飞机外翼段大尺度剪切式变后掠设计与分析

飞机大尺度全局变形过程中存在诸多需要研究的基础问题,为此构建了研究平台并开展了实验研究。基于飞行器机翼"旋转变后掠"与"剪切变后掠"的气动特性计算结果,设计了气动特性相对较优的飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式;研制了基于可控变形结构与连续变形规律的实验模型;进行了风洞实验研究。结果表明:本文研制的剪切式变后掠飞机在蒙皮、结构、驱动、控制等方面满足气动特性研究的需求;其准定常气动特性曲线显示出变后掠的较大气动效益;其非定常气动特性曲线呈现出滞回环,原因可能在于"机翼附加速度效应"和"流场结构迟滞效应"。     

变展长战术导弹非定常气动特性研究

以某轴对称基准弹为模型,通过数值模拟对其进行了准定常和非定常气动特性研究,探索可变翼飞行器在变展长过程中的非定常气动特性。结果表明:在弹翼连续变展长的过程中,非定常气动特性曲线在对应的准定常气动特性曲线周围形成滞回环,若来流马赫数增大,则滞回环变小。当来流为超声速时,轴对称基准弹飞行迎角和变形周期对其非定常气动特性影响较小,而非定常气动特性并不显著,接近于准定常气动特性,在可变翼飞行器设计过程中可以忽略不计;当来流为亚声速时,展长变化对非定常气动特性有一定的影响,不能忽略。     

柔性变后掠飞行器非定常气动特性数值研究

为研究柔性变后掠飞行器变形过程中的非定常气动力,对柔性变后掠飞行器进行了非定常数值仿真。首先分析了柔性变后掠飞行器在特定后掠角下的定常气动特性,接着选用三种变后掠周期进行了非定常计算,分析了不同变后掠速度对飞行器气动特性的影响,以及定常与非定常气动特性的差别,并研究了这种差异产生的原因。结果表明:柔性变后掠飞行器通过后掠角的改变可以使实时气动性能达到最优;不同变后掠速度引起的气动力差异不大;定常气动力与非定常气动力最大差异不超过7%,其差异主要是由于机翼上气动力的差异引起;非定常计算的升力、阻力系数大于定常结果,俯仰力矩系数与定常计算值差异不大。非定常气动力的产生机理是由于机翼的附加速度所引起的,与流场迟滞无关。总体上看,攻角小于14°时,小后掠可以取得较大的升力、阻力系数;大于14°攻角,大后掠的升力、阻力系数较大;所有后掠角均在4°攻角处取得最大升阻比且小后掠角的升阻比较大;当升力系数小于1.28时,小后掠角产生较小的阻力系数,超过这一数值,大后掠角的阻力系数较小。     

基于质心稳定的仿生变后掠翼最优变形规律研究

鸟类飞行中翅膀手翼和肘翼段的协同变形模式,为解决大展弦比无人机变形过程中质心和焦点的复杂偏移问题提供了有效途径。基于MQ-9无人机的反设计及变形机翼改型设计结果,建立了4个内、外段不同展长比例的机翼模型。基于结构设计结果,确定了质心稳定情况下内、外段后掠角协同变化规律及变形过程中纵向静稳定度的变化情况。基于CFD技术,对翼身组合体进行气动力计算,构建代理模型并结合遗传算法对计算结果进行全局寻优,探究仿生变后掠翼无人机的最优飞行状态及变形规律,选定最优仿生变后掠翼模型。分析结果表明:中、低亚声速范围内,仿生机翼的最优后掠角随马赫数变化曲线的波动程度大于传统单段式机翼;内、外段机翼展长比例对气动特性及最优变形规律影响较大,选则合适的比例可以有效减小最优机翼后掠角及对应的迎角变化曲线的波动程度。     

共性半环翼跨介质航行器变体气动特性研究

基于一种特殊的双层半环形闭合翼构型,利用流体仿真软件对该构型跨越水空介质后变体过程中的不同状态进行了仿真,并对其非定常气动特性进行了分析;比较了特定条件下非定常状态和定常状态的气动参数随折叠角的变化曲线,得到了机翼展开和回收至不同角度的压力和速度分布云图以及对应位置的压力分布曲线;研究了不同变体速率对机翼变体的非定常气动特性的影响,并提出了附加动力学影响、流场迟滞影响等物理效应来解释该构型的非定常气动特性的形成原理。仿真结果表明,机翼回收过程的气动参数大于定常状态,展开过程气动参数小于定常状态,变体速率越大,非定常效应越明显,产生这种差异的原因是来自于流场迟滞的影响。     

可变形翼型超声速非定常气动力的研究

由小扰动线化方程出发,利用基于格林公式的边界元方法求解二维超声速流动速度场,进而对变形翼型气动特性进行理论分析和数值计算。计算结果显示虚拟质量力导致的非定常附加升力对厚度变化远比弦长或弯度变化敏感;弦长或弯度变化诱导的非定常效应影响很小,此时非定常气动升力和准定常气动升力近似相等,和不可压缩或亚声速时相类似,变形翼型的非定常气动升力近似等于准定常计算结果叠加上非定常附加升力,与具体的变形历史过程无关。同时还分析了超声速时翼型往复变形时的气动特性,和亚声速情况完全不同,随着马赫数升高,完成往复变形所需要外界输入的功逐渐减小,趋近一个常值。另外翼型完成往复变形所需做的功将不依赖于来流攻角,且与翼型参数的变化加速度a存在简单的数学关系:A ∝a～(1/2)。     

Z型翼变体飞机的纵向多体动力学特性

机翼变形时,变体飞机的翼面积、惯性特性、全机焦点和重心位置等均会发生较大的变化,从而引起飞机的动态特性也随之改变。为此对机翼变形过程中的Z型翼变体飞机进行了纵向多体动力学建模仿真;推导了变形过程中变体飞机的六自由度非线性动力学方程,并通过简化得到了解耦后的纵向动力学方程。机翼折叠动态过程的气动特性数值模拟结果表明,不同折叠角速度下飞机的气动力相差不大。在机翼折叠角速度较小且忽略非定常气动效应的情况下,采用气动力准定常假设对变形过程中不同机翼折叠角速度下变体飞机的纵向响应进行了数值仿真,并研究了重心位置移动和气动特性变化对飞机变形过程动态特性的影响规律。结果表明,折叠过程中气动特性的变化是影响飞机动态特性的主要因素,机翼折叠后飞机的速度和迎角增加,且飞行高度下降较大。     

变形飞机动态气动特性数值模拟研究

根据近年来国内外提出的折叠翼变形飞机方案,设计了一种折叠翼变形飞机的3D数模,利用作者发展的动态混合网格技术和非定常计算方法,对该折叠翼变形飞机机翼折叠和展开过程中的动态气动特性进行了数值模拟,并与准定常计算结果进行了对比分析.计算结果表明:机翼在展开/折叠的过程中,飞机的气动特性会发生剧烈变化,在变形飞行控制率设计时需要引起高度的重视.     

螺旋桨滑流对菱形翼布局无人机气动的影响

采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navior-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）方法对带桨状态的低雷诺数菱形翼布局无人机（UAV）的气动特性进行了准定常数值模拟,通过对无人机带桨状态和干净构型的气动力系数及流场结构特性进行对比分析,研究了螺旋桨在不同安装位置时其滑流对菱形翼布局无人机气动特性的影响。研究结果表明,螺旋桨滑流并不总能提高无人机的升力特性;螺旋桨安装在机头及前翼时后翼受到螺旋桨滑流形成的组合涡系的影响,其气动性能有较大的变化;螺旋桨滑流对机翼的增升作用还受到机翼掠角和螺旋桨旋转方向的影响;受布局特性影响,当安装位置远离焦点时,螺旋桨滑流对无人机的俯仰力矩特性影响较大。     

弹性飞行器大机动飞行气动特性分析

针对两种不同气动布局的前、后掠翼无人机,采用CFD/CSD松耦合方法,对弹性飞行器承受过载为10和20情况下的气动特性与刚性飞行器进行了对比分析。计算结果表明,与刚性飞行器假设情况相比,考虑过载作用下的弹性前掠翼飞机升力减小、阻力减小;而弹性后掠翼飞机的升力增大、阻力增大;两种气动布局的弹性飞行器与刚性情况相比,升阻比都略微增大,而且俯仰力矩系数明显增大。这对于飞行器纵向气动操纵特性会产生较大影响,同时也说明在大机动飞行过程中计入飞行器的弹性变形是非常必要的。     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

Mechanism analysis of hysteretic aerodynamic characteristics on variable-sweep wings

Variable-sweep wings have large shape-changing capabilities and wide flight envelops, which are considered as one of the most promising directions for intelligent morphing UAVs. Aerodynamic investigations always focus on several static states in the varying sweep process, which ignore the unsteady aerodynamic characteristics. However, deviations to static aerodynamic forces are inevitably caused by dynamic sweep motion. In this work, first, unsteady aerodynamic characteristics on a typical variable-sweep UAV with large aspect ratio were analyzed. Then, deep mechanism of unsteady aerodynamic characteristics in the varying sweep process was studied. Finally, numerical simulation method integrated with structured moving overset grids was applied to solve the unsteady fluid of varying sweep process. The simulation results of a sweep forward-backward circle show a distinct dynamic hysteresis loop surrounding the static data for the aerodynamic forces. Compared with the static lift coefficients , at the same sweep angles, dynamic  lift coefficient in sweep forward process are all smaller, while dynamic sweep backward  lift coefficient are all larger. In addition, dynamic deviations to static  lift coefficient are positively related with the varying sweep speeds. Mechanism study on the unsteady aerodynamic characteristics indicates that three key factors lead to the dynamic hysteresis loop in varying sweep process. They are the effects of additional velocity caused by varying sweep motion, the effects of flow hysteresis and viscosity. The additional velocity induced by sweep motion affects the transversal flow direction along the wing and the effective angle of attack at the airfoil profile. The physical properties of flow, the hysteresis and viscosity affect the unsteady aerodynamic characteristics by flow separation and induced vortexes.     

Aerodynamic characteristics of morphing wing with flexible leading-edge

The morphing wing can improve the flight performance during different phases. However, research has been subject to limitations in aerodynamic characteristics of the morphing wing with a flexible leading-edge. The computational fluid dynamic method and dynamic mesh were used to simulate the continuous morphing of the flexible leading-edge. After comparing the steady aerodynamic characteristics of morphing and conventional wings, this study examined the unsteady aerodynamic characteristics of morphing wings with upward and downward deflections of the leading-edge at different frequencies. The numerical results show that for the steady aerodynamic, the leading-edge deflection mainly affects the stall characteristic. The downward deflection of the leading-edge increases the stall angle of attack and nose-down pitching moment. The results are opposite for the upward deflection. For the unsteady aerodynamic, at a small angle of attack, the transient lift coefficient of the upward deflection, growing with the increase of deflection frequency, is larger than that of the static case. The transient lift coefficient of the downward deflection, decreasing with the increase of deflection frequency, is smaller than that of the static case. However, at a large angle of attack, an opposite effect of deflection frequency on the transient lift coefficient was demonstrated. The transient lift coefficient is larger than that of the static case when the leading edge is in the nose-up stage, and lower than that of the static one in the nose-down stage.     

Delaying stall of morphing wing by periodic trailing-edge deflection

Morphing wings can improve aircraft performance during different flight phases. Recently research has focused on steady aerodynamic characteristics of the morphing wing with a flexible trailing-edge, and the unsteady aerodynamic and stall characteristics in the deflection process of the morphing wing are worthy further investigation. The effects of the angle of attack and deflection rate on aerodynamic characteristics were examined, and based on the aerodynamic characteristics of the morphing wing, a method was developed to delay stall by using the flexible periodic trailing-edge deflection. The numerical results show that the lift coefficients in the deflection process are smaller than those in the static situation at small angles of attack, and that the higher the deflection rate is, the smaller the lift coefficients will be. On the contrary, at large angles of attack, the lift coefficients are higher than those in the static case, and they become larger with the increase of the deflection rate. Further, the periodic deflection of the flexible trailing-edge with a small deflection amplitude and high deflection rate can increase lift coefficients at the critical stall angle.     

变来流速度下旋翼翼型非定常气动特性分析

为分析变来流速度状态下的旋翼翼型气动特性,提出了利用翼型平移来模拟来流速度变化的数值方法.在此方法基础上,采用基于隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss-Seidal)方法的非定常雷诺平均N-S(Navier-Stokes)(RANS)方程,模拟了SC1095旋翼翼型在定迎角 变来流速度及变迎角 变来流速度状态下的非定常气动特性.通过对比分析发现:翼型在变速度-定迎角状态下会表现出明显的非定常现象,产生了前缘分离涡,气动特性会出现明显的迟滞效应及波动现象,脉动速度越大,非定常效果越明显.并且基准速度越大,翼型气动特性的峰值越大；翼型迎角越大,非定常涡出现的也越早.考虑直升机旋翼翼型实际工作环境,在变速度-动态失速状态下,翼型最大迎角处的气动力会得到一定程度的削弱,在小迎角下的气动力得到一定程度的增强,且脉动速度越大,翼型的非定常特性也越强.      

飞翼布局无人机变形机翼设计与模型验证研究

对飞翼布局无人机变形机翼和变形机翼传动机构进行了设计,根据设计结果制作验证模型进行风洞实验和外场飞行试验,以此研究伸缩段机翼对飞行器机翼整体气动性能的影响。结果表明:采用变形机翼技术,可以通过实时控制机翼的气动外形保持较高的气动效率,提高飞机在巡航状态下的升力和高速飞行状态下的机动性,满足飞机在各种任务剖面的战术性能要求。     

三角翼俯仰振荡中若干参数影响的实验研究

本文研究一个 6 0°三角翼以不同振荡频率 ,不同振幅从不同起始迎角进行俯仰振荡的纵向气动力特性 ,研究发现跨越具有不同时间尺度的流态的振荡会产生明显的气动力迟滞现象 ,这一迟滞现象随减缩频率的增大有一个极限值 ;在同一种流态下振荡 ,气动力迟滞现象不明显 ,这一结果对充分利用非定常气动力有指导意义。