地效對飛機氣動特性的影響研究

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地效對飛機氣動特性的影響研究

0引言

地效是指飛行器近固定面(如地面、水面)產(chǎn)生增升減阻的現(xiàn)象。關(guān)于該現(xiàn)象的機理，目前普遍的觀點認(rèn)為由于翼梢渦及機翼的下洗流受到固定面的抑制從而增加升力及減小誘導(dǎo)阻力。飛機在起飛和著陸時都有一段接近地面的過程，一般距地面半個展長時，地效開始起作用，隨著距離的接近地效會變強。關(guān)于地效試驗研究，也有采用活動地板模擬[1]，活動地板優(yōu)點是更接近于實際飛行情況但缺點是機構(gòu)更復(fù)雜，限于目前國內(nèi)試驗技術(shù)及設(shè)備，本文采用的是固定地板研究。目前關(guān)于近地時氣動特性機理變化的研究文獻(xiàn)較少。近地時較明顯的變化就是升力的增加及阻力的減小，Juhee Leep[2]等認(rèn)為升力的增加主要是下表面壓力的增加而上表面不變引起，近地時翼梢渦得到抑制從而減小了阻力。

本文將以某翼吊常規(guī)布局民機為研究對象，從帶地效后對其縱向、橫航向氣動特性及各操縱面效率的變化進(jìn)行分析，并嘗試給出影響機理的初步分析。

1試驗描述

風(fēng)洞試驗段尺寸4m×3m，為連續(xù)回流式風(fēng)洞，試驗風(fēng)速70m/s。地效為固定地板模擬。某民機為下單翼，翼吊常規(guī)布局，試驗?zāi)Ｐ捅壤秊?∶14，模型展長2 557mm，平均氣動弦長305mm，參考面積為0.646m2。通過空中及地效縱向和橫航向狀態(tài)各構(gòu)型的數(shù)據(jù)對比，獲得地效對縱向和橫航向氣動特性的影響；同時對比各舵效在空中及地效狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，獲取地效對舵效的影響。

2試驗結(jié)果及分析

2.1試驗重復(fù)性

為驗證風(fēng)洞流場的穩(wěn)定性有必要安排重復(fù)性試驗以確保數(shù)據(jù)的可靠性。從表1試驗數(shù)據(jù)來看，升力、阻力及俯仰力矩均達(dá)到國軍標(biāo)要求(升力合格指標(biāo)0.002，阻力合格指標(biāo)0.000 5，俯仰力矩合格指標(biāo)0.001 2)，重復(fù)性較好。

2.2對縱向氣動特性的影響

圖1所示為地效對不同構(gòu)型氣動特性的影響，圖中“巡航空中”指巡航構(gòu)型空中試驗狀態(tài)，“巡航地效”是指巡航構(gòu)型地效試驗狀態(tài)。由圖1可知，地效狀態(tài)下在線性段表現(xiàn)為升力線斜率增加，失速攻角提前約2°；地效使得沿流向逆壓梯度增加，當(dāng)襟翼放下時更為明顯，而逆壓梯度的增加使得機翼表面分離提前，從而減小了失速攻角。最大升力系數(shù)表現(xiàn)為升力線斜率增加和失速攻角的綜合效果，對于巡航構(gòu)型，升力線斜率增加占優(yōu)勢，故地效狀態(tài)下最大升力系數(shù)增加，而對于著陸構(gòu)型失速攻角的提前使得最大升力系數(shù)減小占主導(dǎo)。對于阻力而言，地效和空中狀態(tài)的極曲線是相交的，地效使得零升阻力增加，升致阻力減小。對于力矩，帶地效后焦點后移約0.15bA，靜安定度增大。

圖1　地效對縱向氣動特性的影響(無起落架)

2.3對橫航向氣動特性的影響

表2給出了地效對各構(gòu)型及攻角下側(cè)向力系數(shù)、滾裝力矩系數(shù)及偏航力矩系數(shù)隨側(cè)滑角導(dǎo)數(shù)的影響。由表2數(shù)據(jù)可知帶地效后使得橫向穩(wěn)定性增加約10%～20%，攻角大于6°巡航構(gòu)型航向安定性變化不大，著陸構(gòu)型航向安定性減小約20%。

表2　地效對橫航向氣動導(dǎo)數(shù)影響量(%)

對于橫向穩(wěn)定性，垂尾約占25%，翼身組合體所占比例較大。翼身組合體對橫向穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)主要由幾何尺寸(后掠角、上反角、扭轉(zhuǎn)角、展弦比及根梢比)及升力系數(shù)決定。在線性范圍內(nèi)，升力系數(shù)越大，翼身組合體對橫向穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)越大。帶地效后，線性段升力系數(shù)增加使得橫向穩(wěn)定性增加。

2.4對平尾、升降舵效率的影響

地效對飛機平尾及升降舵效率的影響關(guān)系到飛機著陸后的配平及縱向操縱效能。圖2及表3所示為地效對平尾及升降舵效率的影響，表4為地效對下洗的影響。

圖2　地效對平尾及升降舵效率的影響(著陸構(gòu)型)

由圖2及表3數(shù)據(jù)可知地效狀態(tài)下，在攻角超過9°后平尾及升降舵效率下降較大，如在12°時，平尾效率下降接近25%。

分析可能原因是地效狀態(tài)

下沿氣流方向存在一定的逆壓梯度，這使得機翼及平尾表面較早分離，另外下洗的抑制也使得平尾當(dāng)?shù)毓ソ禽^大，這也使得平尾分離提前。

表3　地效對平尾及升降舵效率的影響(%)

表4　地效對下洗的影響

由表4數(shù)據(jù)可看出，地效使得零攻角時下洗角減小了1.1°，下洗率約減小為空中狀態(tài)的1/3。下洗的減小使得翼梢渦的強度得到抑制，能耗降低，阻力減小，該結(jié)果也與2.2中縱向結(jié)論一致。

2.5對方向舵、副翼效率的影響

表5　地效對方向舵效率Cnδr的影響(%)

表6　地效對副翼效率Clδa的影響(%)

地效對飛機方向舵及副翼效率的影響關(guān)系到飛機著陸后的橫航向操縱效能。表5及表6所示為地效對方向舵及副翼效率的影響。方向舵效率Cnδr在上述表格攻角及側(cè)滑角范圍帶地效后變化在5%以內(nèi)。副翼效率的變化稍大，最大達(dá)到13.1%。地效對沿氣流方向流場及壓力分布影響較大，當(dāng)側(cè)滑角不大時不至于引起左右較大不對稱，故方向舵效率變化較小可能與此相關(guān)。

3結(jié)論

本文通過對下單翼翼吊常規(guī)布局某民機進(jìn)行地效試驗，獲取了地效對縱橫向及舵效的影響。地效使得零升阻力增加，抑制了翼梢渦故升致阻力減小。地效使得沿氣流方向有逆壓梯度，從而使得失速提前、縱向壓心后移并且攻角越大地效越明顯壓心后移越大，故靜安定度增大，地效使得焦點后移約0.15bA；在線性范圍內(nèi)，升力系數(shù)越大，翼身組合體對橫向穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)越大。地效使得線性段升力系數(shù)增加使得橫向穩(wěn)定性增加約10%～20%，攻角大于6°巡航構(gòu)型航向安定性變化不大，著陸構(gòu)型航向安定性減小約20%，地效在攻角超過9°后平尾及升降舵效率下降較大，方向舵效率變化不大，副翼效率在攻角12°時下降約10%。

參考文獻(xiàn)：

[1]Arron Melvin and Luigi Martinelli. Aerodynamic Shape Optimization of Multi-element Airfoils in Ground Effect, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit[C]// Reno, Nevada, January 2008.

[2]Juhee Lee etc. Optimization of Wings in Ground Effect Using Multi-Objective Genetic Algorithm[C]// 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, January 2010.

TheStudyoftheGroundEffectsontheAircraftAerodynamicCharacteristics

王繼明 /

WangJiming

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210 )

(ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute，Shanghai201210，China)

摘要：

當(dāng)飛機起飛或著陸時由于近地會產(chǎn)生地面效應(yīng)。地效使得飛機的氣動特性發(fā)生較大變化，如升力增大、阻力減小及靜安定度的提高等。通過試驗數(shù)據(jù)分析了地效狀態(tài)下縱、橫航向氣動特性及舵效的變化，并對其內(nèi)在影響機理進(jìn)行了初步分析。結(jié)果顯示，地效使得著陸構(gòu)型失速提前約2°、縱向靜安定度增加約0.15bA、橫向安定性增加約10%～20%、平尾效率減小可達(dá)10%、方向舵效率變化較小但副翼效率減小可達(dá)10%。由此使得飛機的失速特性、橫航向穩(wěn)定性及操縱性變差。

關(guān)鍵詞：地效；靜安定度；機理；舵效

[Abstract]As an aircraft takeoff or landing, the aerodynamic characteristics change a lot for the ground effect, such as lift/stability increasing and drag reducing etc. This paper analyzes the change of the longitudinal/lateral characteristics and maneuvering surface efficiency, and also tries to analyze the mechanism of the ground effect. Results show that, with ground effect, the stall happens 2° earlier, longitudinal stability increases 0.15 bA, lateral stability increases 10%～20%, horizontal tail efficiency increases 10%, rudder efficiency changes little while the decrease of the aileron efficiency can reach 10%. Due to these effects, stability and maneuvering ability of the aircraft are deteriorated.

[Key words]ground effect；stability；mechanism；maneuvering surface efficiency

中圖分類號：V212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A