基于试飞参数的太阳能无人机飞行载荷修正方法研究

摘要：本文基于太阳能无人机飞行试验，对飞行试验过程中的速度、高度、舵面偏角、过载等飞行参数进行了分析，通过对试飞数据和气动载荷进行对比，实现了对理论计算下的气动载荷的验证和修正，降低了因太阳能无人机机翼大变形和机翼表面柔性蒙皮不平整等因素对气动载荷的影响，提高了飞行载荷的准确性，进而提升了强度分析结果的精确度。本文为具有大翼展大变形的太阳能无人机的飞行载荷修正提供了依据。

关键词：试飞参数，飞行载荷，太阳能无人机，载荷修正，强度分析

1.引言

飞行载荷作为强度分析最为重要的输入之一，其准确与否直接影响着强度计算结果。工程上的理论计算结果即使再准确，与飞机真实情况也存在一定差别。对于强度专业，通常采用强度试验的方法来验证仿真分析的准确性，弥补仿真分析方法的不足，提高产品设计的容错率。

而飞行载荷作为仿真分析的输入源，一旦源头产生偏差，必定会将误差累积到后续设计中，直接影响强度计算的准确性。目前飞行载荷一般通过CFD方法计算得到，采用缩比模型风洞试验来验证，对于刚度较大的飞机，该方法能够较为准确的验证CFD计算结果，而对于具有超大展弦比大柔性机翼的太阳能无人机，由于机翼在飞行过程中产生的变形较大，同时机翼下表面铺设的单层复材薄膜在气动载荷下易产生变形影响气动外形，因此采用刚体模型得到的风洞试验结果与飞机真实受载情况存在一定偏差。

为消除上述偏差，通过对飞机在真实飞行中的各项飞行参数进行分析，借助分析结果对理论设计下的飞行载荷进行修正，可以进一步提高飞行载荷的准确性，进而提高强度分析结果的准确性。

2.试飞参数分析

飞行试验过程中获取的数据为最接近飞机真实状态的数据，其综合了飞机制造误差，机翼大变形，蒙皮表面变形，突风载荷等各种不确定因素带来的影响，因此可采用试飞数据对仿真分析结果进行修正以进一步提高仿真分析的准确性。

以太阳能无人机飞行试验为例，飞机经历了起飞-爬升-巡航-转弯机动-下降-着陆的完整飞行过程，如图1所示，对飞行过程中与飞机气动载荷相关的速度、高度、舵面偏角、过载等数据进行处理和分析。

舵面偏角可反映飞机当前的飞行姿态，飞行载荷计算结果中的飞行参数也涉及舵面偏角，图2-图4分别为左右副翼、升降舵、方向舵在整个飞行过程中随时间变化的曲线图。

飞行过载可反映飞机在飞行过程中的机动情况，也可用该参数反推飞机气动总载，在计算气动载荷和惯性载荷时涉及到气动总载和惯性总载，图5-图7分别为飞机在整个飞行过程中过载随时间变化的曲线图。

飞行高度直接影响着飞机所处位置的大气密度，而速压与飞机飞行速度和当地空气密度有关，在计算气动载荷时需要提供速压参数，图8-图9分别为飞机在整个飞行过程中海拔高度和速压随时间变化的曲线图。

3.飞行载荷修正

通过对试飞数据和气动载荷各项参数进行对比，可实现对气动载荷的验证，进而对其进行修正。以1g平飞工况为例，该工况下飞机的理论飞行参数及气动总载见表1 。

在飞行试验飞行参数中选取与理论分析速压相同的点，提取同时刻的过载、舵面偏角等信息作为对比分析的依据，图10为按照速压选取的分析点，时刻为飞行试验第3001秒时刻。

按照该时刻提取的飞机航向、侧向、垂向过载分别见图11-图13。

按照该时刻提取的飞机航向、侧向、垂向过载分别见图14-图16。

0为理论数据与飞行试验数据的对比，可见该工况下的过载、舵面偏角等参数偏差很小，利用试验数据的垂向过载和全机真实重量可计算得到飞机气动总载，与理论气动总载相比小了2.6%，可见由于飞机飞行过程中产生的大变形使得机翼上的气动载荷产生了一定的侧向分量，导致垂向的气动载荷降低，同时机翼表面的柔性蒙皮铺设质量也一定程度上降低了气动升力。

利用该分析结果对飞机1g气动工况下的气动总载荷进行-2.6%的修正，尽管不能得到修正后的分布载荷，但对于强度分析而言，可以近似的根据比例将所有节点的分布载荷降低2.6%，由此可以得到修正后的应力应变等结果，使得强度计算的结果更为准确。

对于其他飞行工况，可按照总体气动专业提供的飞行参数依次对各工况进行试飞，利用飞机真实飞行数据对每个工况的载荷进行修正，从而将强度分析结果的精确度进一步提高。

4.结束语

本文针对大展弦比太阳能无人机飞行过程中因机翼大变形和柔性蒙皮不平整导致的气动载荷畸变问题，借助试飞实测手段，通过对试飞过程中的速度、高度、舵面偏角、过载等飞行参数进行分析，得到了飞行状态下气动载荷和理论计算状态下气动载荷的偏差，并据此对理论状态下的飞行载荷进行了修正，提高了理论分析状态飞行载荷的准确性，进而提升了后续强度分析工作的准确性。本文研究内容为大翼展大变形的太阳能无人机的飞行载荷修正提供了依据。

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