关于预测急剧机翼失速的CFD的建议

文章叙述了由NASA／Navy／Air Force共同参与的急剧机翼失速项目计算流体力学（CFD）成就，论述了计算结果，提出了用于确定未来飞机研制早期设计阶段非指令性横向运动特性的方法和建议，提出了用于预测和定量表示急速、剧烈机翼失速趋势的程序和品质因数，以及计划方案的缺陷。还包括用于确定跨音速流区域非指令性横向运动临界参数以及影响预生产型F／A-18E／F飞机有害横向运动的主要几何参数。另外，分析了F／A-18E在急剧机翼失速区域稳态CFD和平均时间精确计算法的区别，并与用来测定非稳态方法的应用与准确性的非稳态试验数据进行了比较。最后，对提出的可能作为急剧分离趋势因数的计算品质因数做了精确地评估，并提出了确定这种趋势的筛选程序。     

跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

自由滚转跨音速试验能力的发展状况

作为NASA／海军急剧机翼失速项目的一部分，开发了一套相对廉价的、迅速使用的自由滚转试验装置。在这套装置上，可使用传统的高强度风洞实验模型进入风洞中一次就可以评估跨音速性能和机翼下垂／摇摆行为。总体目标是验证自由滚转试验技术的两个作用，即在地面试验期间鉴定重大的无指令横向行为的区域的作用，以及在跨音速状态洞察军用飞机机翼下垂／摇摆行为的作用。描述了试验硬设备和实验程序。已经成功地使用自由滚转试验装置评估了4种不同构型的静态和动态特性，两种在空中表现出无指令横向运动（预生产型F／A-18E和AV-8B），而另两种没有（F／A-18C，G-16C）。对于这些构型所获得的可用数据，自由滚转实验结果和实际飞行情况非常的一致。     

急剧机翼失速项目的成就

急剧机翼失速（AWS）项目解决了飞机跨音速阶段的非指令性横向运动问题，比如机翼下沉和机翼摇摆。这一项目的起源是，在19世纪90年代后期，F／A-18E预生产型飞机在机动包线的中心位置出现了机翼下沉。通过前缘襟翼运动程序的修改和在机翼折叠处增加带孔整流板，解决了F／A-18E／F飞机的问题。尽管如此，启动了AWS项目，作为对F／A-18E／F研制时技术准备不充分的亡羊补牢之举。AWS项目的目的是，找出F／A-18E／F飞机存在问题的根源、获得对引起机翼下沉的气流机理的深刻认识、找到相应的方法和分析工具，使得将来的项目在试飞之前就可以发现此类问题。文章回顾了AWS项目的目标、技术水平现状、获得的成就以及研究结果的影响等。总结了经验和教训，以利于以后的项目，在试飞之前就可以预测到飞机的横向运动。     

用计算流体力学解读急剧机翼失速

文章描述了在为期4年的急剧机翼失速（AWS）国家研究计划中用计算流体动力学所做的工作及获得的经验；详细论述了在跨音速机动状态现代美国战斗机和强击机遭遇到的跨音速流的复杂特性，内容包括针对这种高度复杂、有激波诱导的大分离粘性流动的网格处理、计算存储器和处理器要求、湍流模型、定常和非定常计算以及高度复杂的雷诺平均NS方程解与脱体涡模拟方法的比较。对F／A-18C飞机、AV-8B飞机、预生产F／A-18E飞机和F-16C飞机的跨音速机动状态进行了CFD模拟。模拟了各种襟翼位置，并将计算结果与大规模的风洞数据进行了比较；将结构与非结构网格获得的结果进行了对比；通过对模型在风洞中获得的表面油流和压敏涂层（psp）试验结果的定性比较以及有试验结果的详细定量压力系数数据来评估不同CFD方程式的适用性和计算精度。对比了这些计算软件和在这次研究中涉及的每种飞机的试验数据之间的静升力系数。     

F／A-18E／F机翼突然失速问题能调查经过和解决方案

在F／A-18E／F的试飞中暴露出来的“掉翼尖”（机翼突然失速）问题，一度使得F／A-18E／F项目发展陷于停顿。为此，美国军方协调多方研究力量对F／A-18E／F的机翼突然失速问题进行了详细的调查，并最终在实际试飞过程中找出了最佳解决方案。     

急剧机翼失速计划介绍

急剧机翼失速（AWS）计划已经用实验、计算和仿真工具研究了无指令跨声速的横向运动问题，比如自动倾斜问题。同时给出了制定AWS计划的背景以及计划的目标。为了了解导致预生产型F／A-18E不希望的运动的基本流动机制，从专用跨音速风洞试验和计算研究中搜集了定常和非定常流场详细数据。AWS计划也已经为跨音速流状态修改了自由滚转（FTR）风洞试验技术，该技术传统上用于低速横向动态稳定性的研究。这个FTR的能力首先在概念证明研究中被验证，然后应用于四个不同飞机结构的评定。对于两种已经被证实在全尺寸飞行状态（预生产型F／A-18E和AV-8B在极端飞行包线下）时容易发生自动倾斜的结构和两种没有表现出自动倾斜的结构（F／A-18C和F-16C）评估了静态试验和FTR试验的品质因素图形。已经从那四个飞机结构的气动力计算研究和F／A-18C与F／A-18E机翼之间的种种外形的影响计算量化中获得了正确的设计思想。最后，AWS计划在飞行之前对在模拟器中评定实验发现的横向动作对飞行性能的影响提供指导。     

横向不稳定性的试飞评估

在研发F／A-18E／F“超级大黄蜂”的一次飞行试验过程中，当进行跨音速机动时飞机遇到了非指令滚转运动。被称为“翼下冲”的急剧大幅度横向不稳定现象削弱了飞行员在此飞行条件下有效执行空一空跟踪任务的能力。对前缘襟翼的一系列修改和在机翼折叠区域增加透气量解决了该问题。然而，由于缺乏与计算流体力学、风洞和试飞分析有关的确认品质因数，获得该答案是缓慢的。目前已经开发了一种利用试飞数据评估横向不稳定性的方法。横向不稳定性评估包括定性和定量两个方面的评价。飞行员进行定性评价，而定量评价是基于对滚转速度、滚转加速度、横向驾驶杆位置和倾斜角的分析。这项技术提供一种根据飞行试验可靠评估横向不稳定性程度的途径。在飞行员定性评价和定量的试飞数据评估之间取得了极好的相关性。     

F／A-18E和F-16C急剧机翼失速特性的计算研究

运用静态计算流体力学（CFD）模拟，了解急剧机翼失速（AWS）现象的物理过程，确定静态品质因数（figures of merit），利用NASA兰利研究中心研制的TetrUSS模拟装置得到的纳维-斯托克斯算法是以四面非结构网格为基础的。通过在两种飞机上比较CFD模拟结果了解急剧机翼失速现象的物理过程。预生产型F／A-18E飞机构型在某些几何形状和气流状态下会出现急剧机翼失速，而F-16C飞机构型不存在这种现象。通过比较不同气流状态下两种飞机构型之间的详细流场，运用计算结果认识引起急剧机翼失速的原因。以这些方法为基础，开发了许多用来预测急剧机翼失速的静态品质因数。潜在品质因数包括升力的突然下降、翼根弯矩对迎角α的变化以及翼型升力随α的变化率。     

评估先进飞机跨音速急剧机翼失速的综合方法

跨音速条件下的急剧机翼失速会引起非控制的滚转运动，往往会降低飞行品质、影响任务性能、降低飞行安全。最近，美国政府的一项研究项目——急剧机翼失速项目——推动了通过计算流体力学、试验空气动力学和飞行力学来探测急剧机翼失速的技术水平。因此，重要的是，将这些工具合并成一个综合的方法，不但可以识别急剧机翼失速，更可以评估急剧机翼失速引起的飞行特性，降低飞机项目的风险。评估跨音速机翼急剧失速对飞行品质的影响的主要方法是建立飞机的数学模型，精确表现飞机对急剧失速的动态响应。降低项目风险的主要方法是在采购计划中包括自由滚转风洞试验。就跨音速急剧机翼失速的评估，向飞机设计人员和项目管理人员提出了一些建议。     

表面凹凸充气机翼的气动特性研究

充气机翼在变体飞机和飞艇中具有潜在的应用前景。充气机翼的结构特征与传统硬质机翼显著不同,其外形与传统机翼相比最大的差异在于表面的片条状鼓包,这种外形带来的气动特性、气弹行为等越来越受到人们的关注。以NACA0015翼型为原形,设计制作充气机翼模型,并利用CFX对传统光滑的NACA0015翼型和凹凸表面的0015F2翼型进行定常和非定常气动行为分析。结果表明:充气机翼的凹凸表面外形增加翼型的失速攻角,但其升力线斜率及升阻比都较光滑翼型要小;0015F2翼型的速度梯度过度区大于NACA0015翼型;0015F2翼型在每一个凹槽区生成驻涡,驻涡的存在使得充气机翼的附面层呈现紊流附面层的特性,驻涡的外移改变了机翼后缘的尾涡形成,推迟了分离,使得失速攻角增大。     

后退式微型后缘装置对机翼增升和流动特性影响的实验研究

实验测量了加装"后退式微型后缘装置"的NACA23012机翼在低雷诺数下的升/阻力、力矩和翼尖涡速度分布,并根据实验测量结果研究了该装置对机翼气动特性和翼尖涡结构的影响。实验升/阻力由六分量风洞天平测量,翼尖涡速度分布用七孔探针扫描获得,自由来流速度为15m/s,以弦长为特征长度的雷诺数为1×105。结果表明:与NACA23012原型相比,加装"后退式Mini-TED"后机翼升力显著增加,失速攻角减小;而使机翼阻力比原型翼在小攻角时略有增加,但在大攻角时有更明显的增长;在中高升力系数的情况下,机翼升阻比明显大于原型机翼;Mini-TED使得气动中心后移,相比于原型翼,机翼低头力矩以较为平稳的趋势增加,使机翼在中等攻角和大攻角情况下的俯仰稳定性得到提高;翼尖涡测量结果显示,后退式Mini-TED机翼在相同的正攻角下具有更大的上下翼面压力差,诱导出更强的翼尖涡和下洗运动,从而使得诱导阻力增加,总阻力也随之增加。     

流动偏转器对机翼失速特性的控制

介绍了一种控制机翼失速特性的新技术--流动偏转器.通过对二维翼型的数值模拟,研究了流动偏转器高度对控制效果的影响.采用PIV测量作为流动显示手段,验证了较低雷诺数(Re=6.32×10<'5>)时流动偏转器对机翼流动分离的控制效果.基于数值模拟结果和止交设计方法,对流动偏转器在更高雷诺数(Re=1.76×10<'6>)下进行了风洞测力实验研究.研究结果表明,流动偏转器可以有效控制机翼失速特性,能够抑制机翼大攻角下的流动分离,推迟失速攻角和增加升力.对测力实验结果的止交分析还给出了以16°到30°攻角范围内平均气动力最佳为目标的最优水平组合.     

军用航空

波音公司和美国海军正在试验用于解决F/A-18E/F试飞中遇到的机翼下垂问题的三种途径.现在美海军深信,耗巨资重新设计机翼将不再需要.F/A-18E/F在高亚音速机动飞行过程中,机翼下垂达30度,造成驾驶员在空对空机炮作战过程中难以跟踪目标.流过机翼折叠处铰链整流罩的气流被认为是引起机翼不对称失速从而导致机翼下垂的罪魁祸首.     

美国对F-35C跨声速非定常气动特性的研究

有些翼展较大并采用薄翼型的现代战斗机，在跨声速机动飞行时有可能会发生一侧机翼突然失速（AWS）的非定常气动现象，即所谓“掉翼尖”，严重影响飞行安全。F／A-18E／F就曾一度受困于这一问题。目前，技术人员担心采用了更大机翼的F-35C可能会面临同样的问题。由于现有的计算机流体动力学（CFD）和风洞试验技术手段很难精确模拟和预测“掉翼尖”现象，还需要通过实际的飞行试验进行验证。     

F-35解决跨声速机翼突然失速问题

美国国防部曾协调动员各方研究力量和资源组成“国家队”来研究F／A-18E／F的跨声速机翼突然失速（AWS）问题，研究了一整套预测、模拟和解决战斗机跨声速AWS问题的重要方法和工具，这项研究成果，对预测和解决F-35的跨声速AWS问题发挥了重要作用。     

小型通勤类飞机失速特性的自由飞验证试验研究

在对某小型通勤类公务机进行风洞实验预测时,发现飞机失速后其滚转特性会发生急剧变化。在分析该型飞机风洞实验结果的基础上,采用机翼加装失速条的失速特性方法,通过缩比模型自由飞试验进行飞行验证,分析在巡航构型和着陆构型状态下原始机翼和机翼加装失速条后的试飞结果。结果表明:缩比模型自由飞试验能够验证机翼风洞试验的预测结果,加装失速条的失速特性改进方法可以改善飞机失速特性。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

曲面样条插值法在飞机测压试验中的应用

飞机载荷设计中会涉及求解大量不同攻角和襟翼偏度的机翼气动压力分布,而风洞测压试验所测得的压力分布是有限的,如何选择一种合适的插值算法求出载荷设计中所需攻角和偏度的压力分布,是飞机气动载荷设计中的重要环节。采用样条曲面系数插值法,通过构造机翼压力分布的样条曲面函数,得到两种攻角和偏度情况下的压力曲面,进而插值出在两种攻角和偏度之间的任意一种攻角和偏度的压力曲面。将插值得到的压力数值和试验数据进行相似性对比分析发现:插值和试验值的相似系数较高与试验数据吻合度好。     

动态跨音速流动控制中自适应翼型的设计理念

通过对仿真几何模型的数值模拟，有针对性的消除了跨音速区的再压激波．改进了应用在非定常跨音速流动中的翼型，并介绍了一套设计直升机旋翼叶片可变形翼型的基本步骤，而且结合系统优化方法，还设计出了一种无激波翼型。同时还考虑了两种关于变形的分析模型，并应用二维、时间精确、隐式Navier-Stokes程序检验了这两种模型控制动态失速的能力。结果显示，对于直升机，受控变形翼型的发展潜力很大。应用这一翼型，能够大幅度的抑制大攻角时翼型的动态失速与小攻角、高马赫数时再压激波的强度，其结果将会帮助拓展直升机旋翼翼型的设计理念，使其能够进一步控制翼型的动态失速。