涡桨飞机结冰失速问题研究

2月12日,1架美国大陆航空公司的冲-8Q400涡桨客机在纽约州北部的布法罗市坠毁,再次引起了各国对涡桨飞机结冰失速问题的高度关注。本文介绍了国外对于涡桨飞机失速以及相关问题的研究成果,并给出了对于涡桨飞机结冰失速的正确应对措施和改出方法。     

考虑螺旋桨滑流的涡桨运输机失速速度的适航验证

涡桨运输机使用螺旋桨作为能量输出，滑流是螺旋桨飞机的重要特征，在适航验证时需考虑。失速速度是反映飞机气动特性的重要参数，在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要。分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响，根据涡桨运输机失速速度的适航规章条款CCAR25.103的相关要求，提出了涡桨运输机考虑滑流影响的失速速度的适航验证思路及具体的验证方法。以一型涡桨运输机滑流影响的风洞试验为例，给出了该型飞机在发动机慢车状态下，巡航构型时考虑滑流影响的纵向气动特性试验结果，试验结果进一步证明了在进行失速速度验证时考虑滑流影响的重要性，为失速试飞提供了依据。文中给出的验证方法为涡桨运输机的失速速度以及飞行性能和飞行品质相关的其它适航条款的验证提供了参考。     

涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计研究

对涡桨飞机增升装置设计的特殊性进行了分析,指出了传统增升装置设计方法在涡桨飞机增升装置设计上存在的问题。详细描述了涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计方法的流程,并对某涡桨飞机的多段翼型参数优化设计、短舱/三维增升装置一体化设计及风洞试验结果进行了简要介绍。相对于传统的增升装置设计方法,采用涡桨飞机短舱/增升装置一体化气动设计方法显著提高了涡桨飞机起飞、着陆构型的气动性能。     

低速增升装置失速特性预测研究

民机低速增升装置失速特性是具有挑战性的空气动力学难题之一,决定着飞机起、降阶段机翼处于流动分离或尾迹干扰状态时的操纵稳定性,是气动设计必须关注的重要方面。利用基于N-S方程的自研多块结构网格计算软件和混合网格计算软件,对NASA高升力梯形机翼标准模型开展了失速特性计算研究,系统评估了计算软件、计算网格、湍流模型等主要因素对失速特性的影响,获得了有效预测高升力构型失速特性的计算方案,并将其成功应用于工程实际,为增升装置失速特性计算评估提供了有意义的参考。     

大型飞机襟缝翼自动保护控制律设计与仿真

基于适航标准对飞机起降阶段飞行速度的要求,通过建立飞行速度和襟缝翼偏角关系,设计了大型飞机襟缝翼自动保护控制律,并进行了仿真验证。仿真结果表明,该方法能控制襟翼在飞行员误操纵的情况下自动偏转至合理偏角,避免飞机出现失速和超速的危险状态,并随着飞行速度的变化,使襟翼和缝翼的偏转实现最佳组合,保证获得最大升阻比。     

涡桨飞机有/无动力降落构型的气动噪声预测

以某双发涡桨飞机为对象，采用精细化笛卡尔网格与混合RANS/LES数值模拟，结合FW-H方程的声类比方法，对某涡桨飞机的有动力降落构型和无动力降落构型（均为1/6缩比模型）开展气动噪声预测与对比研究。通过对比分析近场流动结构、机身表面压力分布与压力脉动探测数据、Lamb矢量的散度分布和远场观测点噪声数据，发现对于无动力降落构型，翼尖、襟翼侧缘、襟翼连接件、襟翼与机身连接处等位置的表面压力脉动显著强于其他区域；对于有动力降落构型，除上述区域外，在螺旋桨滑流的干扰下，发动机舱、机翼前缘和襟翼表面压力脉动明显增大。远场噪声观测数据表明，采用的噪声预测方法不仅能够准确捕捉螺旋桨旋转噪声主频，还能够清晰观测到2倍、3倍及4倍谐频。最终结果显示，有动力降落构型的螺旋桨旋转噪声幅值最大，是最主要的噪声源。有动力降落构型相比于无动力降落构型的总声压级要高20 dB左右。因此，建议针对该涡桨飞机降落构型，其降噪设计重点应放在螺旋桨降噪优化设计方面。     

战斗机敏捷性评估方案及其对未来敏捷性战斗机设计的影响

本文的目的是介绍新型战斗机敏捷性评估方案并讨论评估方案对战斗机设计产生的影响，未来空战中要获胜就要求将飞机的机头，武器首先指出敌机，首先指向敌机就意味着具备了先敌发射的机会，全向攻击导弹（如AIM－9L）出现后，就对战斗机提出了指向－发射能力要求，指向敌机后全向攻击导弹可以从任意方向发射，其中包括飞机迎面遭遇情况，飞机速度较低时，未来战斗机可以利用它在较大过失速迎角（可达90°）下飞行的能力来提高其机头指向能力，未来过失速技术（PST）战斗机的操纵需要推力矢量动力装置和相应的操纵技术，它们使飞机具有了过失速机动能力，文章分析了战斗机的敏感性，并在大于和小于失速迎角这两个范围内评估了它对设计的影响，介绍了一些战斗机敏感性评估方案，在小于失速迎角范围内，用于表征俯仰敏捷性的参数有指向裕度（PM），相对能态（V／Vc)和作战循环时间（CCT），用于表征滚转敏捷性的参数有后向间隔距离（RSD），在大于失速迎角范围内，确定出的关键性能参数为迎角变化率能力，以较大的迎角变化率进入的过失速机动在发射位置具有更长的时间－这是一个性能优势，形成俯仰和偏航矢量控制功率需求设计曲线的假设前提是仅使用推力矢量就有可能实现过失速迎角下飞机的操纵，讨论了应用敏捷性（一般情况下和过失速情况下）方案对未来战斗机设计的影响。     

水陆两栖飞机方向舵附面层控制研究

水陆两栖飞机采用增升手段降低起降速度后,需要提高方向舵的操纵能力。将吹气式附面层控制方法应用到水陆两栖飞机的垂尾上,建立其二维模型并进行数值模拟,设计垂尾安定面与方向舵之间的缝道挡板,防止迎风一侧的高压气流冲击背风面、阻碍吹气气流附着;研究垂尾安定面后缘和前缘吹气共同作用的组合吹气方案,防止方向舵较早失速。结果表明:垂尾采用吹气式附面层控制之后,结合缝道挡板和组合吹气,方向舵操纵能力可提高1倍左右。     

一种翼身融合飞行器的失速特性研究

翼身融合（BWB）布局飞行器作为下一代商用飞机的主要构型之一，越来越受到重视。对于翼身融合飞行器的研究主要针对其巡航状态的特性，而对其失速特性的研究较少。对一种翼身融合客机构型进行风洞试验研究，采用测力试验方法对其无增升装置的构型，以及具有翼梢小翼、前缘缝翼和机身上部双吊舱的组合部件构型下的纵向特性进行研究，特别是对其失速特性的分析，并通过二维粒子图像测试技术以及油流试验对其失速过程的流动机理进行研究。结果表明，无增升装置的基本构型下，翼身融合飞行器可以保持低速飞行，而各组合构型都具有提高最大升力系数的作用。对失速过程的分析表明，随着迎角的增大，飞机表面流场分离区域从翼梢开始逐渐向翼根以及机身发展，当外翼段完全处于分离区域时，飞机并不会马上失速，因为中心体同样具有提供升力的作用，且中心体的流动分离较外翼的流动分离更晚，所以当外翼在失速迎角出现升力损失时可以通过中心体的升力进行补偿，维持其低速飞行状态，真正的失速发生在中心体出现流动分离之后。     

螺旋桨旋转方向对飞机俯仰力矩特性的影响

为了找到一种改善低平尾涡桨飞机中小迎角下纵向静稳定度的方法，采用数值模拟手段研究了螺旋桨旋转方向对飞机俯仰力矩特性的影响。基于动态面搭接网格技术和非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程，首先对某T尾双发涡桨飞机进行了计算，验证了方法的精度和可靠性，然后对同向旋转（CO）、对转-内侧上洗（CNIU）和对转-外侧上洗（CNOU）3种低平尾涡桨飞机构型开展了数值模拟，分析了各构型的俯仰力矩变化特点及流场细节。研究结果表明：对于常见的CO构型，在小迎角下由于平尾整体效率降低，飞机的俯仰力矩曲线斜率较无动力构型大幅度下降；在小迎角下，CO构型左侧平尾的效率几乎丧失，但右侧平尾却具有良好的效率；CO构型左右两侧平尾的效率呈现巨大差异的主要原因在于两侧平尾当地的下洗梯度不同；3个构型中，CNOU构型的俯仰力矩特性最差，CNIU构型在整个中小迎角范围内都能保持良好的俯仰力矩特性。     

大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析

大型水陆两栖飞机AG600的动力装置为安装在机翼上的4台同向旋转涡轮螺旋桨发动机，针对1：15缩比模型带动力风洞试验显示的螺旋桨滑流对侧风起降状态的偏航力矩不稳定影响，对全机带动力风洞试验模型进行了大规模并行非定常数值计算，再现了风洞试验现象，通过流动机理分析明确其产生原因主要是左侧滑时右外翼分离和垂尾背鳍涡破裂，这些原因和数值模拟的准确性也为后期的风洞试验所证实。考虑到模型风洞试验中尺度限制造成的低雷诺数和高螺旋桨转速，为保证飞行安全，继续采用该非定常方法对全尺寸飞机真实侧风起降状态进行了详细数值分析和偏航稳定性评估。研究结果显示，在飞行雷诺数和螺旋桨转速下，相同侧风范围内风洞试验显示的流动不稳定因素基本消失，偏航稳定性允许的侧风范围明显增加。本研究实现了四发螺旋桨飞机起降状态横向气动特性的滑流影响非定常数值分析，建立了基于计算流体力学的风洞与飞行雷诺数效应的相互关系，进行了偏航稳定性的虚拟试飞评估，研究成果也为AG600飞机的首飞和飞行试验所验证。     

计入螺旋桨干扰的倾转机翼飞行器气动特性研究

倾转机翼飞行器不仅拥有直升机固有的垂直起降能力,还具备传统固定翼飞行器特有的高速巡航的特点,是目前军民用飞行器研究的热点之一。针对传统倾转机翼飞行器存在螺旋桨气动效率低、倾转机构复杂的问题,提出四发串列式倾转机翼垂直起降布局形式,对该布局飞行器进行总体设计,完成螺旋桨周围流场特性、螺旋桨间干扰特性、螺旋桨和机翼之间干扰特性的研究分析,并制作验证机进行验证。结果表明:该布局很好地解决了螺旋桨气动效率低、传动机构复杂的问题,具有较强的可实现性及实用性。     

大型飞机增升装置气动机构一体化设计软件及其应用

为满足现代大型飞机先进增升装置多目标综合最优的设计目标,本文结合气动、机构并行设计思想,基于VB、Qt和Catia二次开发环境搭建了增升装置气动、机构综合设计软件。其中包括翼身组合体、巡航构型、起降构型和机构设计四个设计模块,用户可从不同翼身截面数据点,通过拉伸组合成用户所设计的干净构型;利用NURBS曲线使干净构型快速切割出带增升装置的曲面外形;根据缝道参数经验值和机构约束将所切增升装置偏转并设计出合适的起飞、着陆卡位模型,并配以对应卡位设计机构。本文通过对多架、多类别大型客机进行设计并按照预期设计完成切割,完成不同固定翼机型以及翼身组合体机型的切割。经过大量的设计实例验证,软件具有广泛的通用性,能够实现对任意飞机的增升装置进行快速设计。     

舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷

设置舰艏斜板以减少舰载机起飞滑跑距离、降低甲板风要求,从而实现无弹射系统情况下的短距起飞作业,这已在一些“蓝水”海军强国的航空母舰上得到了多年应用。给定航母起飞甲板长度和斜板曲线构型,飞机能否成功滑跃起飞取决于它的气动特性、最大起飞质量、发动机推力、出口速度和起落架强度。 本文提出了一种舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷的计算方法,也建立了完整的斜板曲线方程（曲线已经过飞机适配性优化）。文中还应用本方法计算了某双座多用途舰载教练机的滑跃起飞地面载荷。     

水陆两栖飞机的关键技术和产业应用前景

水陆两栖飞机历经百年的发展，已成为飞机大家族中的稀有机型，但其在现代航空工业中的存在价值和意义却不容忽视，其独特的水陆起降特性更使其依然具有在民用和军事多个领域中应用的优势。除了陆基飞机常规的设计制造技术外，水陆两栖飞机特有的关键技术则是其优良水面起降特性的技术保障，也是航空技术发展的一个重要方面。本文从传统布局和现代创新布局两个方面阐释了水陆两栖飞机的设计特点和技术特征以及发展转变，从水陆两栖飞机水动力特性和气动特性等方面分析了影响其发展的关键技术，并探讨了水陆两栖飞机的产业应用领域前景以及技术发展方向。     

水上电动飞机浮筒设计及起飞滑行

水上飞机起飞滑跑时低速滑行阶段的阻力变化规律对于其设计研究十分重要,而电动水上飞机正常起飞所需最大拉力是否匹配现有电推进系统是飞机改型设计的关键。首先,针对基准浮筒水阻力较大引起的纵向不稳定问题进行了优化设计,优化后浮筒水动性能有明显提高。其次,基于Fluent中的多相流（VOF）模型对水上电动飞机起飞滑跑阶段的力学特征进行了数值模拟计算,着重分析了不同速度下的姿态变化规律、阻力变化及流场特性。最后,对"阻力峰"这一节点下所需电推进系统功率进行了验证计算,结果显示现有装置满足起飞的动力要求;将实际起飞滑跑试验与仿真结果进行对比,结果显示力学特性变化规律基本一致,所得误差在15%之内,验证了仿真计算的可行性,所得结论可为电动水上飞机的研究设计提供借鉴。     

一种新型旋转式扑翼飞行器的原理结构分析

本文介绍了一种仿效鸟类飞行方式的新型旋转式扑翼飞行器的原理结构分析。该飞行器兼备固定翼飞机和直升机的功能,具有垂直升降和空中悬停的能力;同时具有扑翼前飞后飞,左飞右飞的能力。其扑翼采用旋转式扑翼,与传统平面式扑翼相比较,效率较高,升力较平稳。研制扑翼飞行器关键要解决二个问题:第一是如何让扑翼飞行器垂直离地升空;第二是如何操纵。对此二个问题,提出一套新的解决方案。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

Data and performances of selected aircraft and rotorcraft

The purpose of this article is to provide a synthetic and comparative view of selected aircraft and rotorcraft (nearly 300 of them) from past and present. We report geometric characteristics of wings (wing span, areas, aspect-ratios, sweep angles, dihedral/anhedral angles, thickness ratios at root and tips, taper ratios) and rotor blades (type of rotor, diameter, number of blades, solidity, rpm, tip Mach numbers); aerodynamic data (drag coefficients at zero lift, cruise and maximum absolute glide ratio); performances (wing and disk loadings, maximum absolute Mach number, cruise Mach number, service ceiling, rate of climb, centrifugal acceleration limits, maximum take-off weight, maximum payload, thrust-to-weight ratios). There are additional data on wing types, high-lift devices, noise levels at take-off and landing. The data are presented on tables for each aircraft class. A graphic analysis offers a comparative look at all types of data. Accuracy levels are provided wherever available.