大型运输机设计中平尾布局的研究

从气动力、结构与全机设计角度出发，通过变化尾翼位置与机翼下洗、尾翼动压以及机翼尾迹，寻找确定平尾面积和满足结构设计需求的尾翼静与动载荷等影响因素。从飞机的稳定性与控制角度来看，高尾翼布局方案在飞机失速迎角以下可以提供优异的操纵品质。     

涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理

螺旋桨滑流对飞机各气动部件的干扰是涡桨飞机气动设计中面临的难点之一。以某双发涡桨支线客机为对象,采用数值模拟手段分析了滑流对机翼、平尾、垂尾的影响及其流动机理。计算采用基于动态面搭接网格技术的非定常方法,气动力与表面压力分布的计算结果均与实验值吻合良好。研究结果表明：在滑流影响下,全机升力和阻力有所增加,升阻比和纵向静稳定度有所降低,并在无侧滑状态下产生了滚转力矩和偏航力矩;在不同展向位置,滑流对机翼表面流动分离的影响存在显著的差异。在螺旋桨下行运动一侧,滑流的旋转减小了当地迎角,同时桨后气流速度较高,翼面流动分离被有效抑制。在螺旋桨上行运动一侧,滑流的旋转增大了当地迎角,而且桨后气流速度较低,因而翼面流动分离并未得到明显改善;在中小迎角下,滑流对背景飞机平尾当地的动压没有产生影响,但增加了下洗角变化率,进而导致平尾效率降低;垂尾的侧力与偏航力矩是由滑流的侧洗引起的,而滑流的侧洗又与左右两侧机翼升力分布的不对称性有关。     

考虑动力影响的大型运输机增升构型气动特性研究

为满足现代大型运输机增升系统高效、稳定的设计需求,以某型运输机增升构型为研究对象,通过数值模拟方法研究了动力因素对全机气动特性的影响。数值模拟结果表明:在动力因素影响下,全机最大升力系数增加46.2%,失速迎角增加11°;全机静安定度降低30.89%。通过流场机理分析可知:动力因素不仅对短舱后方襟翼当地流场有较大改善,而且对短舱和主翼上表面流场以及平尾当地迎角也有显著影响。基于以上结论,在运输机增升构型设计过程中,要充分考虑动力因素对各个部件当地流场的影响以提高升力特性;同时要权衡动力因素使机翼低头力矩增加、平尾低头力矩降低这两种趋势相反的影响结果以改善俯仰力矩特性。     

微型飞机降低重心位置对稳定性的影响

由于微型飞机有最大尺寸的限制,通常平尾/升降舵距离机翼和全机重心很近,造成气动效率和纵向静稳定性都比较低。研究了不使用平尾/升降舵、而是通过降低微型飞机重心位置来获得纵向静稳定性的思路。分析了重心低置情况下的纵向力矩平衡关系,推导了相应的纵向静稳定性的计算公式,并构造了计算模型和试飞样机进行实例分析。结果表明,通过降低重心位置可以有效地增大微型飞机的纵向静稳定性,并可以在没有平尾的情况下实现纵向力矩平衡和获得静稳定性。其静稳定性裕度可以通过重心与气动中心的纵向距离来调节。     

民用运输机着陆构型纵向失速特性改善研究

采用经风洞试验验证的CFD计算方法和网格生成策略,研究某大型民用运输机着陆构型纵向失速特性的改善措施,将全机分为七大部件:机身、内翼段、中翼段、外翼段、翼梢、短舱和平尾,分别分析各部件的影响。研究结果表明:内中翼段对全机俯仰力矩曲线上拐的贡献为负,恶化其气动性能可以在一定程度上改善全机力矩特性,但是与此同时会降低最大升力系数和失速迎角;翼梢小翼在低速大迎角时发生大面积分离,对全机俯仰力矩曲线上拐的贡献为正,修形后构型的翼梢前缘产生很强的空间涡,很好地抑制分离区的产生和发展,改善了全机俯仰力矩特性,但是简单的翼梢修形会增大巡航时的诱导阻力,需要在高/低速之间进行权衡;平尾对全机俯仰力矩曲线上拐的贡献为正,其中内襟翼翼根涡对平尾当地来流的影响最为显著,通过修形整流包可以很好地解决这个问题,使全机俯仰力矩曲线上拐迎角增加4°。     

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。     

民用飞机低速俯仰力矩特性改善研究

针对某民用尾吊飞机低速时俯仰力矩上仰的情况,研究了一种新型的改善措施——内侧缝翼截短。采用数值模拟方法对其基本着陆构型以及改善措施的气动特性进行研究,给出了在大迎角下工作的流场特征,分析了改善措施改善俯仰力矩特性的流动机理,并对改善措施对发动机进气畸变的影响进行了评估。研究结果表明:低速俯仰力矩形态取决于机翼的分离位置;分离从外侧开始会使飞机"抬头",分离从内侧开始会使飞机"低头";平尾提供的俯仰力矩决定了总的俯仰力矩;分离从内侧开始使飞机"低头"的主要原因是降低了机翼对平尾的下洗;改善措施在失速迎角内不会对尾吊飞机的发动机进气产生影响。     

滑流对飞机纵向静稳定性影响的数值模拟

针对某"机身+机翼+襟翼+短舱+螺旋桨+平尾"简化构型,开展低速大拉力系数工况下强螺旋桨滑流的数值模拟。模型为翼吊双发布局,动力计算时分为三个计算域,分别为两个包含螺旋桨的旋转域和一个静止域。采用商业软件ICEM CFD生成多块面搭接非结构网格,在机体表面和滑流区域对网格进行加密以便于捕捉螺旋桨滑流的发展及其与机翼、尾翼等部件之间的干扰。采用ANSYS CFX软件求解雷诺平均Navier-Stokes方程,使用多参考坐标系(MFR)方法模拟螺旋桨的旋转。基本构型有/无动力的计算结果表明螺旋桨动力及其产生的滑流对模型的纵向静稳定性影响较大,模型的纵向静稳定性在迎角较小时下降明显甚至丧失,在迎角较大时反而略有增加。一般而言,涡桨飞机平尾处的流场受气动布局、迎角、机翼及襟翼的下洗和螺旋桨滑流及其强度等因素的共同影响。对模型各部件的俯仰力矩特性及尾翼区流场细节进行详细分析可知,小迎角时飞机纵向静稳定性的下降是由于平尾受到机翼及襟翼较强的下洗作用而导致效率下降,而此时平尾没能进入滑流区,不能有效利用滑流区内高能气流来提高平尾效率。并且由于两个螺旋桨同为逆时针旋转,右侧平尾的贡献高于左侧平尾。为了验证这一结论,分别将螺旋桨向上平移0.7m和将平尾下移0.86m并进行数值模拟,结果表明平尾对模型纵向静稳定性的贡献均有增加。     

鸭翼对盒式翼布局气动特性的影响研究

盒式翼布局带有前置鸭翼对飞机纵向力矩特性产生显著的影响。针对某盒式翼布局无人机,采用数值模拟方法研究鸭翼对盒式翼布局气动性能的影响,以及鸭翼安装角、鸭翼沿机身轴线的纵向位置和鸭翼面积对巡航状态下盒式翼布局气动性能的影响。结果表明:鸭翼可以提高盒式翼布局的最大升力系数和失速迎角,可以有效地调节纵向力矩,但是会使最大升阻比略微减小;在巡航迎角3°、巡航速度50m/s状态下,鸭翼安装角和鸭翼面积对盒式翼布局气动特性影响较大,而鸭翼纵向位置对盒式翼布局气动特性影响较小。综合考虑鸭翼的上述参数,可以显著提高盒式翼布局的气动性能。     

飞翼布局无人机进排气效应风洞试验研究

飞机进排气会对全机气动性能产生明显的影响.采用引射式动力模拟器对飞翼布局无人机开展进排气效应模拟,分析进排气对全机气动特性的影响.试验结果表明:进排气对飞翼布局升力影响不明显,对阻力影响量比较大,可使全机最大升阻比降低1～4左右,而喷流能使全机最大升阻比下降1～1.8左右,进排气效应使得全机俯仰力矩增加,但纵向静安定度基本不变;进排气对全机横航向特性影响不大,对襟翼效率影响也甚微.可作为飞翼无人机气动布局设计的参考.     

考虑地面效应的翼型动态特性数值模拟

为了研究考虑地面干扰的飞行器非定常气动特性,基于滑移网格技术,通过求解二维非定常Euler方程,对不同近地高度下的NACA0012翼型的动态振动特性进行了数值模拟。分析了存在地面干扰时的升力系数以及俯仰力矩系数迟滞环变化,并结合强迫振动法,计算了翼型各个近地高度下的纵向组合动导数。结果表明,地面效应不仅对定常流场产生影响,更显著地影响了非定常气动力及力矩,近地高度越小,这种效应越明显,使得升力系数的迟滞环面积变小,幅值减小,而俯仰力矩系数的迟滞环变化不规律,力矩系数的动导数随着近地高度减小而增大(绝对值减小),纵向的动态稳定性产生损失。地面效应干扰在飞行器非定常气动研究中应该引起重视。     

非定常超音速侧滑机翼的升力、力矩系数及动导数的数值计算

 本文利用分布在机翼平面上的非定常超音速点源的特征线网格法给出非定常超音速侧滑机翼的数值解。本文给出侧滑机翼作沉浮、俯仰、滚转谐振时的振型以及计算升力、力矩和动导数（包括交叉导数）的计算方法。按本文用非定常理论数值解对典型的无侧滑机翼计算出的动导数与常用的按准定常理论解析公式计算结果进行比较和鉴定,结果表明本文方法是令人满意的。     

阻拦索断裂对螺旋桨舰载机着舰安全影响数值分析

喷气动力舰载机着舰拦阻滑跑，如阻拦索断裂，其逃逸复飞的概率极小。螺旋桨动力舰载机零升阻力大，推重比小，其安全复飞的能力值得研究。本文基于建立的螺旋桨舰载机逃逸复飞仿真模型（含阻拦索工作模型、发动机动力响应模型、升降舵操纵模型与气动力的动力影响修正模型），数值模拟了E-2C舰载预警机着舰阻拦索断裂情况下，其逃逸复飞的过程。仿真计算显示对象飞机在不同气动力、离舰速度与舵面操纵逻辑状态下，其纵向动力学方程中敏感参数与航迹下沉量的动态变化，结合视频数据分析其复飞成功的原因。研究表明：动力对螺旋桨舰载机俯仰力矩与升力特性的影响是其逃逸复飞成功的关键。动力影响使对象飞机的俯仰力矩曲线上移0.15，8°迎角下纵向静稳定性减小85%，升力线斜率增大29.7%、最大升力系数增大39%。这显著改善了螺旋桨飞机逃逸复飞状态下俯仰操纵的敏捷性，升降舵操纵效率与失速特性。动力影响使螺旋桨舰载机可在较小的加速度、离舰速度与有限的留空时间情况下，迅速改变其航迹角，减小航迹下沉量，保证逃逸复飞安全。     

非对称地面效应对无尾飞机稳定性的影响

针对非对称地面效应,重点研究了非对称地面效应对飞机横向和航向气动特性的影响.采用计算流体力学(CFD)方法研究了机翼弦平面距甲板高度、雷诺数和甲板风速的影响,并通过与以往文献中的试验数据对比,验证了CFD方法的准确性.机翼弦平面高度是升力、滚转力矩和偏航力矩最主要的影响因素,降低机翼弦平面高度会减弱横向和航向稳定性.机翼弦平面高度从1.5m降低到1.2m和1.0m时,横向稳定性分别降低了2.8%和5.6%.增加雷诺数能够显著提高升力,但对偏航力矩影响不大.增加甲板风速度能提高升力和滚转力矩的绝对值.甲板风速从0m/s增加到15m/s,升力和滚转力矩仅变化1.1%和3.4%,因此甲板风速的作用是次要的.      

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。     

一种近空间高超声速飞行器滚转稳定性研究

研究近空间高升阻比构型高超声速飞行器面临的复杂稳定性问题,对其机动飞行安全和操控具有重要意义。为此,通过静、动态风洞试验和数值模拟,开展了类HTV-2飞行器布局典型马赫数和迎角下,滚转方向静稳定性、单自由度和两自由度俯仰/滚转耦合运动动稳定性研究。结果表明：飞行器滚转方向为静稳定;自由振动的滚转单自由度运动为衰减振动曲线,动导数为负值,表现为动稳定;强迫俯仰/自由滚转两自由度耦合运动情况下,由于惯性力矩和非对称滚转力矩共同作用,导致滚转出现振幅周期性变化的极限环运动,甚至失稳发散。     

Dynamic characteristics analysis and flight control design for oblique wing aircraft

The movement characteristics and control response of oblique wing aircraft (OWA) are highly coupled between the longitudinal and lateral-directional axes and present obvious nonlinear-ity. Only with the implementation of flight control systems can flying qualities be satisfied. This arti-cle investigates the dynamic modeling of an OWA and analyzes its dynamic characteristics. Furthermore, a flight control law based on model-reference dynamic inversion is designed and ver-ified. Calculations and simulations show that OWA can be trimmed by rolling a bank angle and deflecting the triaxial control surfaces in a coordinated way. The oblique wing greatly affects lon-gitudinal motion. The short-period mode is highly coupled between longitudinal and lateral motion, and the bank angle also occurs in phugoid mode. However, the effects of an oblique wing on lateral mode shape are relatively small. For inherent control characteristics, symmetric deflection of the horizontal tail will generate not only longitudinal motion but also a large rolling rate. Rolling moment and pitching moment caused by aileron deflection will reinforce motion coupling, but rud-der deflection has relatively little effect on longitudinal motion. Closed-loop simulations demon-strate that the flight control law can achieve decoupling control for OWA and guarantee a satisfactory dynamic performance.     

钝前缘三角翼无人机气动特性研究

三角翼布局因其优良的气动特性在军用飞机和无人机上获得了广泛应用.为了研究钝前缘三角翼无人机的气动特性,首先采用求解雷诺平均N-S方程的方法对NASA钝前缘三角翼标模进行对比计算,以验证计算方法的可靠度;然后对无人机四个升降舵偏角的气动力和流场特性进行分析研究.结果表明:三角翼无人机在升力系数较小时具有较高的升阻比,当迎角小于1 5°时,钝前缘三角翼前缘气流附体、吸力较高,翼面的横向流动不明显,使飞机的升阻比提高;当迎角大于15°后,涡流特征起主导作用,使得飞机在直到40°迎角范围内没有出现大面积气流分离,具有良好的俯仰稳定性,升降舵效率较高.钝前缘三角翼气动布局在翼展受限、翼载较小的条件下具有一定的气动特性优势.