CJ828大型客机“鲨鱼鳍”式翼梢小翼的气动设计

诱导阻力是飞机阻力的重要组成部分,在机翼翼尖加装翼梢小翼是减小飞机诱导阻力的一种重要手段.针对CJ828干线客机机翼进行翼梢小翼的气动设计及研究,确定翼梢小翼的六个主要参数:展长、后掠角、尖削比、倾斜角、安装角和翼型;综合blended winglet与raked tip形式的小翼特点,从raked tip衍生出一种bladedwingtip式翼梢小翼.通过CFD技术,对设计的小翼进行气动性能计算,计算结果表明,该翼梢小翼能够有效提高CJ828机翼巡航时气动性能,减小巡航飞行时阻力,在巡航状态下升力系数提高1.50％,阻力系数降低6.80％,升阻比提高8.92％.并且,添加小翼可以延长机翼上表面的等压线长度,耗散机翼翼梢涡,降低尾涡强度,减小飞机翼尖效应的影响区域.     

变体翼梢小翼的减阻机理数值模拟

总结了对翼梢小翼减阻效果影响最大的几何参数,在此基础上采用数值模拟方法研究了这些几何参数的最佳变化范围,为变体翼梢小翼设计提供理论依据.并从气动性能、气动载荷分布和翼尖涡的角度探讨了变体翼梢小翼相对传统翼梢小翼的优缺点.结果表明:在飞机的起飞阶段,变体翼梢小翼的减阻效率比传统翼梢小翼高2.2%,同时将翼尖涡强度降低了15%,有利于提高飞机的燃油效率和机场空域安全;但也会增大机翼的翼根弯矩,因此必须权衡变体翼梢小翼带来的气动收益与结构强度不利因素.     

翼梢小翼,您注意到了吗?

<正>搭乘飞机的时候大家会注意到很多飞机在位于飞机机翼的翼梢,会有上翘的小翼或者是由上翼下小翼组成的装置,这便是飞机的翼梢小翼。尖小翼(winglet或wingtip),又称作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆。翼尖小翼可有效地改善飞机燃油效率和增加巡航航程。上世纪70年代美国国家航空航天局的空气动力学家R·T·惠特科姆从鸟翅膀尖部的小翅得到启发,提出了翼尖小翼的概念。在小展弦比机翼的翼梢处装一个小翼片,从而既提高了展弦比,又不会使结构质量和摩擦阻力增加很多。     

空客测试A320系列飞机新型翼梢小翼

作为不断改进产品性能承诺的一部分,空中客车公司正在对用于单通道系列飞机的新型翼梢小翼进行评估。翼梢小翼是专为改进机翼的空气动力学性能而设计的,可以降低飞机的油耗。2006年3月,两种不同型号的新型翼梢小翼将安装在A320测试飞机上进行试飞。此外,美国捷蓝航空公司也将提供一架飞机参加部分飞行测试项目。位于美国堪萨斯州维奇塔的翼梢小翼技术公司将为测试专门设计一种翼梢小翼。第一套翼梢小翼已运到A320飞机总装厂,第二套也将随后运抵。在未来几个月一系列的飞行测试中,需要记录大批参数。在对测试结果进行彻底分析之后,空中客车…     

不同类型的翼梢小翼在无人机设计中的应用

针对某型无人机进行融合式、双叉弯刀式2种不同形式翼梢小翼设计,对6组不同参数的小翼构型进行了基于RNAS控制方程的数值模拟计算,结果表明,双叉弯刀式小翼在气动效率的提高、横航向稳定性影响方面明显优于融合式翼梢小翼。结合数值模拟计算结果,从气动机理上对加装翼梢小翼后的纵向、横航向特性影响进行了分析,得出了2种不同形式小翼的气动特点及其各参数对气动性能的影响,其结论对中小型无人机翼梢小翼的设计提供了一定的参考依据。     

翼梢小翼后缘舵面偏转对机翼气动特性影响研究

以大型客机某方案机翼为基本翼,基于N-S方程数值模拟的方法,研究融合式翼梢小翼后缘操纵舵面偏转对机翼空气动力特性影响。研究发现,翼梢小翼舵面偏使得机翼气动特性发生显著变化。一方面,偏转舵面导致了机翼最大升阻比的降低,然而它可以优化不同飞行阶段升阻比。其中,舵面外偏,机翼在阻力增加不大的条件下,升力明显增大,有利于提高起飞、爬升性能;舵面不偏条件下升阻比最大,有利于提高巡航效率;舵面内偏,机翼阻力明显增大,有利于提高飞机着陆性能。另一方面,舵面偏转可以控制机翼翼梢涡的发展,有助于耗散机翼尾涡及激发翼梢涡自身的不稳定性而加速耗散。     

商用飞机翼尖装置减阻机理及其发展与应用

推导了商用飞机诱导阻力公式,给出经典的诱导阻力表达式。对翼尖装置发展和演变历史进行了梳理,分析了翼梢小翼的减阻机理。从端板作用、耗散翼尖涡等5个方面分析了翼梢小翼对商用飞机飞行性能的影响,在此基础上提出了翼梢小翼的设计参数和设计原则。最后研究了应用于不同型号商用飞机的翼梢小翼的特点和最新进展。研究结果表明,商用飞机使用翼梢小翼能够显著降低诱导阻力,增加升阻比并提高燃油经济性。同时,商用飞机翼梢小翼正向着智能变形结构方向发展,以实现不同飞行任务阶段的性能最优化。     

用于变体翼梢小翼的伸缩栅格研究

翼梢小翼能抑制翼尖涡流形成、降低机翼的诱导阻力,翼梢小翼的高度是对减阻效果影响较大的参数之一.传统翼梢小翼仅针对巡航状态设计,而在起降、爬升等非设计状态减阻效果不佳.变体翼梢小翼能根据飞行状态主动改变几何外形和尺寸,实时优化减阻效果.为了实现变形,设计了一种用于变体翼梢小翼的伸缩栅格,通过步进电机驱动,可使翼梢小翼的高...     

含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究

 针对传统翼梢小翼在非设计状态减阻效果不佳的缺点,提出一种含有形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变体翼梢小翼结构,它能根据飞行状态主动调整小翼的倾斜角,实时优化飞机的阻力特性.采用力-热-应变耦合法设计了所需的SMA弹簧驱动器,并通过有限元仿真与风洞试验验证了变体翼梢小翼的变形能力,最后初步研究了变体翼梢小翼的闭环控制方法.研究结果表明,在飞机的起飞阶段(自由来流流速为26 m/s,迎角为3°),变体翼梢小翼的倾斜角能在1 min内自主完成预定变化过程,倾斜角的最大变化量为23°,控制精度的最大误差为12%,各项指标均符合设计要求.     

基于成本收益理论的A型飞机改装翼梢小翼经济性分析

改装翼梢小翼可以有效降低诱导阻力,减少飞机燃油消耗和尾气排放,提高飞机经济性的同时保护环境;然而翼梢小翼通常价格昂贵,在进行翼梢小翼改装项目时,需要对翼梢小翼进行经济性评估。以 A 型飞机改装翼梢小翼为例,运用成本收益理论,建立 A 型飞机改装翼梢小翼经济性评估模型,分析平均航段距离、飞机平均日利用率、付款方式、贴现率等因素对翼梢小翼投资回收期的影响规律。结合实例评估分析某航空公司 A型飞机改装翼梢小翼的经济性,为航空公司改装翼梢小翼预先的投资回收期计算分析提供参考依据。     

An experimental investigation on static directional stability

A generic aircraft usually loses its static directional stability at moderate angle of attack (typically 20–30?). In this research, wind tunnel studies were performed using an aircraft model with moderate swept wing and a conventional vertical tail. The purpose of this study was to investigate flow mechanisms responsible for static directional stability. Measurements of force, surface pressure and spatial flow field were carried out for angles of attack from 0? to 46? and sideslip angles from ?8? to 8?. Results of the wind tunnel experiments show that the vertical tail is the main contributor to static directional stability, while the fuselage is the main contributor to static directional instabil-ity of the model. In the sideslip attitude for moderate angles of attack, the fuselage vortex and the wing vortex merged together and changed asymmetrically as angle of attack increased on the wind-ward side and leeward side of the vertical tail. The separated asymmetrical vortex flow around the vertical tail is the main reason for reduction in the static directional stability. Compared with the wing vortices, the fuselage vortices are more concentrated and closer to the vertical tail, so the yaw-ing moment of vertical tail is more unstable than that when the wings are absent. On the other hand, the attached asymmetrical flow over the fuselage in sideslip leads to the static directional instability of the fuselage being exacerbated. It is mainly due to the predominant model contour blockage effect on the windward side flow over the model in sideslip, which is strongly affected by angle of attack.     

超声速细长飞行器前置小翼展开过程的非定常特性

针对大长细比飞行器外形超声速大迎角条件下前置小翼展开过程引起的非定常问题,应用结构动网格技术和基于脱体涡模拟（DES）的非定常数值模拟技术进行了研究,获得了详细的小翼展开过程流场结构非定常变化特性,并分析了小翼展开引起的法向力、纵向压心系数等气动特性随展开角度的变化规律。研究结果表明：超声速大迎角条件下前置小翼展开过程对小翼附近区域以及尾舵区域产生了强烈的干扰影响。小翼完全展开后,压心前移4.1%,降低了飞行器静稳定性,法向力系数增加15.6%,提高了气动过载,对飞行器机动性能均产生有利影响。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

升力体布局飞行器偏航气动增稳方法研究

针对升力体飞行器偏航弱稳定性问题,提出了一种基于当地侧向流动膨胀/压缩原理的偏航气动增稳方法.通过对升力体后体侧缘进行曲线切削,造成切削表面流动先膨胀后压缩的气动效应,从而使得侧向气动力后移,以此实现航向压心后移、偏航静稳定性提高的目的.采用数值方法对单锥升力体布局进行了方法验证,算例表明较小的侧面切削可以大幅提高中小攻角状态偏航静稳定性,但也同时会不同程度地降低飞行器纵向静稳定性、升阻比以及横侧静稳定性.本方法在改善升力体布局航向静稳定性的同时,具有不带来航向附加气动安定面的优点,可引入相关布局设计优化之中.     

弯折翼尖对飞翼布局飞机气动特性影响

为提升无尾飞翼布局飞机航向控制能力,以典型飞翼布局飞机模型为研究对象设计了翼尖可绕弦线方向偏转结构。基于FL-14风洞单自由度动态试验系统开展了静态和动导数试验,研究了飞翼布局飞机基本气动特性及翼尖偏转对全机气动特性的影响。结果表明：无尾飞翼布局飞机航向呈静不稳定,航向动稳定性极弱,航向增稳设计及控制很有必要;翼尖偏转有助于增强飞机的航向静、动稳定性,并很好地解决了传统阻力类舵面航向增稳时导致全机升阻比下降气动效率降低的问题;翼尖偏转能够有效改善飞翼布局飞机恶化的荷兰滚模态使之趋近于常规布局飞机模态,这有利于简化飞机横航向控制律设计方法。弯折翼尖结构具有舵面少、效率高的特点,是航向增稳的有效手段,具有应用价值。     

鸭式布局地效飞行器纵向静稳定性数值研究

针对地效飞行器纵向静稳定性这一重要技术问题,应用数值模拟的方法对鸭式布局地效飞行器的纵向静稳定性进行了研究。首先对传统布局与鸭式布局纵向静稳定性的特点进行了对比分析;然后,通过改变前置鸭翼展弦比分析其对纵向静稳定性的影响。研究结果对地效飞行器的气动布局设计和研究有一定的指导和参考价值。     

充气机翼的褶皱与失效行为研究

在经典工程梁理论的基础上,结合张力薄膜的应力状态分析,提出充气机翼褶皱失稳的判据。计入表面薄膜褶皱引起的刚度退化效应,将机翼等效处理为一个变截面刚度的梁,建立了充气悬臂机翼的等效梁模型,并采用微分求积法进行充气机翼弯曲变形分析。计算结果与充气机翼的静力弯曲试验结果相吻合,验证了充气机翼弯曲变形分析方法的有效性。应用片条理论引入气动力模型,并与所建立的等效梁模型相耦合,建立充气机翼的静气动弹性耦合模型,并用迭代算法进行求解。考虑起皱和失稳两种判据,并计算获取了试验机翼的起皱动压和皱褶失稳动压形式,计算结果与风洞试验结果一致。根据所建立的充气机翼静气动弹性分析方法,可以预测充气机翼表面褶皱区的扩展和弯曲变形,进而绘制充气机翼的静气弹许用包线,为充气机翼的设计提供必要的安全边界参考依据。     

折叠机翼变体飞机纵向操纵性与稳定性研究

针对一种飞翼布局折叠机翼变体飞机方案,建立了相应的研究模型,使用涡格估算方法计算出机翼折叠角度对全机纵向静稳定性的影响.利用飞机纵向小扰动运动方程,分别得到了机翼展开和折叠状态的长、短周期模态,并对其动稳定性进行了讨论.结合工程估算方法和风洞试验方法,计算出内段机翼折叠过程全机力矩系数、升降舵操纵导数以及升降舵配平偏角...     

扑翼非定常运动对平尾影响及俯仰力矩特性研究

为了研究微型扑翼飞行器尾流对其平尾设计、飞行器稳定性以及飞行控制的影响,选取微型扑翼飞行器ASN-211为原模型,采用将其简化为二维的前后串列翼模型进行具体计算和分析。首先以Fluent动网格技术为背景,在用户自定义函数控制扑翼的非定常运动条件下进行不可压、非定常二维流动的计算,并研究在扑翼非定常运动条件下的模型的俯仰力矩特性。然后通过计算不同来流攻角、扑翼扑动频率、扑翼与平尾间距以及不同力矩中心下扑翼、平尾及总的力矩系数,讨论各个参数对力矩特性的影响。最后得出不同的扑翼扑动频率以及扑翼与平尾间距将会对平尾与扑翼的俯仰力矩间的相位差产生影响,所得结论为扑翼飞机的重心布置设计提供参考。     

机翼复合材料加筋壁板结构的优化设计

为了提高机翼复合材料加筋板结构的承载效率,把总体屈曲载荷、局部屈曲载荷和静载荷相等作为最优化设计准则,利用稳定性效率因子图和复合材料稳定性分析方法实现机翼复合材料加筋板结构的初步优化设计。利用编写的PCL二次开发程序进行参数化建模分析,可以较快地得出不同材料和载荷情况下的稳定性效率因子图。结果表明:通过稳定性效率因子图结合复合材料加筋板结构的稳定性分析方法,可以较快实现机翼加筋板结构的初步优化设计,所得结构具有相对较高的承载效率。