，如中航工业庆安集团也在研制428B型共轴无人直升机，更多的国企单位正在投入共轴无人直升机的研发之中。

2设计要求分析

设计要求是研制直升机的基本依据和设计出发点，直升机的相应设计要求的制定，首先需要对军用和民用市场进行广泛调研和分析，同时还需要结合当前的科技水平。根据调研，共轴无人直升机主要用于执行空中巡逻监察、通讯中继布站、武器实验、物资补给、电路检修等任务，有效载荷和任务航程是其最主要也是最重要的设计指标，除此以外，为保证无人直升机的生存能力和高原工作能力，还需要无人直升机具有较快的机动速度和较高的悬停升限。下面根据中小型共轴无人直升机的以上特点，查阅现有国内外共轴无人直升机飞行性能数据，见下节内容，给出设计要求范围，如表1所示。

表1共轴双旋翼无人直升机设计要求范围

2共轴无人直升机总体参数优化

2.1总体参数选择

总体参数的选择方法一般有两种途径，一种是根据实用技术要求，采用理论和统计相结合的方法，也就是通过现有共轴无人直升机的统计数据，建立相关联参数间的影响关系经验公式，然后通过设计技术要求中给出的技术指标获得其他总体参数的方法。第二种方法是“原准设计法”，即选择一个与要研制共轴无人直升机性能相近的直升机作为原准机，以其总体参数作为新研共轴无人直升机的初步总体参数，经过飞行性能估算分析、重量分析、气动分析、动力学分析等，与最初提出的设计要求比较，反复迭代、修改形成共轴无人直升机概念设计总体方案。本文主要采用第一种方法，通过收集和整理国内外11种中小型共轴无人直升机的资料，利用统计学方法建立相关联参数的简单经验公式，得到其设计总体参数。

2.2总体参数优化模型

利用多目标遗传算法对相关统计分析的方法确定的共轴双旋翼无人直升机的总体参数进行参数优化设计，统计分析方法确定的总体参数。本文主要选择5个共轴双旋翼的总体参数作为优化设计的设计变量，分别是直升机的总重W0、旋翼半径R、桨叶弦长c、桨尖速度ΩR以及桨叶扭转角θt即：

（1）

设计变量的约束条件主要考虑共轴无人直升机的飞行性能参数，包括无地效悬停升限Hh、最大垂直爬升率V⊥max、最大平飞速度Vmax、实用升限Hf以及斜爬升率Vy。优化目标选择重量效率Z、悬停和巡航飞行状态下的需用功率Nh、Nf、悬停效率FM。重量效率的计算分析公式见式2。

（2）

具体优化步骤如下：

（1）遗传算法初始化：进化代数计数器从t=0开始，同时设置群体种群数目MP为20，种群内个体数Nind为40，随机生成MP个种群，每个种群中Nind个个体，形成P(0)；（2）构建适应度函数，约束条件如公式3所示，为保证适应度函数为正值，设置初始值为50，ωi是权重系数，fi0,gj0分别为优化前总体参数计算得到的重量、气动和飞行性能的各项指标；

（3）

（3）个体评价：对当代群体种群中的个体进行适应度评价，计算它们的适应度函数并排序；（4）选择操作：采用比例选择算子的方法，在当代群体中选择一些优良的个体，将其复制到下一代群体中去，采用轮盘法进行个体比例选择，个体被选中并遗传到下一代的概率与该个体的适应度值呈正比。（5）交叉操作：交叉是遗传算法产生新个体的主要手段，采用单点交叉算子方式进行交叉操作，对群体中个体进行随机两两配对，设置某一位置为交叉点，互换两个个体的部分染色体，形成新个体，计入下一代群体中。（6）变异操作：按一定变异概率mp对个体的每一个基因座位置进行变异操作，若某一个位置为指定变异点，采用反运算或用其他等位基因值替代产生新个体，计入下一代群体中。（7）第t代群体P(t)经过（4）、（5）、（6）操作形成第t+1代群体P(t+1)；（8）判断第t代群体中最优个体是否满足收敛条件，最优个体解是否持续10代不发生变化，如果满足则停止运算，如果不满足则重复（3）到（8）步骤，直至满足收敛条件，停止运算，输出得到的最优总体参数。

2.3优化结果分析

在选择共轴无人直升机总体参数的约束范围时，考虑在降低共轴无人直升机飞行需用功率的前提下，提升直升机的总重以及重量效率，从而提升有效载荷和燃油载荷，达到提升性能的目的，总重的约束范围设置为990-1200kg；考虑在达到一定总重的前提下，共轴无人直升机的尺寸越小越好，旋翼半径约束范围选择2.5-3.1m；桨叶弦长的约束范围参考常规旋翼的实度范围，适当增加上下限比例，其范围是0.1-0.3m；桨尖速度的约束范围由发动机的类型确定，其范围为160-240m/s。基于以上变量范围，对共轴无人直升机进行总体参数优化分析。从优化前后结果对比表可以看出，经过多目标遗传算法优化，共轴无人直升机的悬停升限、最大垂直爬升率、最大平飞速度、实用升限、斜爬升率、重量效率以及悬停效率等各项性能指标均有所提升，悬停升限较优化前结果均提升了8%，海平面处垂直爬升率较优化前结果提升8%，最大水平飞行速度提升3.6%，实用升限提升1.9%，斜爬升率提升13.6%，重量效率较优化前结果提升0.6%，悬停效率提升7.1%，论证了本文构建的共轴无人直升机总体参数优化模型是可行的、有效的。

3结束语

本文在共轴式无人直升机受到广泛关注、直升机总体设计模式数字化和优化设计普及的大背景下，研究面向共轴无人直升机总体参数优化设计方法，解决多目标优化设计在共轴无人直升机总体设计应用中的一些关键问题。

参考文献

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[3]宋弘毅.共轴旋翼风扇无人直升机建模与飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学,2019.