[发明专利]一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法

权利要求书

1.一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其特征在于：该方法包括：长机尾涡建模模块，诱导速度计算模块，耦合效应公式化模块；具体如下：

所述的长机尾涡建模模块，即长机尾涡模型，采用一种连续马蹄涡建模方法：即认为马蹄涡沿机翼的1/4弦线连续分布，根据1/4弦线上的升力分布计算连续马蹄涡在翼展方向上的环量分布，并引入涡丝的气动扭转系数，以模拟飞机尾涡产生的实际流场，提高长机尾涡的建模精度；具体的所述长机尾涡建模模块包括：固定翼无人机的机翼建模、连续分布的马蹄涡环量分布计算、及连续分布的马蹄涡强度的衰减计算；

所述的诱导速度计算模块，根据毕奥-萨伐尔定律将对涡丝长度的积分转化为方向角的积分，使得长机尾涡诱导速度的计算成为可能；由于所述的长机尾涡模型是一种连续马蹄涡建模方法，根据马蹄涡的组成，分别对附着涡和脱体涡形成的诱导速度进行求解；无人机集群紧密编队的气动耦合效应在僚机上的直接表现即为僚机在长机的尾涡中受到诱导速度，因此，最后进行僚机所受诱导速度的计算；具体的所述诱导速度计算模块包括：单涡丝诱导速度的计算、所有马蹄涡形成的诱导速度场计算、及僚机所受诱导速度计算；

所述的耦合效应公式化模块，通过一种离散求平均的诱导力和力矩的计算方式提升气动耦合效应计算效率；具体的所述耦合效应公式化模块包括：诱导升力系数计算、诱导阻力系数计算、诱导滚转力矩系数计算、及诱导俯仰力矩系数计算；

所述的连续分布的马蹄涡环量分布计算，即附着涡和脱体涡的环量分布计算，具体过程如下：

定义Γ(s)为马蹄涡的环量沿机翼的1/4弦线的分布密度，根据库塔-茹可夫斯基定理可得：

其中，表示机翼1/4弦线上单位长度上的升力；ρ_∞代表空气密度；V_∞为来流速度；对于小型的固定翼无人机，升力沿机翼1/4弦线一般呈椭圆形分布；因此，环量沿机翼的1/4弦线具体分布为

其中，s表示机体坐标系下横轴上点的坐标；Γ₀为力矩参考点处的环量，计算公式为Γ₀＝2V_∞SC_L/(bπ)；S表示机翼面积；C_L代表无人机的整体升力系数；b为翼展；假设长机产生的尾涡在一个平面内，没有厚度；因此，可得连续分布马蹄涡的附着涡环量和脱体涡环量分布都服从机翼上的环量分布，给出如下：

其中，Γ_bound(s)和Γ_free(s)分别为所有马蹄涡的附着涡和脱体涡沿机翼1/4弦线的环量分布；

所述的连续分布的马蹄涡强度衰减计算，即附着涡和脱体涡的强度衰减计算，具体过程如下：

由于所有马蹄涡的附着涡集中分布于机翼的1/4弦线，涡丝延伸的距离小于飞机的翼展，所以附着涡的强度保持恒定；定义Υ_bound为附着涡的强度衰减量，通过上面的分析，可得

Υ_bound＝1                            (5)

对于脱体涡，由于从1/4弦线开始平行于来流速度方向，向下游延伸至无限远，所以涡强度沿涡丝的延伸方向逐渐衰减；定义Υ_free为脱体涡的强度衰减量，具体的计算公式如下

其中，h表示流场中的计算点到涡丝的垂直距离；r_c为涡的半径，与流体的粘度υ和来流到达流场中计算点的时间τ有关，具体的计算公式为

2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机的紧密编队气动耦合效应建模方法，其特征在于：所述的固定翼无人机的机翼建模，具体过程如下：

集群紧密编队中的每一架固定翼无人机都由它的升力面代表，忽略机身所受的气动力和力矩；并进一步假设无人机所受升力都集中于1/4弦线并满足物理边界条件，也即认为机翼的升力线和1/4弦线重合，因此马蹄涡的产生点都集中在1/4弦线；每一个马蹄涡由一个附着涡和两个脱体涡组成；假设所有马蹄涡的附着涡沿1/4弦线连续分布，进一步根据升力线理论，可得两个脱体涡从1/4弦线开始向下游延伸至无限远；同时，根据上述假设，僚机所受诱导速度也都沿1/4弦线分布。