运输机T尾布局稳定性影响因素分析

文章重点分析了在NASA进行的T尾布局运输机大迎角气动特性风洞实验研究。实验研究的目的在于探讨并研究T尾布局的运输机变化平尾尺寸、垂尾位置、安定面形状与安装角；发动机短舱的尺寸、位置、发动机挂架形状后的阻力影响；通过改变机翼剖面形状，失速控制装置、襟翼、展弦比以及机翼后掠角；机身剖面形状、尺寸及机身等直段前长度等这些飞机构型设计控制参数对飞机纵向稳定性带来的影响。对研究结果的分析有助于大型军用运输机的初步方案设计工作。     

重心位置与操纵面对尾旋特性的影响

影响飞机尾旋特性的因素是多方面的,诸如气动特性、惯量特性等对尾旋特性都有很大的影响。本文主要通过模型自由飞试验的一些结果分析了重心位置的变化及操纵面的偏转对尾旋特性的影响。通过对试验结果的综合分析得到的结论是:重心位置的弦向(纵向)变化对飞机尾旋特性的影响是不够显著的,而重心的横向变化对尾旋特性的影响则是十分显著的。方向舵、升降舵等操纵面对尾旋特性的影响也是十分明显的。特别值得指出的是升降舵在尾旋中的影响是与操纵时机有关的,在改出尾旋时若不掌握推杆的时机则可能导致相反的结果。     

民用飞机尾旋特性预测与尾旋风洞试验验证

通过查阅资料,收集在不同试验技术条件下研究所获得的不同固定翼飞机的尾旋特性数据,进行分析和比较获得了一些有意义的经验性结论。选取了几架在布局上与飞机A最为相似的飞机进行了尾旋特性的初步预测,并进一步利用飞机在完全发展尾旋条件下的力矩平衡原理,结合作图法(交点法)预测了飞机A在完全发展稳定尾旋条件下的攻角(α)与无因次旋转角速度(λ)。最后利用一个动力相似缩比飞机模型在尾旋风洞中进行尾旋试验研究,所获得的试验结果也印证了上述预测方法的合理性。     

大型飞机研制与模型自由飞试验技术

大型飞机研制过程中需要进行静态测力风洞试验，获得飞机小攻角条件下的气动特性，但对于飞机失速偏离尾旋研究，静态测力试验是不够的，无法获得飞机在失速过程中的动态特性与过渡过程。模型自由飞试验是一种动态试验，是通过飞机缩比模型来研究飞机的失速偏离尾旋问题，包括风洞模型自由飞试验和大气模型自由飞试验。     

大型民用飞机尾旋运动的系统辨识研究

为了研究某常规布局大型民用飞机的尾旋特性，首次利用一个满足动力相似的缩比模型在Ф5m尾旋风洞中进行研究试验，利用机载传感器所采集的模型运动参数来研判飞机模型的尾旋特性。目前，对于此类飞机模型尾旋运动中所承受的气动力矩研究还十分缺乏，以飞机模型尾旋试验结果为基础，采用飞机六自由度运动学方程来还原模型在尾旋运动中所承受的气动力矩系数，同时利用常规风洞测力试验结果来检验所还原的气动力矩系数的可靠性。进一步采用多元高次方程对模型尾旋运动进行了系统辨识研究，建立了能辨识飞机在尾旋运动条件下的气动力矩系数的数学模型，成功的辨识了重要的气动力系数的导数(Cmα,Cmδe,Cmq,Cnβ,Cnδr,Cnr,Clβ,Clδr,Clp)，与相关参考值比较显示其结果具有较高的可信度。     

飞机在尾旋中侧滑和坡度的分析

分析了在飞机在尾旋中产生侧滑和坡度的根本原因，论述了侧滑和坡度在尾中的变化的规律，影响侧滑和坡度的因素，以及侧滑和坡度变化对尾旋动态的影响，同时就尾旋中偏滚对尾旋侧滑的影响，绕铅垂旋轴对坡度的影响等进行了讨论分析，最后通过分析ＪＪ６飞机和ＪＪ５飞机尾旋的测试曲线，进一步说明了ωｘ和ωｙ对坡度的影响，可为飞行员掌握尾旋特性，提高飞行技术和保证飞行安全提供参考。     

局部构形改变对尾旋特性的影响

在完成了某型飞机模型自由飞失速／尾旋特性试验研究的基础上，改变飞机局部构形，加装腹鳍和翼刀，进行其失效／尾旋特性探索性试验。着重介绍试验的情况以及几种改变的不同组合对尾旋模态的影响，为设计部门更改设计提供了依据。     

大型民用飞机模型Ф5m立式风洞尾旋特性试验研究

为了研究某常规布局(大展弦比、后掠翼、翼吊式发动机)大型民用飞机的尾旋特性,制作了一个满足动力相似准则的无动力缩比模型,在Ф5m立式(尾旋)风洞中首次进行了大型民用飞机模型在不同构型、不同重心位置、不同重量、模拟不同飞行高度条件下的尾旋研究试验。试验结果表明,这架飞机的尾旋特性良好,模型在尾旋运动中比较稳定,旋转方向不发生改变,且旋转速度较慢。采用反舵(到底)推杆(到底)法可以满足所有状态下的尾旋改出,模型最快能够在不超过1/2圈或1s中改出。此种改出方法操作简便,是一种适合于大型民用飞机的尾旋改出方法。通过反尾旋伞试验确定了最佳的反尾旋伞参数。     

尾旋预测技术

研究了旋转气流环境中快速鉴定飞机气动特性的兰利尾旋风洞中的旋转天平设备。设计者为获得机内旋转天平数据图表，预测稳定尾旋模型并同时获取数据，可在现场研究高抗尾旋形态，如果尾旋特性用于特技飞行或训练，就可演示所希望的尾旋特性。旋转天平数据也用于计算随时间变化的最初阶段、发展阶段和改出尾旋阶段。本文介绍和讨论这些尾旋分析技术：旋转天平数据评价，稳定尾旋平衡预测，大角度、六自由度随时间变化的计算。     

民用飞机反尾旋研究与尾旋风洞试验

为了研究某民用飞机A采用舵面组合偏转法的尾旋改出特性,对大攻角静态测力试验结果进行了详细分析,并利用美国NASA兰利研究中心所研发的TDPF～[(I_x-I_y)/mb~2]判据法对飞机的尾旋改出特性进行了评判。通过尾旋风洞试验对采用舵面组合偏转法飞机尾旋改出特性进行了试验验证,试验结果表明反舵推杆法对常规布局运输飞机改出尾旋效果最佳。此外,为了提高飞机的试飞安全,需要加装反尾旋伞系统,而研制一款合适的反尾旋伞对保证飞机试飞安全是至关重要的。通过使用国际上公开的研制反尾旋伞资料中所提供的方法研制了不同面积大小,不同伞绳长度的反尾旋伞,并通过尾旋风洞试验检验了这些反尾旋伞的效果。结果显示:随着反尾旋伞面积的增大,改出效果越好;中等反尾旋伞伞绳长度改出尾旋效果最佳。     

民用飞机尾旋研究不同试验方法的比较

飞机的失速尾旋问题是飞机设计者在研发阶段所需要关注的重点之一,截至目前,已有多种手段可以采用,譬如数值计算、风洞试验、模型自由飞试验等。针对飞机尾旋的研究通常在尾旋风洞中进行,采用的试验手段有两种:自由尾旋试验和旋转天平试验,这两种试验原理和方法不同,但都能从不同的角度反映出飞机的尾旋特性。详细阐述了两种试验方法的过程和原理,通过实例表明了两种试验的结果是相辅相成的。     

连翼机低速气动特性实验研究

 连翼机具有前、后机翼,前翼后掠上反,后翼前掠下反;后翼在前翼展60％～100％之间与前翼相连。其前视图和俯视图均构成菱形。在低速风洞中对连翼机进行了纵向及横向测力实验,其中包括前、后翼几何参数改变对气动特性的影响。实验表明,与常规飞机相比连翼机具有如下优点:诱导阻力小,升阻比大且具有较好的失速特性。改变连翼机前翼上反角和后翼下反角对纵向气动特性影响不大,对横向气动特性有明显影响。减小前翼外段的后掠角可使俯仰特性得到改善。     

发动机内部流量对飞机尾旋特性的影响研究

为了研究某型民用飞机的高涵道比发动机不同内部流量对飞机尾旋特性的影响,首次通过在飞机自由尾旋模型的发房内部添加能模拟不同通气流量的堵块,在尾旋风洞中进行自由尾旋试验和改出试验。通过试验发现,添加模拟不同发房通气流量堵块对模型尾旋中的攻角和偏航角速率没有明显的影响,对尾旋改出特性也没有本质的影响;但对模型在尾旋中的滚转角速率和侧滑角有影响,随着通气量的减小和阻塞效应的增大,滚转角速率和侧滑角随时间记录数据的振幅也在增加。而左右发房通气量的不对称对飞机模型的尾旋特性有明显的影响。     

FD09风洞旋转天平试验系统研制

为了分析和预测飞机的尾旋特性,一般通过旋转天平风洞试验测定飞机模型在不同姿态角时绕风轴以不同旋转速率作等速旋转状态下的气动特性。针对上述情况,研制FD09低速风洞旋转天平试验系统,介绍该旋转天平试验系统的设计特点、性能指标,并进行SDM标模和战斗机模型对比验证。结果表明:本试验系统工作稳定可靠,试验结果与参考曲线有较好的重复性,并且本试验系统试验曲线的光滑性要更好一些,同时本试验系统给出的试验数据精度较高,可以用于开展型号试验及相关空气动力学研究。     

飞机螺旋运动测量技术的发展

立式风洞是研究飞机尾旋与尾旋改出的特种设施。由于尾旋试验模型的大小受限于风洞的试验段尺寸和流场的边界条件,较难在模型内部安装测量系统,早期均采用外部系统对处于螺旋运动状态的飞机模型姿态进行捕捉、辨识,进而分析飞机的尾旋特性与改出特性。随着材料科学、智能加工技术和信号传输技术的发展进步,测量系统向模块化、微型化和超微型化发展,使得测量机构能够安置于飞机模型的内部,这样不仅可以实时测量数据并记录,不需要到试验后才进行判读和辨识,而且所测量的数据更加完整。     

边条机翼布局战斗机稳定性改进研究

对边条机翼布局战斗机的纵，横向稳定性改进措施进行了研究，结合具体战斗机布局，给出了边条机翼布局战斗机纵，横向稳定性的一般特征，对前缘襟翼下偏，翼刀，平尾下反和机身截面修形等几种气动布局改进措施的风洞试验结果进行了简要讨论，结果表明，所研究的气动布局改进措施都能有效提高边条机翼布局战斗机的稳定性，其中，前缘襟翼下偏既能完全克服俯仰力矩曲线非线性上翘问题，又能较好地解决横侧向稳定性丧失问题。     

基于数字虚拟飞行的民用飞机纵向地面操稳特性评估

针对民用飞机设计方案纵向地面操稳特性的评估需求,面向适航标准的要求,提出了一种基于数字虚拟飞行的评估方法。基于适航条例要求提出了纵向地面操稳特性的量化判定准则,建立了飞机的地面运动模型和驾驶员操纵模型,以实现起降等特定地面运行任务的数字虚拟飞行,最终依据数字虚拟飞行结果和判定准则对飞机设计方案的地面操稳特性做出评估。应用此方法研究了某大型运输类飞机的纵向地面操稳特性。数字虚拟飞行结果表明:前翻倾向的严重情况发生在起降过程的高速滑行段,主轮刹车引起的机身前翻倾向是显著的,起落架纵向定位参数设计以及飞行进近参数选择均会对飞机的纵向地面操稳特性产生影响。     

Experimental and computational investigation of hybrid formation flight for aerodynamic gain at transonic speed

The influence of the wing-tip vortex of leading aircraft on energy savings, quantified by formation aerodynamic force fraction of the following aircraft, is studied at transonic speed for a matrix of leading aircraft’s vortex locations. The research model adopts the hybrid formation of medium and large aircraft. The leading aircraft is scaled by 2.1%, and the following aircraft is scaled by 1.4%. An aerodynamic benefit “map” is developed to determine the optimum location of the following aircraft relative to the leading aircraft wake and to compare with experimental results, thus validating the use of CFD for the formation flight at cruising speed. The response surface model of aerodynamic gain effect relative to formation parameters is established via numerical calculation and wind tunnel test. The optimal formation parameters and the setting criteria of the study model are optimized. Results show that the wing-tip vortex of large aircraft significantly increases lift and reduces drag on the medium-sized aircraft following it. Reduced drag slightly increases with the flow direction position. With the increase of flow direction distance, the peak area moves from 15% of wing-tip overlap to 20% of overlap. In addition, the maximum drag decreases about 16%, and the maximum lift increases about 12%. The lift drag ratio of the optimal position is increased by 27%, which is twice as large as that of the same scale ratio aircraft formation. Results show that the increase of lift is mainly caused by the increase of suction peak and suction range.