基于兩階段法的機載光電吊艙氣動力矩的工程計算方法（自動化）

      遲圣威¹，  紀  明¹，  韓周鵬²， 楊少康¹，吳  輝¹，寧  飛¹，王智超¹

（1．西安應用光學研究所，西安710065；2．西北工業大學現代設計與集成制造技術教臺部重點實驗室，西安710072）

摘要：機載光電吊艙的風阻力矩是吊艙結構設計的重要依據之一，越來越受到重視，如果忽略載機的影響，僅根據吊艙自身模型來計算風阻力矩，將帶來較大的計算誤差。在考慮載機影響的基礎上，提出基于“兩階段法”的光電吊艙氣動力矩計算方法；并運用該方法計算某低緯度區域警用無人機光電吊艙的方位風阻力矩，所得結果與物理背景及實際現象相符，表明該方法的有效性，為高效、準確地計算吊艙風阻提供了新的思路。

關鍵詞：光電吊艙；逆向氣動外形；兩階段法；流場仿真

中圖分類號：V271.4；TN30   文章編號：1671  - 637X( 2016) 04 - 0070 - 05

0  引言

    光電吊艙一般懸掛在無人機機頭或機腹下方，除了通過光電傳感器為無人機提供實時的偵察圖像以外，還具備目標捕獲、目標測距等功能，是無人機的火眼金睛。吊艙在無人機上的安裝位置，除了滿足結構和配重等方面要求之外．還要使吊艙所受的氣動阻力盡可能小?？梢园言谄渌�約束條件確定的情況下選擇吊艙安裝位置以獲得整機最優氣動阻力結果的問題稱為“正問題”，這也是研究人員所關注的重點。確定了安裝位置后，光電吊艙在飛行過程中還會受到氣動力的影響，其中風阻力矩的大小制約了吊艙電機的選擇。如果力矩電機驅動力不足將使光電吊艙無法完成既定工作，而過大的冗余力矩不僅造成“大馬拉小車”的問題，還會增大電機和安裝軸系的體積和重量，給機載吊艙進一步減重帶來很大限制。所以，隨著機載系統小型化和輕量化，該問題顯得愈發重要，在飛機和吊艙的連接位置確定后，準確計算吊艙受到風阻力矩的“反問題”也越來越受到吊艙結構工程師的關注。風阻力矩計算在機載光電吊艙出現時就開始了。從早期到現在，主流方法一直是經驗公式法，隨著CFD技術的發展，少數學者開始嘗試使用CFD仿真計算特殊安裝條件下，吊艙本身的風阻力矩。顯然，忽略載機的影響會給風阻計算帶來顯著的誤差。但由于保密要求等原因使得光電吊艙設計單位難以獲得其全機模型，一般只能獲得與其接口的部分艙段。不過，當光電吊艙安裝在機腹位置，且機身和機翼之間不是翼身融合構型時，即使僅獲得機頭和裝載光電吊艙的任務艙段等局部載機模型，也能為流場分析提供足夠準確的模型。

1  “兩階段法”風阻力矩計算流程

    為了得到準確的風阻力矩，需要考慮載機對光電吊艙的氣動干擾效應。最理想的情況自然是考慮載機和吊艙在各種不同角度組合下的所有工況，不過這樣的工作量和時間對于目前的工程實際應用來說顯得不可接受，所以這里采用所謂“兩階段法”的分步計算方法。第一步，根據吊艙的幾何對稱性來分析簡化工況數量，計算出不考慮載機影響的光電吊艙在不同轉動角度下的風阻力矩，從所得到的結果中選出極值。第二步，在此基礎上，按照裝配位置關系組合載機和光電吊艙，計算出在該轉動角度下考慮載機影響的光電吊艙風阻力矩值。由于載機艙段和安裝結構外形對稱，形狀規則，且飛行速度區間屬于低速不可壓流動范圍（Ma≤0.3），此時風阻力矩主要由作用在外形表面的流體壓力產生，相比之下，粘性效應產生的風阻力矩與之相差兩個數量級。參考吊艙自身風阻力矩計算的經驗公式，可以把結果近似地按“線性化”處理，即可以使用疊加原理。所以，可以認為該組合工況即為最嚴酷的工況，此時計算出的結果可以代表“一體化”后吊艙產生最大風阻力矩值，計算流程如圖1所示。下面以某低緯度區域警用無人機方位風阻力矩的計算為例，闡述“兩階段法”實施的具體步驟。

2  第1階段：單獨吊艙計算模型

2.1結構模型分析

    整個模型分為局部載機、升降機構和光電吊艙3部分。不使用吊艙時，吊艙內置于任務艙段，僅考慮吊艙使用時的情況，可以不考慮升降機構，計算模型分為局部載機和光電吊艙兩部分。根據上述“兩階段法”的計算思路，首先需要計算單獨吊艙自身的風阻力矩，吊艙模型為典型的以外方位內俯仰為特征的兩軸兩框架結構，方位軸系位于方位框架上，俯仰軸系連接了方位框架和俯仰框架，俯仰框架的球形包絡直徑為160 mm?？紤]了成本、采購周期和安裝方式等多重因素，方位軸系和俯仰軸系由同一型號的直流力矩電機直接驅動，也由同一類型的光電碼盤測量運動。前蓋板上有3個窗口，分別是電視、熱像和激光窗口，其中激光測照器的發射和接收窗口在這里合二為一。簡化后的計算模型如圖2所示。單獨吊艙風阻力矩的計算方法有兩種，分別是經驗公式方法和計算流體力學方法。

2.2經驗公式方法

    對于每一個特定的轉角，吊艙在空氣中受到的阻力可以簡單表示為

示方位軸左邊和右邊力臂。利用經驗公式需要通過CAD軟件得到不規則投影區域的面積和形心位置，在不同軟件轉換過程中，二維圖的部分幾何要素難以識別，需要不斷重復手動修復，近似投影圖形等工作，容易引入較大誤差；而對應每一塊面積形心的定位也存在同樣的問題，后果是導致力臂計算準確度低。同時幾何體的風阻系數在不同參考文獻中不完全相同，存在一定程度的不確定性，類似于可靠性分析方法中的專家經驗方法，因經驗值不同導致計算結果出現差異。所以經驗公式在多個環節存在誤差累積，是一種較為粗糙的方法，這里不做深入討論。

2.3計算流體力學方法

計算流體力學建立了如圖3所示的流場模型。

    在方位方向按每150的間隔定義一種工況條件，來流方向和速度確定為式中，掃為來流方向與吊艙正前向在方位平面內的夾角。得到7個角度下的方位風阻力矩。把計算結果導人Matlab進行整理，單獨吊艙方位風阻力矩的極值和變化趨勢如圖4所示。

3第Ⅱ階段：載機吊艙計算模型

3.1氣動外形的逆向生成與連接吊艙

    原始的局部載機模型，用于表明安裝位置、安裝方式和顯式吊艙包絡，屬于存在很多細節的結構模型。如果直接在其上做幾何處理難度很大，很有可能會對后期網格生成帶來不利影響，所以最佳的方案是重新建立供仿真使用的局部載機氣動模型。利用Solid-works軟件的實體引用功能，首先將載機結構模型分為機頭和任務艙段兩部分，按曲率變化沿長度方向選取了9個典型的控制截面來控制基本外形，截面之間通過原有的或提取的特征要素構造出4條引導線，每部分的多個控制截面之間通過連續的導引線來實現光滑過渡，這樣做的好處是能夠更好地逆向出逼近原始結構輪廓的氣動模型。如圖5a所示，載機氣動模型創建完成后，將光電吊艙裝配在無人機安裝位置上。需要注意的是，不同于單獨吊艙計算時，不同角度的工況僅需改變來流方向即可，不需要重新創建流場和重新生成網格。此時這種便利將不復存在，由于每個角度下的裝配都需要重新創建流場和生成網格，導致計算一次工況的工作量很大，仿真所需的時問很長。對時間短、任務緊的研制項目而言，計算每一種組合工況顯然不合適。所以可進行“兩階段”法的第二階段，根據圖4單獨吊艙計算所得的結果，只選擇30⁰的極值位置，計算該工況下整體模型的方位風阻力矩。此時來流方向沿機頭方向，吊艙沿來流方向逆時針旋轉30⁰后和載機連接。如圖5b所示。

3.2整體模型網格快速生成技術

    網格生成在當前最流行的商用軟件Icemcfd中完成，其特點是不論六面體網格還是四面體網格都按非結構網格的方式來處理。六面體網格的生成需要應用復雜的處理技術將單元沿物理域邊界規則排列。當外形復雜時，只能將復雜的域分解為多個具有簡單拓撲的塊，然后按順序依次在每個塊體中生成結構網格，實現起來非常困難。

    工程上常用的自動體網格生成方法有八叉樹法和基于Delaunay粗網格的陣面推進法。八叉樹算法簡單地說就是通過初始網格包裹幾何體，然后不斷細分快速生成網格。這種方法的優點是魯棒性強，對于簡單處理的吊艙模型就能完成網格的生成，但網格質量很一般。導人求解器后由于網格的原因收斂速度非常慢，相當于把網格生成的困難轉嫁給方程求解，所以在吊艙計算中不推薦此方法。

    基于Delaunay粗網格的陣面推進法生成非結構四面體網格，是以先生成的面網格為基礎，向外推進生成整個流場網格，網格質量相對較容易控制，效率也比較高。當然它在前期的幾何處理上需要花更多工夫，從后期的計算效率來看這樣的代價還是非常值得的。需要強調的是邊界層網格的生成，由于吊艙方位框架內側存在多塊不同曲率的曲面拼接結構，與俯仰框架之間也存在不利于網格生成的縫隙，載機裝配后還可能會出現附加的曲面過渡，此時過分追求合理的邊界層設置會大幅度降低整體網格的質量，常常會導致網格生成失敗，或者網格質量太差而導致最終的計算結果不可接受，所以如何設置邊界層網格需要權衡考慮。流場模型和網格如圖6所示。

3.3考慮載機影響的吊艙風阻力矩計算

    網格完成后導入fluent軟件，考慮近海平面掠海瞄準、550 m低空跟蹤和1200 m低空偵察3種工作模式來設置環境條件。當氣體的物理模型選擇理想氣體時，不同高度下大氣參數由氣體狀態方程決定，所以密度、溫度和壓強3個參數只需知道2個就能完全解出狀態方程。

這里選擇計算相應海拔高度上的壓強溫度值。對于低緯度地區，對流層海拔高度距離海平面17 km以內時，高度與壓強的關系為

氣壓；溫度可以簡單地按每升高100 m降低0.6℃計算，小于百位整數位的高度可以通過線性插值得到。在fluent環境條件中更改壓強和溫度值，在計算初始化時自動得到相應的密度值。無人機巡航時的最大飛行速度為150 km/h，計算中需要轉化成無量綱的馬赫數。湍流模型中SST模型在工程中應用廣泛，不過和Spalart-Allmaras -方程模型相比，在網格質量不是很高的情況下，它的收斂速度要慢很多，所以權衡考慮，這里選擇后者。流場邊界條件選擇壓力遠場條件。對于穩態流動，當選擇壓力基求解器時，流體控制方程可以統一寫成忽略時間項的對流擴散方程的微分形式

數值求解方法選用基于壓力基的SIMPLEC算法，求解格式采用二階迎風格式。最終計算結果如圖7和表1所示。

3.4精度影響分析

    根據以往的研究表明，網格數量和計算精度之間有著密切的聯系。圖8a和圖8b分別顯示了載機吊艙一體化模型在550 m低空的計算工況下，氣動阻力與網格數，方位風阻力矩和網格數之間的關系。隨著網格數量的不斷增加，氣動阻力和風阻力矩不斷減小，當計算域總的單元數量超過65萬時，繼續增加網格數量對結果沒有影響，計算結果收斂到一定值，符合網格無關性條件，能夠從網格規模角度保證求解的精度。

4定性分析

    從上述結果可知，在飛行速度不變的前提下，空中的氣動阻力和風阻力矩值均小于海平面情況，這是由于密度和壓強的降低，導致流體質量流量、動量和當地靜壓同時降低。計算結果與氣動的物理規律相吻合。而合理的連接位置可以在載機和吊艙之間形成有利于減阻的氣動干擾。

    由于電流值和力矩成正比，所以在外場飛行試驗的過程中，通過在伺服系統的電流環中串聯采樣電阻和電流表來獲取不同轉動角度的電流值，隨后傳輸到地面站做實時分析，發現在方位角30⁰位置附近，電流值大于其他位置。不過由于電流值的時變性，外加摩擦力矩、導線力矩等不平衡力矩在不同位置的準確測量有一定難度，使得測量出的電流值不能和風阻力矩直接相關。如能成功解決上述問題，就有希望通過吊艙自身來獲取較為準確的風阻力矩值。

5  結論與展望

    本文通過逆向出合理的載機氣動模型，使得考慮載機影響的吊艙風阻力矩計算順利完成。從以上分析和計算結果可以初步得出3點結論：

    1)“兩階段法”的分析思路給出工程化吊艙計算的合理步驟，整體模型計算出的風阻力矩必然更符合飛行中的實際情況；

    2)在合理的連接位置下，載機和吊艙一體化后的風阻力矩比單獨吊艙情況要小，說明前期國內外一些可以查閱到的資料中，僅計算光電吊艙自身的風阻力矩作為選擇電機的依據存在合理性；

    3)氣動力的作用通過傳力路徑傳遞到軸上，會在一定程度上增大軸轉動的摩擦力，這就需要以乘以安全系數或其他方式適當留一些余量來保證所選電機能有效地驅動軸系轉動。

    需要指出的是，準確的阻力計算一直是氣動分析的難點。以前的研究表明網格質量對更高精度的阻力預測起到至關重要的作用。一般直接簡化吊艙的結構模型后生成六面體網格仍然較為困難，而重新建立的氣動模型又過于簡單，即使網格質量良好，但模型失真程度較高，導致結果偏離真值更遠。所以如何建立簡單而又足夠準確的吊艙氣動模型是下一步需要研究的問題之一。同時，如果能在風洞試驗和飛行試驗中對吊艙的風阻力矩加以驗證，形成閉環結論，才能對吊艙的設計工作提出更為有效的指導意見。