“升力推力”飞行器技术分析

大气层中的高超声速巡航飞行,将是继喷气发动机时代之后航空发展的又一里程碑,而飞行器设计的"升阻比"屏障也是继热障、黑障之后的又一技术关键."升力推力"飞行器是根据新世纪对高超声速飞行器的需求提出的一种新型飞行器概念,它可以使飞行器的升阻比得以有效提高.本文对"升力推力"飞行器概念及其动力进行了技术分析,并对其未来的发展进行了展望.     

翼梢小翼后掠角对民机气动性能影响的研究

针对某民机起飞、巡航、着陆三种典型飞行状态,通过CFD方法研究翼梢小翼后掠角变化对该机不同状态下气动性能的影响。仿真结果表明,在起飞、巡航、降落三种不同状态下,随着翼稍小翼后掠角的增大,升阻比的变化都呈现先升高后下降的趋势;同时得出在以10°为步长的计算条件下,以升阻比为考核指标,对应各飞行状态的最佳后掠角分别为30°、50°、40°。该结论对今后变体翼梢小翼的研究有一定的参考价值。     

乘波体飞行器气动布局优化设计

由于具有高升阻比,乘波体是高超声速巡航飞行器气动布局的首选方案。文章在求解圆锥激波流场精确解的基础上,应用流线追踪方法,建立了乘波体飞行器气动布局的参数化模型。在此基础上,对飞行器的气动力特性进行了估算。最后,以气动布局参数为设计变量,升阻比最大化为设计目标,对乘波体飞行器进行气动布局优化设计,应用改进的粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),对优化模型进行求解,得到了优化的气动布局设计方案。     

翼型加装格尼襟翼的低雷诺数气动特性实验研究

为了研究低雷诺数下格尼襟翼对翼型气动特性的影响,通过风洞试验研究了Eppler387翼型加装0.5%～5.0%弦长高度格尼襟翼后的气动特性变化,试验雷诺数1.49×105～2.31×105。试验结果表明：低雷诺数下Eppler387翼型加装格尼襟翼后,升力系数和力矩系数明显增大,襟翼高度大于2%弦长时阻力系数显著增大。格尼襟翼在高升力系数下能够起到增大升阻比的作用,适用于微小型飞行器工作在大载荷状态,而0.5%弦长高度的襟翼还能够兼顾中小升力系数下的气动效率,同样适合于微小型飞行器在巡航状态使用。与原翼型相比,加装襟翼后最大升阻比对应的迎角提前,随襟翼高度的增加,翼型升阻比曲线峰值变得不再突出。     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

新型高速空天运输发射平台气动布局设计研究

根据空天飞行器发展趋势,利用乘波体的高升阻比特点,提出了用于运输发射空天飞行器的新型高速空天运输发射平台,开展了气动布局设计,完成新型高速空天运输发射平台巡航状态下的气动数值模拟分析,分析结果表明文中所设计的新型高速空天运输发射平台气动性能优良,设计结论和分析方法可应用于新型高速空天发射平台工程设计。     

地效飞行器重量估算方法

根据地效飞行器(WIG)的特点确定了3类地效飞行器的任务剖面,分析其与一般飞行器任务剖面和相关性能的异同点以及重量估算方法的适用度。通过现有地效飞行器数据和资料的整理,研究其起飞重量与空机重量以及其他各项参数的统计关系。比照一般飞行器重量估算的燃油系数法,确定地效飞行器各任务阶段的燃油系数及其相关计算过程中选择参数的修正。通过数据分析计算起飞重量和空机重量估算中的线性回归值,形成适用于各类地效飞行器的重量估算方法及其推荐经验系数。验算结果证明,A类和B类地效飞行器重量估算结果与实际产品基本相符,C类由于缺乏足够的统计数据,因此难以验算,但实际工程设计应用结果与经验类比法得到的重量估算结果基本一致,表明研究结果能够满足总体设计阶段重量估算的任务要求。     

高超声速飞行器最优周期巡航轨迹优化

以高超声速飞行器为对象,利用Lagrange乘子法和共轭梯度法对最优周期巡航轨迹进行了研究,并给出了次优周期巡航轨迹的设计方法。最后利用优化方法对最优稳态巡航、次优周期巡航和最优周期巡航进行了数值分析。仿真结果表明,与稳态最优巡航相比,考虑过载≤6约束时燃料节省7.68%,综合过载和加热率约束时燃料节省3.98%。     

基于全速势方程的超临界翼型设计

基于全速势方程,完成了超临界翼型设计。首先分析了最优化设计和反设计两种常用的翼型设计方法的特点。综合考虑两种方法的利弊,选用最优化设计法。结果显示,设计理论和实施方法完全适合现代翼型设计,设计结果可以满足设计指标要求,诸如巡航状态下的升力系数、阻力系数、升阻比、攻角、翼型最大厚度及厚度位置、巡航效率、压力分布形态、激波强度等等。     

弹舱对飞翼布局飞机气动特性影响及其控制

以高速风洞气动力测量为研究手段,开展了弹舱开启对飞翼布局飞机气动特性影响及其流动控制试验研究。试验结果表明,对于飞翼布局飞机,弹舱开启主要影响飞机阻力特性,巡航状态下,弹舱开启后使得全机阻力增加60%～110%,Ma=0.8时全机升阻比降低34%。通过在弹舱前缘安装扰流片,对弹舱腔口剪切层施加流动控制,巡航状态下弹舱开启附加阻力最多降低20%,Ma=0.8时全机升阻比提高12.6%。     

伸缩机翼变体飞机气动特性研究

伸缩机翼变体飞机通过机翼伸缩调整机翼展长,从而改变机翼面积和展弦比,改变飞机的气动布局和机翼的气动特性,满足多任务点的设计要求。简要介绍伸缩机翼变体飞机的发展历史,重点研究一种采用伸缩机翼设计的超音速飞机的气动特性变化。研究结果表明：亚音速时机翼展长伸长,展弦比增大,飞机诱导阻力降低,升阻比提高,可以明显提高飞机的航程;超音速时机翼展长缩短,展弦比减小,飞机的波阻降低,升阻比增大,提高了超音速飞行性能。伸缩机翼概念用于超音速飞机设计时能很好地兼顾亚音速巡航和超音速冲刺。     

地效飞机的纵向稳定性和气动布局特点研究

分析了地面效应对飞机气动力特性的影响,以及地效飞机不同于常规飞机的纵向稳定性准则,包括重心与迎角焦点和高度焦点的位置关系、影响其纵向稳定性的主要气动导数等。研究结果表明,地效区内飞机的气动力随高度呈非线性变化,而重心必须位于迎角焦点与高度焦点之间并且靠近高度焦点才能保证地效飞机的纵向稳定性。最后根据地效飞机的稳定性准则,讨论了保证地效飞机良好飞行品质的气动布局要求。     

Complex Flow for Wing-in-ground Effect Craft with Power Augmented Ram Engine in Cruise

Power augmented ram (PAR) engine is a popular equipment to reduce the requirement of power for takeoff and improve aerodynamic performance. To provide detailed insight into the aerodynamic characteristics of wing-in-ground effect (WIG) craft with PAR engine, numerical simulations are carried out on WIG craft models in cruise. Simplified engine models are applied to the simulations. Two cruise modes for PAR engine are considered. The aerodynamic characteristics of the WIG craft and other features are studied. Comparisons with WIG craft model without PAR show that shutoff of PAR engine results in an increase in drag and less change in lift. Accordingly for the work of PAR engine, the air flow blown from the engine accelerates the flow around the upper surface and a high-speed attached flow near the trailing edge is recorded. With the schemed PAR flow, more suction force is realized and the flow features over the wing vary noticeably. It is also shown that the Coanda effect, provided with an attached flow, introduces an appropriate and practical flow mode for WIG craft with PAR engine in cruise. The results refresh our understanding on aerodynamic characteristics of WIG craft.     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

Continuous morphing trailing-edge wing concept based on multi-stable nanomaterial

Morphing technology is one of the most effective methods to improve the flight efficiency of aircraft. Traditional control surfaces based morphing method is mature and widely used on current civil and military aircraft, but insufficiently effective for the entire flight envelope. Recent research on morphing wing still faces the challenge that the skin material for morphing should be both deformable and stiff. In this study, a continuous morphing trailing-edge wing with a new multi-stable nano skin material fabricated using surface mechanical attrition treatment technology was proposed and designed. Computational fluid dynamics simulation was used to study the aerodynamic performance of the continuous morphing trailing-edge wing. Results show that the lift coefficient increases with the increase of deflection angle and so does the lift-drag ratio at a small angle of attack. More importantly, compared with the wing using flaps, the continuous morphing trailing-edge wing can reduce drag during the morphing process and its overall aerodynamic performance is improved at a large angle of attack range. Flow field analysis reveals that the continuous morphing method can delay flow separation in some situations.     

鸭式布局地效翼数值研究

针对地效飞行器气动特性和纵向静稳定性这两个重要问题,应用数值模拟的方法对鸭式布局地效飞行器进行了研究。在鸭式布局中,主翼和鸭翼互相干扰,流场比较复杂。简化了地效飞行器模型,只考虑了主翼和鸭翼,通过改变鸭式布局地效飞行器中鸭翼相对主翼的位置和角度,分析其对气动特性和纵向静稳定性的影响。     

排式充气机翼的高效气动布局研究

为了提高充气机翼的刚度特性,需要采用较大厚度的翼型,但厚翼型气动效率整体上又不太高。探讨一种适用于低速充气类飞行器的排式双翼布局方案,并尝试给予后翼一定的初始安装偏转角,同时还研究了双翼相对位置以及翼型特性对该排式双翼布局方案的影响。数值模拟结果表明,后翼前缘驻点附近的高压区增大了前翼下表面的压力,使此种布局较普通单翼布局在中小迎角范围内可以明显提高飞行器的升力和升阻比,其中迎角4°时可将升阻比提高62.8%,而给后翼2°的偏转角可使将升阻比提高幅度达到70.5%。同时,双翼相对位置对飞行器气动性能的影响较为敏感。此外,翼型厚度越大,弯度越小,所提出的排式双翼布局方案提高升阻比的效果越明显。综合效果来看,文中探讨的布局可为充气飞机的设计提供一个新思路。     

串列翼飞行器机翼耦合特性研究

串列翼飞行器由于其前后翼以及机身之间的相互干扰,气动特性复杂且难以预测。针对一款串列翼飞行器,以前后翼之间的垂直距离为变量,设计了五种气动布局,并使用CFD方法进行了数值模拟计算。通过对五种布局升阻特性与俯仰特性的比较及分析,发现前后翼垂直方向距离会显著影响整机升阻比、俯仰稳定性、气动中心位置以及压力中心位置。两翼间垂直方向上的距离越大,飞行器升阻比越高,且气动中心更加靠后。而在两翼间距离相同的情况下,前翼在下的布局拥有更高的升阻比,而前翼在上的布局拥有更好的俯仰静稳定性。     

地面效应下前/后掠翼气动特性研究

针对飞行器在地效区飞行时复杂的流场特性,通过求解定常可压N-S方程,改变机翼后掠角和地效区飞行高度,研究不同前/后掠角机翼在地效区内的气动特性。结果表明:在地效区内,随着后掠角的增大,机翼的升力系数和阻力系数呈现先增后减的变化规律,后掠角在0°附近时升力系数达到最大值,阻力系数在10°附近达到最大值;俯仰力矩系数随着后掠角增加而减小;展向流动在后掠角为0°时最小,展向流动随着后掠角增大或减小剧烈变化;机翼下洗角随着后掠角增大而减小,随着离地高度的减小而减小。研究结果可为地效飞行器的概念方案设计和优化提供理论依据。     

民航客机最佳机翼面积的优化方法

分析了民航客机燃油效率的影响因素,将气动阻力进行分解,推导出了以巡航效率为优化目标的最佳机翼优化方法。算例表明,无论是在飞机的方案设计阶段,还是在详细设计阶段,方法都是适用的。方法不仅可用于最佳机翼面积的优化工作,在详细设计阶段,还可用于检验飞机的气动优化设计是否偏离飞机的优化目标,以及检验飞机的最佳巡航航程指标是否与最佳燃油效率匹配。