某复杂构型飞机偏航-滚转耦合运动非定常气动力特性实验研究

在 FL-8风洞中设计并制造了一套双自由度大幅振荡实验系统,不仅能模拟飞机单自由度机动历程,还能实现模型绕体轴的偏航-滚转耦合运动及俯仰-滚转耦合运动。本文通过适当的实验设计,基于运动时间历程的影响分析,在振荡平衡位置定量地研究耦合因素对偏航-滚转耦合振荡运动中非定常气动力特性的影响。结果表明,当振荡运动平衡位置迎角远小于失速迎角时,偏航-滚转耦合运动的气动力等于单自由度运动相应气动力的线性叠加,平衡位置迎角在失速迎角附近时,非定常气动特性受耦合因素影响显著,而平衡位置迎角在远大于失速迎角时,非定常气动特性受耦合因素影响变小,但仍然较大。     

高速风洞大振幅俯仰动态试验技术研究

在高速大迎角时的动态气动特性是衡量新一代高机动飞行器气动性能的重要参数之一。笔者介绍了在CARDC的FL 21与FL 24高速风洞配套的大振幅俯仰动态失速实验系统。该系统包括:FL 21与FL 24高速风洞大振幅俯仰运动机构;俯仰运动控制系统;数据采集与处理软件系统。该系统可以在高速风洞中真实模拟飞行器大振幅俯仰运动,并测量其相应的非定常气动力的变化,也可以为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。试验研究初步揭示了航天飞机OV102模型高速大迎角俯仰运动的动态气动特性。     

滑流对飞机俯仰静稳定裕量影响及平尾优化研究

螺旋桨飞机的滑流是影响飞机气动性能的重要因素。某飞机初始方案试验数据表明:在起降构型大拉力情况下，该机存在中小迎角俯仰静不稳定现象，严重影响飞机飞行安全。为提高飞机中小迎角俯仰静稳定裕量，通过对飞机气动数据的深入研究，对俯仰静稳定裕量降低的原因进行了分析，结果表明:中小迎角出现俯仰静不稳定的主要原因是迎角变化过程中平尾进出滑流影响区，导致平尾效能出现明显变化。结合飞机布局特点，提出了降低平尾高度的方法，减小动力不利影响。经试验验证，该方法能明显改善飞机中小迎角下俯仰静稳定性，有效扩展飞机小迎角俯仰稳定范围，使其满足总体设计要求。     

非对称飞行器级间分离时喷流干扰特性试验研究

针对非对称飞行器在稠密大气层内级间分离时喷流干扰下的气动特性问题,采用捕获轨迹试验的网格测力技术和喷流试验技术相结合的试验方法,进行了风洞试验研究,研究了在不同来流马赫数、不同迎角、级间分离时一级与二级不同相对位置以及有无喷流状态下的气动干扰特性.详细论述了模型在风洞中的支撑方式、试验方案、喷流模拟参数的选择等,给出了典型试验结果,并进行了详细分析.结果表明:无喷流时,级间分离过程中的干扰流场使二级飞行器法向力减小,产生抬头俯仰力矩;喷流干扰则使法向力进一步减小,使抬头俯仰力矩进一步增大.试验结果已成功应用于某飞行器飞行试验中,试验数据精度满足工程要求,并被飞行试验验证.     

有翼航天飞行器高速动态气动特性试验研究

在CARDC0.6m×0.6m高速风洞中进行了航天飞机类模型的动态失速试验。在M数为0.4～1.2,迎角为0°～75°范围测量了模型的动态气动特性,研究了各种运动参数对动态气动特性的影响。结果表明,在试验范围内,俯仰振荡引起了不同程度的气动迟滞现象,各运动参数对模型的动态气动特性都有重要影响,仅在迎角约为20°～40°时,非定常法向力增量存在,相应的非定常效应较明显。     

翼型大迎角振动对气动性能影响的实验研究与初步分析

通过在NF-3低速风洞专门研制的翼型模型及相应的俯仰和沉浮振动机构,选用NACA0012翼型进行大迎角下不同频率的振动实验,研究了模型振动平均状态下对其气动力特性的影响情况,并在N-S方程基础上对振动流场进行了初步分析.实验与计算研究的结果表明:在临近定常失速迎角的大迎角条件下,翼型的振动可以引起旋涡分离,导致翼型升力减小和失速迎角的提前.就所涉及的两种振动模式而言,俯仰振动的影响大于沉浮振动,所以,模型设计和加工时要特别注意加强机翼弦向的扭转刚度.     

某运输机加装失速条气动特性研究

为改善某运输机着陆襟翼构型失速急剧滚转问题，采用数值计算和风洞实验方法优选了机翼失速条的外形参数，并对气动力和流场特性进行了研究分析。以失速条高度H和安装位置距离前缘的长度S为设计变量，采用求解RANS方程的方法研究了失速条对着陆构型翼型二维特性的影响，表明S越小（即越靠近上翼面)失速迎角提前越多，H增大也能使失速迎角提前但敏感性小于S。失速条后方产生了分离气泡且随迎角增加而逐渐增大增长，在破裂后导致翼型失速提前，使升力线出现圆弧形的失速特征。设计了4种失速条在机翼上的平面布局方案，通过缩比模型风洞实验验证表明:40%半展长处展向长度2m，S=0的失速条使升力线由急剧失速变为平顶型失速并消除了失速后的不对称滚转力矩，将此失速条展长缩小一半的2种方案也不同程度地改善了失速形态，15%半展长处失速条对失速特性无明显改善，主要原因是气流分离从约40%半展长处开始发生，失速条安装在这一展向位置时才能发挥作用。     

旋翼翼型动态失速等离子体流动控制试验研究

翼型动态失速是指机翼或叶片的当地迎角呈现周期或急剧变化时绕流附面层大范围分离带来的一种强烈的非线性、非定常流动现象。动态失速涡脱离翼型后缘流向下游时,会引发升力急剧下降、阻力迅速增大的失速和颤振问题。基于旋翼翼型两自由度动态试验装置和高频高速振荡试验装置,以典型旋翼翼型为研究对象,利用纳秒脉冲激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,在FL-11风洞和FL-20风洞开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究,试验最高雷诺数突破1.7×10⁶,模型最高振荡频率突破10 Hz。试验结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,减小俯仰力矩负峰值,减小气动力/力矩随迎角变化的迟滞区域。     

低速振荡三角翼气动特性研究

对后掠角７０°尖前、后缘三角翼进行了低速风洞试验。用五分量内式应变天平测量了静、动态气动力。考核了动态试验装置、测试系统和数据采集／处理方法。模型静态法向力测量结果跟文献［１］实验符合;在一定折合频率范围内作大振幅动态运动时,法向力和俯仰力矩出现过冲量;动态失速延迟;上仰和下俯运动产生的气动载荷形成滞后环。用俯仰气动阻尼表示滞后度并确定振荡稳定特性。文中还对实验结果用傅里叶分析作了预测,二者趋势一致。     

失速教学

飞行员一般不在超过失速警告的大迎角下进行过多的训练，因而对飞机在失速后的特性并不十分了解和熟悉。本以TB20飞机为例，认为在理论教学中消除学员对失速现象有的模糊和错误概念，在飞行教学中教会学员检查飞机的失速速度，体会其失速特性，掌握预防意外进入失速及正确改出失速状态的方法，就可帮助学员建立起正确的失速概念。     

操纵面作动对无尾布局无人机纵向气动特性的影响

通过风洞测力实验,研究了不同操纵面作动对某无尾布局无人机纵向气动特性的影响.实验结果表明:升降副翼以及襟副翼正向偏转都会使全机升力系数、阻力系数以及低头力矩增加.升降副翼作动引起的增量要高于襟副翼,并且舵偏角度越大增量越大.全动翼尖作动对全机纵向气动特性基本没有影响.在线性段,鸭翼作动对升力系数和阻力系数影响不大;线性段之外,鸭翼作动使得升力系数和阻力系数减小.迎角α<16°以及α>38°时,鸭翼正向作动使得低头力矩减小,负向作动使得低头力矩增加.操纵面作动对低头力矩的控制效率由高到低依次为:升降副翼、襟副翼、鸭翼和全动翼尖.进一步分析表明不同操纵面的控制效率与舵容量系数具有较大关系.     

用推力矢量控制技术改进超声速飞行器空气动力特性

为了提高某超声速飞机的空气动力学效率和机动性能，本文采用低阶的三维板块法和DATCOM半经验公式，在亚声速和超声速条件下，对不同马赫数和迎角情况计算了基本气动外形的飞机空气动力学特性、表面压力分布以及最大升力。此外还开发了一套软件以实现由引进的先进气动操纵面（如鸭翼等）控制的二维推力矢量技术。试验结果表明：气动操纵面结合推力矢量技术能够产生足够的低头力矩，且有能力满足高度机动飞行时的稳定性要求。此外，不论是亚声速还是超声速飞行，气动操纵面均可以提高气动效率5％-6％。     

非线性逆在ASTOVL控制系统中的应用

研究了先进短距起飞垂直着陆飞机（ASTOVL）的飞行／推进控制系统的控制律，基于解和掌握气动舵面和推力矢量舵面控制下的飞机数学模型，应用非线性动态逆理论，为ASTOVL飞机从巡航到悬停阶段的飞行，设计了推力矢量控制器和俯仰控制器，以合理地分配飞机上的力和力矩，使得俯仰姿态速度和法向速度的控制在推进系统性能包括线范围内是近似线性和解耦的，最后以ASTOVL飞机悬停阶段的数字仿真曲线为例，证明了所设计的两个控制器是可行的，基本上达到了设计要求。     

螺旋桨滑流与平尾深失速效应耦合影响试验研究

本文采用螺旋桨飞机动力模拟风洞试验技术，研究常规布局涡桨飞机的螺旋桨滑流在大迎角条件下对飞机纵向气动特性的影响规律。中航气动院FL-9风洞中通过伺服电机驱动螺旋桨转动进行螺旋桨动力模拟风洞试验，试验迎角范围0°~50°，试验风速范围为30~50m/s。为了获得大迎角试验数据，常规迎角试验采用常规单支杆进行试验，大迎角试验采用带预弯的支杆进行试验。利用螺旋桨滑流风洞试验研究在大迎角时平尾深失速效应与滑流的耦合影响规律。研究结果表明，螺旋桨滑流会使得试验模型升力和阻力增加，纵向静稳定性降低，并且在大迎角条件下依然满足这些规律。此外，在较大迎角时平尾进入滑流与机翼洗流的耦合影响区域后，滑流会使得平尾失速效应加剧并且平尾更难从失速状态中改出，即受平尾深失速影响的迎角范围会更大且平尾深失速效应加剧。     

基于等离子体合成射流的飞翼布局模型主动流动控制风洞实验研究

为探究等离子体合成射流对三维模型的流动控制效果和机理，在中等展弦比飞翼布局模型前缘布置等离子体合成射流激励器开展低速风洞实验研究。通过六分量天平测力，考察沿弦向、展向不同分布位置的等离子体合成射流对飞翼模型气动力和气动力矩的作用；采用PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）测量模型表面流场分布，研究等离子体合成射流流动控制机理。结果表明:在飞翼模型单侧布置等离子体合成射流，能够有效改善其气动特性，并能产生附加的滚转力矩，滚转力矩系数变化量最高达到0.009；在飞翼模型左右弦布置等离子体合成射流，能显著增强飞翼模型横向稳定性，滚转力矩系数波动范围减小66.7%。沿弦向，等离子体合成射流位置离前缘越近，控制效果越好，距前缘0mm的激励器控制效果最好；沿展向，布置的等离子体合成射流越多，对模型的升力特性改善作用越明显，布置方式以均布为优。在失速迎角前后，等离子体合成射流的流动控制机理不同:在小迎角下，等离子体合成射流在前缘起到了使转捩提前的作用；在失速迎角附近，则加速了分离区的流动、减小了分离区厚度。     

一种水平尾翼流动控制装置的实验研究

某型机采用上单翼低平尾布局,在着陆襟翼小迎角状态时平尾下翼面翼根部位出现局部气流分离,导致飞机振动,力矩特性出现异常变化。本文提出的解决方案是在平尾翼根前方0.12倍根弦长,下方0.30倍根弦长位置的机身上加装一对小展弦比负弯度小翼作为涡流发生器/导流片,一方面加速了后方分离区边界层与外流的能量交换,另一方面利用其上洗作用降低了平尾翼根区域的局部负迎角绝对值。通过数值计算和风洞实验研究表明,优化后的导流片使平尾分离区面积缩小50%,小迎角俯仰力矩拐点推迟4°以上,以较小的性能和结构重量代价解决了局部气流分离问题,拓展了飞机飞行边界。     

钝锥动态转捩风洞试验

钝锥飞行器俯仰振动时，非对称边界层转捩区前后移动相对于俯仰角运动的滞后将产生显著的非定常气动效应，导致飞行器俯仰动稳定性降低，严重时甚至会导致运动失稳。将基于气浮轴承的动态试验技术与转捩红外测量技术相结合，建立了钝锥动态转捩风洞试验技术。该技术采用气浮轴承提供俯仰运动自由且阻尼极低的支撑环境，采用红外热像仪实时测量飞行器表面整体转捩状态。开展了9°钝锥标模动态转捩试验，研究模型绕俯仰轴转动时边界层转捩区前后移动的非定常气动作用与飞行器运动的耦合效应。测量试验观察到了动态转捩试验迎角振荡现象，并发现了转捩区前后移动相对于迎角振荡的滞后现象，获得了转捩滞后时间。     

(鱼参)科类鱼尾模型的巡游推进特性实验研究

通过对不同形状运动尾鳍模型的测力实验,研究了鱼 参科鱼类巡游时尾鳍的推进特性.结果表明:模型转动与平动间的相位差对模型受到推力的大小及方向有显著影响,在转动滞后平动90°附近模型受到较大推力.对于五种不同的尾鳍模型,虽然形状各异,但它们受到的平均推力正比于无量纲二阶矩与模型面积的乘积.     

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。