展向动量测定法与前掠翼流动机理研究

为揭示前掠翼与后掠翼的流动差异,研究前掠翼流动的特点和机理,设计了可进行直接比较的具有相同翼型剖面、相同展弦比、无根梢比的前掠45°(Λ=-45°)与后掠45°(Λ=45°)机翼模型,采用基于雷诺平均N-S方程流场求解器对前掠和后掠翼低速纵向气动性能进行数值模拟计算,并提出了展向动量测定法前掠翼流动机理进行了深入分析,研究结果表明:1)前掠翼展向动量输运使得升力向翼根汇聚,前掠翼展向升力分布更接近于椭圆分布,致使前掠翼诱导阻力更小;2)黏性对前掠翼的流场计算影响很大,文献中基于势流理论得到前掠翼比后掠翼气动性能好的结果是不准确的;3)在小迎角时,前掠翼气动效率与后掠翼相当,仅在最大升阻比迎角时前掠翼优于后掠翼,中等迎角下前掠翼翼根分离导致气动效率下降,但前掠翼具有更好的大迎角失速特性,有利于前掠翼大迎角飞行;4)相同总升力的情况下,前掠翼的翼根弯矩只有后掠翼的翼根弯矩的89.4%,采用前掠翼更有利于减轻机翼的结构重量。     

无人机的新颖机翼-前掠翼

飞机采用前掠翼气动布局并非鲜为人知，但无人驾驶飞机采用前掠翼却前所未有。本文通过对前掠翼的气动、结构等特性分析及其关键技术的解决，阐述了前掠翼的应用价值和广阔前景．为未来无人机设计开辟了一条新的领域。     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

前掠翼纵向气动特性的实验研究

本文基于风洞测力、测压、等试验结果,研究了前掠翼的气动力特点,并与相应的后掠翼做了比较。研究了改进前掠翼根部流动的措施和改进后的收益。在低速情况下,根部适当后掠可以较好地改善前掠翼根部的流动,获得较大的气动力收益。配置鸭翼可以进一步改善前掠翼根部的流动,得到更大的升阻比。例如,根部适当后掠的前掠翼（整流翼）配置鸭翼以后,C_y=0.5时的升阻比可比边条后掠翼配置鸭翼（两种布局升力面面积相等）的升阻比提高24％。 前掠翼在跨音速有较小的零升阻力和诱导阻力。当M_α=1.1,α=6°时,前掠翼的诱导阻力要比后掠翼的小12.5％。低速时改善根部流动的措施在跨音速时仍然有效。前掠翼以及根部适当后掠的前掠翼（整流翼）配置合适的鸭翼,也可使前掠翼的高速性能得到较大改善。     

前掠翼气动布局及低速纵向实验分析

本文依据低速风洞实验、载荷分布计算和跨超音速面积律计算,分析了前掠翼布局飞机的气动特性,提出了提高前掠翼气动特性的措施,并用对称性原理解决面涡法和面积律计算方法对前掠翼布局的应用。实验研究和计算表明:前掠翼布局有较好的气动特性,翼梢小翼可提高前掠翼的升力及升阻比。近距耦合的鸭翼及前掠翼翼根填块对改善前掠翼根的气流分离有显著效果。前掠冀比后掠翼更接近最佳载荷分布。有鸭翼的前掠翼组合体的轴向截面分布较易接近最佳当量截面分布,因而可显著减小零升波阻。     

开裂式方向舵在变前掠翼布局中的操纵性能研究

 针对变前掠翼(VFSW)无尾布局的横航向操纵,设计了开裂式方向舵(SR)操纵面,采用Navier-Stokes控制方程的有限体积离散方法以及剪切应力输运(SST)湍流模型,计算了变前掠翼中平直翼和典型的前掠翼布局开裂式方向舵的操纵性能,并对其操纵效率进行了比较,分析了其流场形态。计算结果表明:右侧开裂式方向舵打开后,平直翼时迎角对偏航力矩的影响较小,而舵偏量对偏航影响显著,利于偏航;前掠翼的偏航力矩随迎角的增加有所波动,但在小迎角时较为稳定,偏航作用随舵偏量增加而增强;右侧滑对滚转作用强于左侧滑,偏航作用低于左侧滑。经比较,平直翼的偏航作用明显强于前掠翼,平直翼和前掠翼的滚转和偏航作用均具有耦合性,但平直翼的耦合效应弱于前掠翼。     

多控制面对前掠翼静气动弹性响应影响数值研究

针对多控制面对弹性前掠翼静气弹响应的影响,提出了基于计算流体力学/计算结构力学的松耦合静气动弹性数值计算方法。计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面联合偏转对前掠翼模型的气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明,前、后缘控制面联合偏转时,后缘控制面对前掠翼气动特性和弹性变形特性的影响占主导地位,弹性前掠翼的气动特性和弹性变形特性均得到提高。     

机翼掠角对前掠翼布局气动性能影响的流动机理

采用N-S方程和SST模型数值模拟方法,对比了前掠翼和后掠翼飞机气动性能的差异,对不同前掠角前掠翼布局的飞机纵向气动性能进行了比较,分析了其流动特性,总结了前掠角对前掠翼布局气动性能的影响.研究结果表明,前掠翼与后掠翼气动性能差异的根源是展向速度的不同;小迎角(α<16°)时,前掠角较小的模型气动效率较高,升力系数和升阻比也较大;大迎角(α>16°)时,随着前掠角的增大,前缘涡和侧缘涡增强,对翼面流动产生有利控制,因而前掠角大的模型升力系数较大.该研究可为前掠翼布局的设计提供理论依据.     

用COMPASS进行复合材料前掠翼的气动弹性剪裁研究

利用复合材料各向异性特性和优化设计要求，开展结构气动弹性剪裁研究，是防止前掠翼发散的有效手段。用COMPASS对一前掠翼模型进行了气动弹性剪裁，探讨了不同结构型式和铺层方式对前掠翼结构气动特性影响的规律，得出了有用的结论。研究表明，COMPASS不仅可用于实际工程设计，也是进行结构剪裁研究的有效工具。     

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位.本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响.实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼.前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性.距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点.近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数.另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性.     

前掠翼布局中鸭翼气动影响的数值模拟

 采用三维Navier-Stokes方程和剪切应力输运（SST）湍流模型,就鸭翼不同位置和形状对前掠翼鸭式布局气动性能的影响进行数值模拟,并针对风洞试验方法难于分部件研究机翼、鸭翼以及机身各自气动特性的缺点,对布局升阻特性按部件分解研究并分析流动机理。研究结果表明：前掠翼鸭式布局气动性能（特别是在大迎角情况下）与鸭翼位置及其形状紧密相关,高位近距后掠式鸭翼可以与机翼产生更为有利的相互干扰,与无鸭翼布局相比最大升力系数提高约28.3%,最大升阻比提高约15.4%,大大地提高了前掠翼布局的纵向气动性能。该研究结果可为先进前掠翼布局飞机的预研和发展提供一定的理论参考。     

变掠翼无尾飞机气动布局设计研究

为了使得作战飞机在不同的速度阶段始终保持良好的空气动力性能,提出了一种通过改变机翼前掠角进而改变机翼平面形状的方法,来始终保持最佳气动效率——变前掠翼无尾气动布局,即超声速飞行状态(三角翼)、低速飞行状态(平直翼)以及高机动飞行状态(前掠翼)。采用仿真的方法,对上述3种外形进行了数值模拟计算,得出了3种外形的纵向气动性能数据。结果表明,变前掠翼无尾气动布局具有良好的气动性能和隐身性能,并且可为后续的型号研制奠定理论基础。     

苏霍伊推出S-37先进战斗机技术验证机

由苏霍伊设计局设计的S-37是一种前掠翼布局的先进战斗机技术验证机.它的首架试验机目前正在俄罗斯儒可夫斯基飞行研究中心进行飞行试验.包括最近完成的收起起落架的飞行试验在内,该机迄今已完成了4次飞行试验.首飞试验是于去年9月25日进行的.S-37是苏霍伊设计局瞄准俄罗斯空军对新一代战斗机要求设计的,旨在赢得空军对这种新型前掠翼布局战斗机的广泛兴趣.该机采用三翼面设计,包括前翼、前掠翼和常规尾翼,其机体结构的9O%由复合材料制成.S-     

鸭翼位置对前掠翼气动特性的影响

本文依据在低速风洞所取得的测力、油流观察及旋涡测量结果,研究了前掠翼鸭式布局的鸭翼位置对气动性能的影响机理。研究表明,鸭翼位置对气动性能的影响是极为显著的。前掠翼鸭式布局大迎角性能的提高取决于鸭、主翼前缘涡的相对位置及其相互控制,也就是它们间的相互干扰。文中根据前掠及后掠鸭翼与主翼组合的实验结果,提出了采用鸭式布局时鸭、主翼应具有的平面形状及它们的相对位置。文中还对双前掠翼布局提出了一些看法。     

弹性变形对前掠翼气动特性的影响分析

针对弹性变形对前掠翼气动特性的影响,基于改进的CFD/CSD松耦合静气动弹性数值计算方法,在高亚声速条件下,对前掠角χ=10°,20°,30°的前掠翼纵向气动特性和副翼操纵效率进行了计算和分析。结果表明,迎角较小时,弹性翼的升力、升阻比和俯仰力矩较刚性翼大,大迎角时恰恰相反;随着前掠角的增加,机翼的弯扭变形和气动参数变化的程度愈加剧烈;在最大升阻比、迎角α=4°、副翼偏转角δ=20°时,弹性翼的副翼操纵效率略大于刚性翼。该研究可为前掠翼布局的设计提供借鉴。     

面搭接嵌套网格及其对变前掠翼性能的计算

为快速高效地计算变前掠翼开裂式方向舵的操纵性能,建立了一种基于面搭接技术的嵌套网格剖分方法,并通过面积加权法建立搭接面两侧的通量守恒关系。然后采用N-S控制方程的有限体积法离散格式,选取SST湍流模型,对襟翼下偏30°的NACA 23012翼型的升阻特性进行数值计算,并与常规分块网格下的数值结果和风洞试验结果作了比较。验证表明:嵌套网格与常规网格的马赫数云图基本一致,襟翼上表面气流分离位置一致,并且均能捕捉到主翼型下端有形成涡的趋势;面搭接及面积加权法能够保证通量守恒传递和计算的精度,该方法简单、便捷,效率较高。最后,采用面搭接技术对变前掠翼开裂式方向舵的升阻特性进行了计算,前掠翼机翼气流流动由翼尖指向翼根,避免翼尖提前失速导致操纵效率急剧下降,面搭接嵌套网格计算方法在变前掠翼性能计算中应用良好。结果表明该方法是操纵面性能计算的一种高效方法。     

变前掠翼布局气动特性及流动机理研究

基于N-S控制方程和流场数值计算方法,研究了变前掠翼布局的气动特性和流动机理。低亚声速下,平直翼构型展弦比最大,因而最高的气动效率,适合起飞和着陆;跨声速时,前掠翼构型均有很好的低阻和失速特性,适合巡航或机动;超声速时,三角翼构型的零升阻力和激波阻力最小,可用于高速突防或逃逸。本文研究结果可为多功能战斗机的气动布局设计提供参考。     

变前掠翼气动布局纵向性能研究

发展和改进了一种变前掠翼气动布局及其设计思想,设计了集战斗和轰炸于一体的通用任务模式,并根据设计指标和翼身融合技术初步设计了变翼几何外形。采用N-S方程计算了该几何外形不同构型的纵向气动性能,分析了机翼前掠角对不同任务模式下纵向气动性能的影响。结果表明,变前掠翼气动布局可通过改变机翼前掠角来获取最佳纵向气动性能。     

浅析俄罗斯战斗机CY—37“金雕”前掠翼三翼面气动布局的先进性

本文追溯了前掠翼的飞机的渊源。指出常规二翼面的后掠翼，变后翼和近矩耦合鸭式气动布局存在着妨碍机动进一步提高的缺点。     

一种新的变前掠翼无人机气动布局

研究了一种新的变前掠翼无人机气动布局概念,在低、亚、跨和超声速状态下可通过改变机翼的前掠角来获取最佳的气动性能。根据设计指标和翼身融合技术初步设计了其几何外形,并采用三维Navier-Stokes方程数值模拟和对比分析了5种不同任务构型的气动特性。结果表明：①在Ma=0.6巡航时,平直翼加挂副油箱构型最大升阻比为14.55,而三角翼构型仅为8.29;②在Ma=0.4机动时,45°前掠翼构型失速迎角达到38°且具有最大的升力系数2.455,较平直翼构型提高了4.9%;③在Ma=1.5高速突防时,三角翼零升阻力系数最小,比平直翼加挂副油箱构型减小了14.4%,最大升阻比提高了34.6%;④所有计算状态下俯仰力矩特性均良好。研究结果验证了变前掠翼无人机气动布局新概念的合理性和先进性,可为高性能无人机的设计提供参考。