常规多翼小型飞行器空气动力学设计研究

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.06.007

摘要/Abstract

摘要：

目前，针对常规多翼小型飞行器的动态气动特性与弹道特性的关联性尚缺乏有效分析，通过综合分析飞行器气体流动特性与弹道特性并进行优化设计，提出了小型飞行器增程设计方案。对飞行器功能布局进行系统分析，从系统最优角度设计飞行器分系统的布局组成，完成包含钝头、弹身、多片弹翼及尾翼的飞行器模型；通过分析比较4片、6片、8片弹翼对飞行器气动特性的影响及流动机理，提出针对不同任务升阻比需求的弹翼数量优选方案；基于比例导引制导律设计常规三回路驾驶仪和基于三次Ｂ样条函数的射程最大化优化方法，对刚体轨迹动力学特性进行仿真分析，结果表明多组弹翼构型飞行器可保持弹道稳定，验证了多组弹翼构型增程设计的有效性。研究结果可为多翼小型飞行器气动-弹道协同设计提供有效的方法参考和理论依据。

关键词: 多弹翼, 气动特性, 弹道特性, 增程设计, 流动结构

Abstract:

At present， the research on the correlation between dynamic aerodynamic and ballistic characteristics of small multi-wing aircraft is still limited. In this paper， the aerodynamic flow and ballistic characteristics of aircraft are comprehensively analyzed， and optimization design is conducted. Further， the design method of small aircraft with extended range is proposed. First， the function layout of aircraft is analyzed systematically， and the layout and composition of the aircraft subsystems are designed from the optimal view of the whole system. An aircraft model with blunt-headed warhead， multi-piece wing， and tail is proposed. Second， through the analysis of computational fluid dynamics and the influence of 4， 6， and 8 wings on the aerodynamic characteristics of the aircraft and the flow mechanism， the method of selecting appropriate wings according to the lift-to-drag ratio requirements in different tasks is proposed. Finally， a three-loop pilot is designed according to the proportional navigation guidance law， and a range maximization optimization method using cubic B-spline functions is proposed. The dynamic characteristics of rigid body trajectory are simulated and designed. The aircraft can maintain flight stability under the condition of multiple sets of wings， and the effectiveness of extending the range of multi-wing configuration is validated. Thus， the present research can provide effective methodological references and theoretical basis for the aerodynamic ballistic collaborative design of small multi-wing aircraft.

Key words: multi-wing, aerodynamic characteristics, ballistic characteristics, extended-range design, flow structure

中图分类号:

TJ013

李尧尧, 董平, 许朝虎. 常规多翼小型飞行器空气动力学设计研究[J]. 现代防御技术, 2025, 53(6): 60-68.

Yaoyao LI, Ping DONG, Chaohu XU. Aerodynamic Design of Conventional Small Multi-wing Aircraft[J]. Modern Defense Technology, 2025, 53(6): 60-68.

图/表 15

图1 常规多用途小型飞行器增程布局设计

Fig. 1 Extend-range design of conventional multipurpose small aircraft

图2 飞行器模型

Fig. 2 Aircraft model

图3 计算网格划分

Fig. 3 Grid of computational model

图4 计算结果的网格无关性验证

Fig. 4 Grid independence verification of numerical results

图5 Ma=0.6时弹翼对气动力特性的影响

Fig. 5 Influence of wing number on aerodynamic force at Ma=0.6

图6 不同弹翼构型Ma=0.6，α=4°时涡量分布特性configurations at Ma=0.6， α=4°

Fig. 6 Distribution of vorticity of different wing

图7 不同弹翼构型Ma=0.6，α=4°时压力系数分布特性

Fig. 7 Distribution of pressure coefficient of different wing configurations at Ma=0.6, α=4°

图8 8片弹翼构型气动力随马赫数、攻角变化

Fig. 8 Variation of aerodynamic force with Mach number and angle of attack for the 8-piece wing model

图9 8片弹翼构型 α =6°时压力系数分布特性

Fig. 9 Distribution of pressure coefficient for the 8-piece wing model at α =6°

图10 8片弹翼构型Ma=0.6时压力系数分布特性

Fig. 10 Distribution of pressure coefficient for the 8-piece wing model at Ma=0.6

图11 三回路驾驶仪结构框图

Fig. 11 Three-loop pilot structure block diagram

图12 轨迹攻角随时间收敛

Fig. 12 Attack angle variation with time

图13 飞行器飞行轨迹

Fig. 13 Aircraft flight trajectory

表1 射程与弹翼数量的关系

Table 1 Relationship between the range and the number of wings

弹翼（片）	优化前射程/m	优化后射程/m
4	3 026	3 130
6	3 300	3 408
8	3 650	3 762

图14 执行机构输入

Fig. 14 Actuator input

参考文献 17

[1]	常海昕，刘靖，常海艳，等. 国外便携式反坦克导弹的现状与发展趋势研究［J］. 飞航导弹， 2019（9）： 25-29.
	CHANG Haixin， LIU Jing， CHANG Haiyan， et al. Research on the Current Situation and Development Trend of Foreign Protable Anti-tan Missiles［J］. Aerodynamic Missile Journal， 2019（9）： 25-29.
[2]	刘沛清，唐文烜，胡天翔. 鸭式布局大迎角大振幅俯仰动态气动特性机理研究进展［J］. 气动研究与试验， 2024， 2（3）： 1-18.
	LIU Peiqing， TANG Wenxuan， HU Tianxiang. Investigation on the Dynamic Aerodynamic Characteristics Mechanism of Canard Configurations Pitching at High Angle of Attack with Large Amplitude［J］. Aerodynamic Research & Experiment， 2024， 2（3）： 1-18.
[3]	张夏阳，罗彬，招启军，等. 倾转四旋翼机多涡系气动干扰非定常特性［J］. 航空动力学报， 2025， 40（7）： 321-334.
	ZHANG Xiayang， LUO Bin， ZHAO Qijun， et al. Unsteady Aerodynamic Interference of Tilt-Quadrotor Due to Multi-vortex Effect［J］. Journal of Aerospace Power， 2025， 40（7）： 321-334.
[4]	何建东，雷娟棉. 基于伴随方法的动态非定常气动外形优化设计［J］. 北京理工大学学报， 2015， 35（2）： 127-132.
	HE Jiandong， LEI Juanmian. Aerodynamic Shape Optimization for Dynamic Unsteady Flows Based on Adjoint Method［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2015， 35（2）： 127-132.
[5]	郭东，徐敏，陈士橹. 基于网格速度法的非定常流场模拟和动导数计算［J］. 西北工业大学学报， 2012， 30（5）： 784-788.
	GUO Dong， XU Min， CHEN Shilu. An Effective Computation Method Based on Field Velocity Approach for Unsteady Flow Simulation and Obtaining Dynamic Derivatives［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2012， 30（5）： 784-788.
[6]	雷娟棉，吴甲生. 多片弹翼反坦克导弹气动特性实验研究［J］. 兵工学报， 2005， 26（5）： 709-711.
	LEI Juanmian， WU Jiasheng. An Experiment Investigation of the Aerodynamic Characteristic for a Multi-wing Light Antitank Missile［J］. Acta Armamentarii， 2005， 26（5）： 709-711.
[7]	石磊，杨云军，周伟江. 两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究［J］. 力学学报， 2017， 49（1）： 84-92.
	SHI Lei， YANG Yunjun， ZHOU Weijiang. A Comparative Study of Two Turbulence Models for Magnus Effect in Spinning Projectile［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2017， 49（1）： 84-92.
[8]	陈必露，刘春生，袁斐然. 基于微分对策的鲁棒导弹自动驾驶仪设计［J］. 电光与控制， 2022， 29（1）： 70-74， 104.
	CHEN Bilu， LIU Chunsheng， YUAN Feiran. Robust Missile Autopilot Design Based on Differential Game［J］. Electronics Optics & Control， 2022， 29（1）： 70-74， 104.
[9]	万齐天，卢宝刚，赵雅心，等. 基于深度强化学习的驾驶仪参数快速整定方法［J］. 系统工程与电子技术， 2022， 44（10）： 3190-3199.
	WAN Qitian， LU Baogang， ZHAO Yaxin， et al. Autopilot Parameter Rapid Tuning Method Based on Deep Reinforcement Learning［J］. Systems Engineering and Electronics， 2022， 44（10）： 3190-3199.
[10]	ELKINS J G， SOOD R， RUMPF C. Bridging Reinforcement Learning and Online Learning for Spacecraft Attitude Control［J］. Journal of Aerospace Information Systems， 2022， 19（1）： 62-69.
[11]	CANDELI A， DE TOMMASI G， LUI D G， et al. A Deep Deterministic Policy Gradient Learning Approach to Missile Autopilot Design［J］. IEEE Access， 2022， 10： 19685-19696.
[12]	王庆海，陈琦，王中原，等. 基于伪谱凸优化和L1罚函数的弹道规划方法研究［J］. 弹道学报， 2022， 34（1）： 22-30.
	WANG Qinghai， CHEN Qi， WANG Zhongyuan， et al. Research on Trajectory Programming Method Based on Pseudo-Spectral Convex Optimization and L1 Penalty Function［J］. Journal of Ballistics， 2022， 34（1）： 22-30.
[13]	石忠佼，朱化杰，赵良玉，等. 考虑舵机动力学的旋转弹自适应解耦控制［J］. 航空学报， 2022， 43（3）： 333-343.
	SHI Zhongjiao， ZHU Huajie， ZHAO Liangyu， et al. Adaptive Decoupling Control for a Class of Spinning Rockets Considering Actuator Dynamics［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（3）： 333-343.
[14]	SHI Zhongjiao， ZHAO Liangyu， LIU Zhijie. Variational Method Based Robust Adaptive Control for a Guided Spinning Rocket［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（3）： 164-175.
[15]	SHTESSEL Y， EDWARDS C， FRIDMAN L， et al. Sliding Mode Control and Observation［M］. New York： Springer New York， 2014.
[16]	王雨辰，林德福，王伟，等. 大跨域条件下的自适应滚转稳定容错控制方法［J］. 航空学报， 2021， 42（3）： 387-396.
	WANG Yuchen， LIN Defu， WANG Wei， et al. Adaptive Fault-Tolerance Control Method for Roll Stability During Phase of Large Span Flight［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（3）： 387-396.
[17]	FAN Shipeng， WANG Jiang， LIN Defu. Generalized Control Coupling Effect of Spinning Guided Projectiles［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（5）： 4241-4250.