留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于综合评价的BWB无人机总体方案优化

索欣诗 王宇 朱正

索欣诗,王宇,朱正. 基于综合评价的BWB无人机总体方案优化[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(2):466-477 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0250
引用本文: 索欣诗,王宇,朱正. 基于综合评价的BWB无人机总体方案优化[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(2):466-477 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0250
SUO X S,WANG Y,ZHU Z. Overall scheme optimization of BWB UAVs based on comprehensive evaluation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(2):466-477 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0250
Citation: SUO X S,WANG Y,ZHU Z. Overall scheme optimization of BWB UAVs based on comprehensive evaluation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(2):466-477 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0250

基于综合评价的BWB无人机总体方案优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0250
基金项目: 南京工业职业技术大学引进人才科研启动基金(YK22-03-01)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:suoxs@niit.edu.cn

  • 中图分类号: V221

Overall scheme optimization of BWB UAVs based on comprehensive evaluation

Funds: Start-up Fund for New Talented Researchers of Nanjing Vocational University of Industry Technology (YK22-03-01);
More Information
  • 摘要:

    为提高翼身融合(BWB)布局无人机(UAVs)总体方案优化设计效率,根据翼身融合布局无人机外形和性能特点,建立了适用于概念设计阶段无人机总体方案的多学科综合分析模型、综合评价模型和优化模型,并开发了相应工具。采用数值分析和工程方法相结合,完成翼身融合布局无人机总体方案的几何、质量、气动和隐身特性分析。采用改进的逼近理想解排序法(TOPSIS),从无人机的装载能力、经济性和适应性角度出发,建立综合评价模型。以多个无人机方案为算例,验证了分析模型的合理性。利用可并行的子集模拟优化算法,以巡航升阻比最大和前向雷达散射截面积(RCS)最小为目标完成传统多目标优化,以竞争力最强为目标完成基于综合评价的方案优化。以多目标优化过程产生的全部方案为基础完成参数相关性分析,验证展长、后掠角和扭转角对气动和隐身特性的影响。最终的多目标优化方案RCS降低了41.6%,巡航升阻比提高了3.5%;综合评价优化方案的竞争力得分提高了44.0%。

     

  • 图 1  BWB无人机综合评价和优化模型

    Figure 1.  Comprehensive evaluation and optimization model of BWB UAVs

    图 2  几何建模GUI

    Figure 2.  GUI for geometric modeling

    图 3  BWB无人机模型

    Figure 3.  Model of a BWB UAV

    图 4  理想化模型

    Figure 4.  Idealized model

    图 5  面元法气动分析

    Figure 5.  Aerodynamic analysis using panel method

    图 6  σRCS计算模型

    Figure 6.  Model for σRCS calculation

    图 7  指标归一化

    Figure 7.  Index normalization

    图 8  群组权重计算流程图

    Figure 8.  Group weight calculation flowchart

    图 9  优化流程图

    Figure 9.  Flowchart for optimization

    图 10  极曲线

    Figure 10.  Polar cuves

    图 11  升阻比特性曲线

    Figure 11.  Characteristic curves of lift-to-drag ratio

    图 12  不同状态下的σRCS分布

    Figure 12.  σRCS distribution under different states

    图 13  方案1模型

    Figure 13.  Model for scheme 1

    图 14  方案1升阻比特性曲线

    Figure 14.  Characteristic curves of lift-to-drag ratio for scheme 1

    图 15  方案1σRCS分布

    Figure 15.  σRCS distribution for scheme 1

    图 16  参数相关性分析

    Figure 16.  Analysis of parameters correlation

    图 17  Pareto解集

    Figure 17.  Pareto solution set

    表  1  理想解

    Table  1.   Ideal solutions

    理想解载荷质量/kg总质量/kg(L/D)cruσRCS/m2
    45150190.003
    20200150.010
    下载: 导出CSV

    表  2  判断矩阵随机一致性指标值

    Table  2.   Random index values of judging matrix

    n IRI n IRI
    3 0.52 7 1.36
    4 0.89 8 1.41
    5 1.12 9 1.46
    6 1.26 10 1.49
    下载: 导出CSV

    表  3  几何参数

    Table  3.   Geometric parameters

    部件 半展长/m 后掠角/(°) 梢根比 上反角/(°)
    中央翼 0.45 60.0 0.71 0
    內翼内段 0.45 60.0 0.55 0
    內翼外段 0.23 37.3 0.77 0
    外翼 2.10 37.3 0.59 0
    小翼 0.27 69.0 0.60 68.5
    下载: 导出CSV

    表  4  特征参数

    Table  4.   Characteristic parameters

    模型 参考面积/m2 平均气动弦长/m 浸润面积/m2
    本文 7.04 1.49 16.67
    文献[20] 6.80 16.28
     注:参考面积偏差、浸润面积偏差分别为3.5%、2.4%。
    下载: 导出CSV

    表  5  质量分析结果

    Table  5.   Results of mass analysis kg

    模型 空机结构
    质量
    推进系统
    质量
    系统设备
    质量
    载荷
    质量
    燃油
    质量
    起飞
    总质量
    本文 69.64 14.55 17.99 35.0 31.25 168.43
    文献[20] 110.79 35.0 31.25 177.03
     注:推进系统质量偏差、载荷质量偏差、燃油质量偏差、起飞总质量偏差分别为110.79%、35.0%、31.25%、177.03%。
    下载: 导出CSV

    表  6  综合评价参数值

    Table  6.   Parameters for comprehensive evaluation

    参数 载荷质量 总质量 σRCS (L/D)cru
    指标权重 0.459 8 0.131 5 0.121 6 0.287 1
    正理想解 0.952 6 0.952 6 0.952 6 0.952 6
    负理想解 0.047 4 0.047 4 0.047 4 0.047 4
    评价对象 0.645 7 0.687 5 0.457 2 0.599 9
    下载: 导出CSV

    表  7  方案1几何参数

    Table  7.   Geometric parameters for scheme 1

    部件 半展长/m 后掠角/(°) 梢根比 上反角/(°) 扭转角/(°)
    中央翼 0.60 59.70 0.741 0 2.570
    內翼内段 0.59 59.70 0.657 0 0.420
    內翼外段 0.45 29.96 0.916 0 −0.073
    外翼 4.06 29.96 0.173 0 −0.657
    小翼 0.60 57.78 0.341 60.02 0
    下载: 导出CSV

    表  8  方案1分析结果

    Table  8.   Analysis results for scheme 1

    模型 参考面积/m2 起飞质量/kg (L/D)cru σRCS/m2
    本文 19.4 2 076.38 19.10 0.004 5
    文献[23] 20.0 2 000.00 19.88 0.001 4
    偏差/% −3.0 3.8 −3.9 221
    下载: 导出CSV

    表  9  方案2分析结果

    Table  9.   Analysis results for scheme 2

    模型 参考面积/m2 起飞质量/kg (L/D)cru σRCS/m2
    本文 19.0 2 070.87 18.13 0.004 2
    文献[23] 20.0 2 000.00 18.34 0.002 3
    偏差/% −5.0 3.5 −1.1 82.6
    下载: 导出CSV

    表  10  方案3分析结果

    Table  10.   Analysis results for scheme 3

    模型 参考面积/m2 起飞质量/kg (L/D)cru σRCS/m2
    本文 19.48 2 121.5 17.11 0.004 4
    文献[23] 20.00 2 000.0 18.38 0.002 4
    偏差/% −2.6 6.1 −6.9 83.3
    下载: 导出CSV

    表  11  初始方案与Pareto解集对比

    Table  11.   Comparison between initial scheme and Pareto solution set

    方案σRCS/m2(L/D)cru
    初始0.006 7017.27
    方案10.003 8717.53
    方案20.003 9117.88
    方案30.004 8618.12
    方案40.005 1918.69
    下载: 导出CSV

    表  12  初始方案与优化方案对比

    Table  12.   Comparison between initial scheme and optimization design

    指标 初始 优化后
    机身半展长/m 0.45 0.36
    机身前缘后掠角/(°) 60.0 55.1
    外翼半展长/m 2.10 1.81
    外翼前缘后掠角/(°) 37.3 36.50
    外翼梢根比 0.59 0.54
    外翼扭转角/(°) 0 −0.24
    载荷质量/kg 35.00 41.31
    总质量/kg 168.95 164.74
    σRCS/m2 0.006 7 0.004 4
    (L/D)cru 17.40 18.32
    竞争力 0.624 4 0.899 2
    下载: 导出CSV
  • [1] 王刚, 张彬乾, 张明辉, 等. 翼身融合民机总体气动技术研究进展与展望[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 7-35.

    WANG G, ZHANG B Q, ZHANG M H, et al. Research progress and prospect for conceptual and aerodynamic technology of blended-wing-body civil aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(9): 7-35(in Chinese).
    [2] 蒋瑾, 钟伯文, 符松. 翼身融合布局飞机总体参数对气动性能的影响[J]. 航空学报, 2016, 37(1): 278-289.

    JIANG J, ZHONG B W, FU S. Influence of overall configuration parameters on aerodynamic characteristics of a blended-wing-body aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 278-289(in Chinese).
    [3] LIEBECK R H. Design of the blended wing body subsonic transport[J]. Journal of Aircraft, 2004, 41(1): 10-25. doi: 10.2514/1.9084
    [4] WAKAYAMA S, KROO I. The challenge and promise of blended-wing-body optimization[C]//Proceedings of the 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. Virginia: AIAA, 1998: 4736.
    [5] WAKAYAMA S. Blended-wing-body optimization problem setup[C]//Proceedings of the 8th Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. Virginia: AIAA, 2000: 4740.
    [6] SUDER K. Overview of the NASA environmentally responsible aviation project’s propulsion technology portfolio[C]//Proceedings of the 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Virginia: AIAA, 2012: 4038.
    [7] HILEMAN J, SPAKOVSZKY Z, DRELA M, et al. Airframe design for “silent aircraft” [C]//Proceedings of the 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Virginia: AIAA, 2007: 453.
    [8] BOLSUNOVSKY A L, BUZOVERYA N P, GUREVICH B I, et al. Flying wing—problems and decisions[J]. Aircraft Design, 2001, 4(4): 193-219. doi: 10.1016/S1369-8869(01)00005-2
    [9] LI P F, ZHANG B Q, CHEN Y C, et al. Aerodynamic design methodology for blended wing body transport[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2012, 25(4): 508-516. doi: 10.1016/S1000-9361(11)60414-7
    [10] 刘晓静, 吴江浩, 张曙光. 250座级翼身融合布局客机气动设计与优化[J]. 空气动力学学报, 2011, 29(1): 78-84. doi: 10.3969/j.issn.0258-1825.2011.01.013

    LIU X J, WU J H, ZHANG S G. Aerodynamic design and optimization of the blended wing body aircraft for 250 passengers[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2011, 29(1): 78-84(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0258-1825.2011.01.013
    [11] 钟园, 陈勇, 陈真利, 等. 翼身融合布局低速验证机前缘缝翼设计[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 114-124.

    ZHONG Y, CHEN Y, CHEN Z L, et al. Design of slat of blended-wing-body low speed testing aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(9): 114-124(in Chinese).
    [12] PEIGIN S, EPSTEIN B. Computational fluid dynamics driven optimization of blended wing body aircraft[J]. AIAA Journal, 2006, 44(11): 2736-2745. doi: 10.2514/1.19757
    [13] 李路路, 张彬乾, 李沛峰, 等. 大型客机无尾布局航向组合舵面控制技术研究[J]. 飞行力学, 2013, 31(5): 450-454. doi: 10.3969/j.issn.1002-0853.2013.05.016

    LI L L, ZHANG B Q, LI P F, et al. Research on control technology of combined control surface for large tailless civil aircraft[J]. Flight Dynamics, 2013, 31(5): 450-454(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1002-0853.2013.05.016
    [14] 张曙光, 陆艳辉, 巩磊, 等. 250座级翼身融合无尾布局客机操稳特性设计研究[J]. 航空学报, 2011, 32(10): 1761-1769.

    ZHANG S G, LU Y H, GONG L, et al. Research on design of stability and control of a 250-seat tailless blended-wing-body civil transport aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(10): 1761-1769(in Chinese).
    [15] ZHU W S, FAN Z W, YU X Q. Structural mass prediction in conceptual design of blended-wing-body aircraft[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2019, 32(11): 2455-2465. doi: 10.1016/j.cja.2019.08.003
    [16] 张永杰, 吴莹莹, 赵书旺, 等. 翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 157-175.

    ZHANG Y J, WU Y Y, ZHAO S W, et al. Review of non-circular cross-section fuselage structure design research on blended-wing-body civil aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(9): 157-175(in Chinese).
    [17] 赵志高, 张曙光. BWB客机经济性相关设计参数的影响分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2011, 37(8): 937-942.

    ZHAO Z G, ZHANG S G. Analysis of effects of BWB airliner design parameters on its economic profitability[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 37(8): 937-942(in Chinese).
    [18] 赵振山, 冯剑, 苗树明, 等. 基于数值模拟的翼身融合布局飞机上悬式发动机布置技术[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 125-133.

    ZHAO Z S, FENG J, MIAO S M, et al. Blended-wing-body aircraft overhanging engine layout technology based on numerical simulation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(9): 125-133(in Chinese).
    [19] 潘立军, 吴大卫, 谭兆光, 等. 基于适航符合性的翼身融合布局客机客舱布置设计[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 57-65.

    PAN L J, WU D W, TAN Z G, et al. Cabin layout design for BWB civil aircraft based on airworthiness compliance[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(9): 57-65(in Chinese).
    [20] PANAGIOTOU P, FOTIADIS-KARRAS S, YAKINTHOS K. Conceptual design of a Blended Wing Body MALE UAV[J]. Aerospace Science and Technology, 2018, 73: 32-47. doi: 10.1016/j.ast.2017.11.032
    [21] KAPSALIS S, PANAGIOTOU P, YAKINTHOS K. CFD-aided optimization of a tactical Blended-Wing-Body UAV platform using the Taguchi method[J]. Aerospace Science and Technology, 2021, 108: 106395. doi: 10.1016/j.ast.2020.106395
    [22] 王荣, 闫溟, 白鹏, 等. 飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计[J]. 航空学报, 2017, 38(S1): 78-85.

    WANG R , YAN M , BAI P , et al. Optimization design of aerodynamics and stealth for a flying-wing UAV planform[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(S1): 78-85(in Chinese).
    [23] 邓海强, 余雄庆. 亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化[J]. 航空学报, 2014, 35(5): 1200-1208.

    DENG H Q, YU X Q. Configuration optimization of subsonic blended wing body UAV conceptual design[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(5): 1200-1208(in Chinese).
    [24] 索欣诗. 翼身融合布局大型客机总体方案综合分析评价与优化[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2017: 83-87.

    SUO X S. Comprehensive analysis, evaluation and optimization of the overall scheme of large passenger aircraft with wing-body fusion layout[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017: 83-87(in Chinese).
    [25] HOWE D. Blended wing body airframe mass prediction[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2001, 215(6): 319-331. doi: 10.1243/0954410011533329
    [26] CARMICHAEL R, ERICKSON L. PAN AIR - A higher order panel method for predicting subsonic or supersonic linear potential flows about arbitrary configurations[C]//Proceedings pf the 14th Fluid and Plasma Dynamics Conference. Virginia: AIAA, 1981: 1255.
    [27] 李沙浪, 雷明. 基于TOPSIS的省级低碳经济发展评价及其空间面板计量分析[J]. 中国管理科学, 2014, 22(S1): 741-748.

    LI S L, LEI M. TOPSIS based assessment of low carbon economy development and spatial econometric analysis[J]. Chinese Journal of Management Science, 2014, 22(S1): 741-748(in Chinese).
    [28] 董彦非, 王礼沅, 王卓健, 等. 基于空战模式和AHP法的空战效能评估模型[J]. 系统工程与电子技术, 2006, 28(6): 885-888. doi: 10.3321/j.issn:1001-506X.2006.06.028

    DONG Y F, WANG L Y, WANG Z J, et al. Air combat effectiveness assessment model based on operational pattern and analytic hierarchy process[J]. Systems Engineering and Electronics, 2006, 28(6): 885-888(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1001-506X.2006.06.028
    [29] 李宴喜, 陶志. 层次分析法中判断矩阵的群组综合构造方法[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版), 2002, 20(2): 86-90.

    LI Y X, TAO Z. Structure method for judging matrix of group in the AHP[J]. Journal of Shenyang Normal University(Natural Science), 2002, 20(2): 86-90(in Chinese).
    [30] 索欣诗, 余雄庆. 飞机总体参数优化的可视化技术[J]. 机械科学与技术, 2016, 35(12): 1961-1966.

    SUO X S, YU X Q. Visualization for aircraft conceptual design optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2016, 35(12): 1961-1966(in Chinese).
    [31] SUO X S, YU X Q, LI H S. Subset simulation for multi-objective optimization[J]. Applied Mathematical Modelling, 2017, 44: 425-445. doi: 10.1016/j.apm.2017.02.005
  • 加载中
图(17) / 表(12)
计量
  • 文章访问数:  274
  • HTML全文浏览量:  63
  • PDF下载量:  13
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-15
  • 录用日期:  2023-08-18
  • 网络出版日期:  2023-09-07
  • 整期出版日期:  2025-02-28

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答