F／A-18E／F机翼突然失速问题能调查经过和解决方案

在F／A-18E／F的试飞中暴露出来的“掉翼尖”（机翼突然失速）问题，一度使得F／A-18E／F项目发展陷于停顿。为此，美国军方协调多方研究力量对F／A-18E／F的机翼突然失速问题进行了详细的调查，并最终在实际试飞过程中找出了最佳解决方案。     

F-35解决跨声速机翼突然失速问题

美国国防部曾协调动员各方研究力量和资源组成“国家队”来研究F／A-18E／F的跨声速机翼突然失速（AWS）问题，研究了一整套预测、模拟和解决战斗机跨声速AWS问题的重要方法和工具，这项研究成果，对预测和解决F-35的跨声速AWS问题发挥了重要作用。     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。     

F/A-18E/F机翼突然失速问题的调查经过和解决方案

在F/A—18E/F的试飞中暴露出来的"掉翼尖"(机翼突然失速)问题,一度使得F/A—18E/F项目发展陷于停顿。为此,美国军方协调多方研究力量对F/A—18E/F的机翼突然失速问题进行了详细的调查,并最终在实际试飞过程中找出了最佳解决方案。     

急剧机翼失速项目的成就

急剧机翼失速（AWS）项目解决了飞机跨音速阶段的非指令性横向运动问题，比如机翼下沉和机翼摇摆。这一项目的起源是，在19世纪90年代后期，F／A-18E预生产型飞机在机动包线的中心位置出现了机翼下沉。通过前缘襟翼运动程序的修改和在机翼折叠处增加带孔整流板，解决了F／A-18E／F飞机的问题。尽管如此，启动了AWS项目，作为对F／A-18E／F研制时技术准备不充分的亡羊补牢之举。AWS项目的目的是，找出F／A-18E／F飞机存在问题的根源、获得对引起机翼下沉的气流机理的深刻认识、找到相应的方法和分析工具，使得将来的项目在试飞之前就可以发现此类问题。文章回顾了AWS项目的目标、技术水平现状、获得的成就以及研究结果的影响等。总结了经验和教训，以利于以后的项目，在试飞之前就可以预测到飞机的横向运动。     

变害为利的“翼尖涡轮”

由空军一些研究单位研制的“翼尖涡轮”,前不久在北京第四届中国专利技术博览会上获得该届博览会少数获金奖的项目之一。“在翼尖部位安装叶轮的飞机机翼”这项新技术,是针对机翼翼尖的诱导阻力问题而发明的,其目的是为了改善机翼翼尖处的流扬,提高飞机的气动效率。实验和研究表明,这种被称为“翼尖涡轮”的装置具有增升、降阻、提高飞机升阻比的作用。     

跨音速条件下非指令性横侧运动的历史回顾

文章论述了特定的军用飞机项目中跨音速条件下出现的非指令性横侧运动的研究结果。为NASA／海军／空军共同参与的急剧机翼失速项目研制计划提供了有用的定性资料和定量资料。由于在F／A-18E／F飞机计划研制过程中，其预生产型飞机在跨音速条件下出现了意外的、剧烈的机翼下倾运动，所以开展了急剧机翼失速程序的研究。这些非指令性横侧运动降低了飞机主要任务技术要求。虽然后来F／A-18E／F批生产型的上述问题得到了解决，但是，一个专门的高级考察小组强调，对上述现象还缺乏清醒的认识，并建议：“启动国家研究计划，以彻底、系统地研究机翼下倾现象。”由NASA／海军／空军广泛合作的急剧机翼失速项目的目的是提供所需要的技术要求。研究工作是对过去飞机研制计划中高亚音速和跨音速条件下出现的机翼下倾的历史回顾。需要特别留意的资料包括：出现非指令性运动和运动特性的特种飞机构型；飞机的几何特征；出现问题时的飞行状态；有关数据，包括风洞试验数据、计算数据和飞行试验数据；用于分析的品质因数；以及用于避免出现上述问题的方法。总结了过去经验教训，并提出了以后的研制计划。     

F／A-18E和F-16C急剧机翼失速特性的计算研究

运用静态计算流体力学（CFD）模拟，了解急剧机翼失速（AWS）现象的物理过程，确定静态品质因数（figures of merit），利用NASA兰利研究中心研制的TetrUSS模拟装置得到的纳维-斯托克斯算法是以四面非结构网格为基础的。通过在两种飞机上比较CFD模拟结果了解急剧机翼失速现象的物理过程。预生产型F／A-18E飞机构型在某些几何形状和气流状态下会出现急剧机翼失速，而F-16C飞机构型不存在这种现象。通过比较不同气流状态下两种飞机构型之间的详细流场，运用计算结果认识引起急剧机翼失速的原因。以这些方法为基础，开发了许多用来预测急剧机翼失速的静态品质因数。潜在品质因数包括升力的突然下降、翼根弯矩对迎角α的变化以及翼型升力随α的变化率。     

急剧机翼失速计划介绍

急剧机翼失速（AWS）计划已经用实验、计算和仿真工具研究了无指令跨声速的横向运动问题，比如自动倾斜问题。同时给出了制定AWS计划的背景以及计划的目标。为了了解导致预生产型F／A-18E不希望的运动的基本流动机制，从专用跨音速风洞试验和计算研究中搜集了定常和非定常流场详细数据。AWS计划也已经为跨音速流状态修改了自由滚转（FTR）风洞试验技术，该技术传统上用于低速横向动态稳定性的研究。这个FTR的能力首先在概念证明研究中被验证，然后应用于四个不同飞机结构的评定。对于两种已经被证实在全尺寸飞行状态（预生产型F／A-18E和AV-8B在极端飞行包线下）时容易发生自动倾斜的结构和两种没有表现出自动倾斜的结构（F／A-18C和F-16C）评估了静态试验和FTR试验的品质因素图形。已经从那四个飞机结构的气动力计算研究和F／A-18C与F／A-18E机翼之间的种种外形的影响计算量化中获得了正确的设计思想。最后，AWS计划在飞行之前对在模拟器中评定实验发现的横向动作对飞行性能的影响提供指导。     

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

微型飞行器相关布局气动特性实验研究

微型飞行器由于飞行雷诺数比较低,其流动现象和机理比较复杂,对其进行相关的实验研究是尤其的必要且可行。本次试验通过由带有一定厚度和弯度的翼型构成的矩形机翼和反齐默曼机翼的对比实验、不同弯度的对比试验、不同参数的鸭翼实验以及翼尖小翼实验,重点分析了平面布局、弯度、鸭翼以及翼尖小翼对气动特性的影响。试验结果表明:在带有一定厚度和弯度的情况下反齐默曼气动性能好于矩形翼;适当的弯度能提高飞行器升力特性和纵向稳定性;鸭翼能有效地提高微型飞行器的气动特性;翼尖小翼能改善飞行器的升阻特性。     

前/后掠机翼气动特性对比分析

基于NACA0012对称翼型设计了前掠机翼、后掠机翼和平直机翼,采用CFD方法计算了3种机翼的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数,通过压力云图和流线图分析了3种机翼的气动特性及流动机理。研究结果表明:前掠机翼上表面的流动是由翼尖流向翼根,翼根首先出现分离,而后掠机翼上表面的流动是由翼根流向翼尖,翼尖首先出现分离,平直机翼由于受翼尖涡的下洗影响,翼根首先出现分离;在30°斜掠角下,前掠机翼形成了机翼前缘涡,表现出旋涡流态气动特性。研究结果揭示了不同机翼之间的流动差异,有助于在飞行器设计过程中选择合适的气动布局。     

美国海军“超大黄蜂”最新改进等

美国海军对F-35的服役时间持怀疑态度，因而决定加快F／A-18E／F机队的更新速度。从今年夏季开始他们将测试计划于2013年装备的“分布式瞄准系统”（DTS）,将在2016年年底之前为F／A-18E／F装备波音公司正在研制的一种新型“红外搜索与跟踪”（IRST）吊舱，以减少因为需要安装内置式IRST系统的机身改装成本。     

翼尖连接机翼布局弹性气动力探讨

翼尖连接机翼(Joined Wing)布局将后掠的前翼和前掠的后翼在翼尖处用端板相连,后掠翼和前掠翼互相依存,克服平直机翼的局限,提高飞行临界M数,减小诱导阻力,抑制前掠翼的发散倾向.但是该布局的设计参数选择需要气动,结构强度,气动弹性等多学科综合分析,多学科设计优化还需要提供相对于气动设计参数的敏度.探讨了一种翼尖连接机翼布局包含发散速压和变形在内的刚性和弹性气动特性,以及对气动设计参数的敏度,可供该布局的多学科设计优化参考.     

后退式微型后缘装置对机翼增升和流动特性影响的实验研究

实验测量了加装"后退式微型后缘装置"的NACA23012机翼在低雷诺数下的升/阻力、力矩和翼尖涡速度分布,并根据实验测量结果研究了该装置对机翼气动特性和翼尖涡结构的影响。实验升/阻力由六分量风洞天平测量,翼尖涡速度分布用七孔探针扫描获得,自由来流速度为15m/s,以弦长为特征长度的雷诺数为1×105。结果表明:与NACA23012原型相比,加装"后退式Mini-TED"后机翼升力显著增加,失速攻角减小;而使机翼阻力比原型翼在小攻角时略有增加,但在大攻角时有更明显的增长;在中高升力系数的情况下,机翼升阻比明显大于原型机翼;Mini-TED使得气动中心后移,相比于原型翼,机翼低头力矩以较为平稳的趋势增加,使机翼在中等攻角和大攻角情况下的俯仰稳定性得到提高;翼尖涡测量结果显示,后退式Mini-TED机翼在相同的正攻角下具有更大的上下翼面压力差,诱导出更强的翼尖涡和下洗运动,从而使得诱导阻力增加,总阻力也随之增加。     

大型客机先进翼尖装置综合特性研究

 翼尖装置由于其良好的气动特性在航空界得到了广泛应用,然而它也使飞机的颤振及结构重量特性发生了变化。为了探求翼尖装置的综合特性,利用数值模拟方法对大型客机上最先进的3种翼尖装置(融合式、鲨鱼鳍式和阶梯式)进行了气动、颤振及重量3个方面的综合研究。3种翼尖装置减阻效果明显,但同时结构重量亦增加。翼尖装置均降低了机翼颤振速度。研究结果表明:加装翼尖装置后机翼颤振形态取决于翼尖装置的形式。相对于机翼颤振速度,翼尖装置形式对机翼颤振速度的影响是小量(1%~7%),且翼尖装置减阻和机翼压心外移的综合重量增益,为机翼结构设计提供了一定的设计空间。     

波音公司公布F／A—XX方案设想图

波音公司鬼怪工程队最近公布了被他们称为第五代战斗机的F／A-XX的方案图（上图）．该方案是根据美国海军去年提出的需求而设计的．即需要一种在2025年之后逐步替换现役F／A-18E／F舰载战斗机的后继机。当时美国海军曾表示，还未确定F／A-XX是采用有人驾驶还是无人驾驶．如果是无人驾驶飞机，至少具有50小时的续航能力。     

A Comprehensive Study on Wiugtip Devices in Large Civil Aircraft

翼尖装置由于其良好的气动特性在航空界得到了广泛应用,然而它也使飞机的颤振及结构重量特性发生了变化.为了探求翼尖装置的综合特性,利用数值模拟方法对大型客机上最先进的3种翼尖装置(融合式、鲨鱼鳍式和阶梯式)进行了气动,颤振及重量3个方面的综合研究.3种翼尖装置减阻效果明显,但同时结构重量亦增加.翼尖装置均降低了机翼颤振速度.研究结果表明:加装翼尖装置后机翼颤振形态取决于翼尖装置的形式.相对于机翼颤振速度,翼尖装置形式对机翼颤振速度的影响是小量(1％～7％),且翼尖装置减阻和机翼压心外移的综合重量增益,为机翼结构设计提供了一定的设计空间.     

大展弦比机翼的静气动弹性分析

大型飞机普遍采用的大展弦比机翼,其气动弹性问题显得尤为突出。通过求解基于三维结构网格的Euler/边界层耦合方程组,采用结构模态分析法,对HIRENASD机翼的静气动弹性进行了数值模拟。计算得到了机翼静弹变形前和变形后的压力分布以及不同攻角下翼尖变形值。计算结果和实验值对比分析,验证了Euler/边界层耦合方程组求解器对静气动弹性数值模拟的准确性,表明所发展的数值模拟方法可以用于大展弦比机翼静气动特性的分析研究。