无人机小翼隐身结构的质量和刚度优化

杨天旗，余雄庆

(南京航空航天大学 飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京210016)

    为了降低无人机的侧向雷达散射截面，提出了一种无人机翼梢小翼的隐身结构布局方案：隐身结构的翼面蒙皮由玻璃钢制成，主承力件为碳纤维复合材料层板结构，蒙皮与主承力件之间填充吸波材料。为获得力学特性最佳的主承力结构件的形状，在建立隐身结构参数化模型的基础上，应用有限单元法对隐身结构的强度和刚度进行了分析，并应用多目标遗传算法对主承力结构件的形状进行了优化，计算后获得了一组结构质量和翼尖位移最小的解集。优化结果为隐身结构方案的确定提供了定量依据。

    翼身融合（Blended-Wing-Body，BWB）布局飞机的机翼与机身融合为一个整体，大幅度减小了全机的浸润面积，降低了摩擦阻力和部件间的干扰阻力，具有升阻比高、隐身性能好的特点，是一种比较理想的无人机气动布局型式［1］。

    为了降低雷达散射截面，军用BWB布局飞行器通常取消了垂直安定面，使其航向稳定性出现了许多不足。针对此问题，学术界和工业界进行了广泛的研究，提出了开裂式方向舵等一系列弥补措施［2］。虽然这些措施有效解决了飞行稳定性问题，但由于技术复杂程度的提升带来的设计、制造难度和成本的增加非常可观，对飞行器结构质量和气动性能都带来了不利影响［3］。其中在翼尖安装翼梢小翼，虽然能提高飞翼的稳定性，还能增加升阻比，但此方案最大的缺点是小翼会显著增加侧向雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS)。

    从飞行器设计观点来看，如果把减少飞行器电磁散射的手段不仅仅限于部件表面形状和材料，而将其扩展到整个部件结构（包括内部结构），那么提高飞行器隐身性能的另一个思路是将机体上的某些无法避免的强散射部位设计成隐身结构，使其在满足气动和结构要求的前提下，RCS能得到有效缩减［4-5］。根据这一思路，减少BWB布局无人机小翼RCS的一个有效措施就是采用隐身结构。本文以某BWB布局无人机为研究对象［1］，提出一种翼梢小翼的隐身结构设计方案，并从质量和刚度的角度对隐身结构进行优化设计。

1小翼隐身结构的设计方案

    BWB布局无人机气动外形如图1所示。对该外形的RCS分析表明，在雷达波侧向照射时，翼梢小翼是最主要的散射源。

图1某BWB布局无人机

    为了减少侧向RCS，本文设计了一种非传统的翼面隐身结构方案，如图2所示。小翼根弦长748mm，梢弦长312mm，翼展730mm。翼面蒙皮由透波性能良好的玻璃钢制成,以减少翼面雷达回波，主承力件为碳纤维复合材料层板结构。蒙皮与承力件之间的区域用掺杂有石墨的聚氨酯泡沫填充，这种混合物密度低，易于加工，且具有较好的吸收电磁波的功能［6-7］，同时起到支撑蒙皮、传递气动载荷的作用。为满足阻抗匹配条件，隐身结构一.......

作者简介：杨天旗（1989—），男，四川成都人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞行器隐身设计与多学科设计优化。

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