岳志星^1，2，尹海莲²，王 宇¹，余雄庆¹

(1. 南京航空航天大学飞行器设计先进技术国防重点学科实验室，江苏 南京210016）

(2. 南京航空航天大学中小型无人机先进技术工业和信息化部重点实验室，江苏 南京210016)

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（NS2018058）

作者简介：岳志星（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为无人机结构设计及优化，958945637@qq.com.

通讯作者：尹海莲，女，副研究员，yinhailian@nuaa.edu.cn.

摘要：针对无人机族结构设计的相关问题，提出了一种机身为通用模块、不同展长的机翼为专用模块的飞翼无人机结构设计方案。采用结构有限元方法分别对飞翼布局无人机族进行结构强度和刚度分析，使用基于PCL语言的MSC.Patran二次开发技术，实现结构优化程序的自动运行。采用二级优化方法实现通用模块和专用模块的并行运算，给出一种模块化飞翼布局无人机族的结构优化设计方法。此方法很好地发挥了模块化策略的优势，并使无人机性能损失变小。

关键词：飞翼；无人机族；结构设计；二级优化

中图分类号：V224   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)06-0057-05

无人机族是一组无人机型号的集合，其中各型号无人机之间有通用的部件或子系统，但飞行性能和使用要求不同，以此满足客户的不同需求^［1］。采用无人机族策略可以大大缩短不同型号无人机的开发周期，有利于降低后期的维护成本，对未来无人机市场发展有强大的适应力^［2］。单一类型的飞翼布局无人机结构优化方法已经比较成熟，但是模块化无人机族的结构设计优化方法还有待进一步探究。

世界上很多飞机制造公司都采用过飞机族策略，用来拓展飞机的不同用途。例如美国的波音747通过后续的各种改进或改型设计，发展出了多种型号，分别适应不同阶段的客运和货运市场的需求。B747基本型号包括 B747-100/200/300系列以及第二代B747-400 系列和最新的B747-8^［3］。美国的联合攻击机JSF是美国进行的最大的战斗机研发计划，在设计初级阶段就采用了飞机族策略，为了同时供给不同军种完成不同的作战任务，共发展出3种不同的型号，包括空军陆基CTOL型战斗机、海军的舰载CV版本及垂直起降STOVL版本^［4］，即便3种型号的作战要求大相径庭，结构上仍具有相当程度的共通性。

飞翼布局无人机具有良好的气动特性，一直是未来飞机设计的研究热点。纵观飞翼布局飞机的发展历程，飞翼布局主要应用于大型轰炸机、小型无人作战飞机和无人侦察机。在飞翼布局无人机的研发阶段采用模块化无人机族策略，不仅能提高飞翼布局无人机产品的市场竞争力，还可以大幅度降低不同种类无人机的研发和制造成本。经过德、英、美、法等国对飞翼布局长期的探索和研究，飞翼布局在初期设计中遇到的性能和操纵等方面的问题都得到了妥善解决。但由于飞翼布局气动外形具有的特殊性，飞翼布局无人机结构设计与常规构型飞机有着很大差别，结构设计及优化方面的研究仍然面临巨大的挑战。

1无人机族构型设计

参照飞机族设计思想，把无人机族分为机身段和机翼段两部分。在无人机气动外形设计阶段，将不同的结构部件划分为不同的模块，其中机身段和机翼段分别为通用模块和专用模块。两类无人机的机身结构完全相同，可以实现机身模块共享^［5］；通过更换不同展长的机翼模块即可适应不同的作战环境。