運12飛機光電監控系統改裝氣動特性分析

趙凱 李志敏 谷鵬舉

摘要：加裝光電監控系統對飛機的氣動特性有一定影響，甚至會影響飛行安全。本文闡述了以運12飛機為載機平臺的光電監控系統改裝方案，采用計算流體力學（CFD）方法計算分析了改裝前后運12飛機的氣動力特性和表面流場。計算結果表明，光電監控系統改裝對飛機的整體壓力分布規律和流線沒有明顯影響，改裝后飛機仍是縱向靜穩定的。由此可證明運12飛機光電監控系統改裝設計方案合理可行。

關鍵詞：運12飛機;光電監控系統;改裝;氣動特性;CFD計算

中圖分類號：V211.46 文獻標識碼：A

光電監控系統主要由衛星通信（衛通）天線、功率放大器、任務系統設備、光電吊艙等設備和儀器組成，集成了紅外、可見光、激光等多種傳感器，可獲得高清晰度的圖像，具有目標智能探測識別和跟蹤、全景圖像拼接、組網監控等功能。飛機上安裝光電吊艙和衛星通信設備，可將飛行中觀測到的可見光和紅外視頻圖像，通過通信衛星實時傳回地面指揮大廳，并可實現指揮大廳與飛機上觀測人員的雙向實時語音通信[1]。因此，以飛機為載體的機載移動光電監控系統，在森林防火監控、海域巡邏、災情監測、伴飛光電跟蹤等軍民用領域具有深遠的應用價值。

以運12飛機為載機平臺加改裝的光電監控系統研究工作在國內屬于首次嘗試，由于衛通天線和光電吊艙等設備尺寸較大，對飛機氣動特性的影響會比較明顯，因此，有必要對改裝設計過程中飛機的氣動特性進行分析，以便制定設計出更加合理的改裝方案。

1 改裝設計概述

運12飛機是哈飛集團研制生產的輕型雙發多用途運輸機，設計空重2840kg，最大起飛重量5500kg，巡航速度292km/h，實用升限7000m。光電監控系統的改裝在已取得航攝改裝適航證的運12飛機上進行，飛機艙外布局圖如圖1所示。光電吊艙掛裝在航攝窗口位置處的機身底部（機身占位FS4519～FS5310），衛通天線和功放安裝在客艙頂部（機身占位FS7000～FS8200），并通過角盒對客艙頂部隔框和長桁進行加強，為了優化改裝的氣動布局，在工裝和蒙皮之間安裝整流板進行整流。所有任務系統設備集成于機載操作臺里，機載操作臺安裝在飛機客艙內。

2 氣動特性計算

2.1 計算內容

計算流體力學（CFD）是一門采用數值計算方法并利用計算機來研究流體流動現象和流動規律的學科，綜合了計算數學、流體力學、科學可視化等多種學科，目前在飛機氣動布局優化設計方面得到廣泛應用[2]。本文選取運12飛機巡航狀態為典型計算狀態，采用CFD方法對光電監控系統改裝前后飛機在不同迎角下（0°、2°、4°）的氣動力特性進行計算，對比分析改裝前后飛機氣動特性的差異，分析改裝后飛機的縱向靜穩定性，評估光電監控系統改裝對飛機飛行性能的影響。

2.2 計算模型

采用三維可壓縮非定常N-S方程對飛機外流場進行求解，湍流模型選擇SST兩方程模型，詳細的數值計算方法見參考文獻[3]。首先對飛機幾何模型進行清理和修復，簡化對升阻力影響不顯著的細節，對影響網格生成質量的破碎幾何面進行重構，對缺失的面和縫隙進行修復。計算域的外邊界采用速度人口和壓力出口，機體表面采用絕熱壁面，計算域長3000m、寬2000m、高1200m。對光電吊艙、前起落架和主起落架生成非結構網格，對其他部分生成結構網格。結構網格的網格量約為3100萬，飛機改裝前后非結構網格量分別為353萬、363萬，改裝前的結構網格通過對改裝后結構網格的衛通裝置部分進行空化后得到。衛通裝置的計算模型網格如圖2所示。

2.3 計算條件

本文氣動特性計算的條件為高度3500m，查國際標準大氣表，得空氣溫度265.4K，壓力65890Pa，密度0.8643kg/m³，黏性1.6775e^-5Pa/s。飛機參考面積36.9m²，參考重心位置X=5.095m，Y=0m，Z=1.0m，平均氣動弦長1.962m，飛行速度270km/h。

3 計算結果分析

3.1 氣動力特性分析

通過對改裝前后飛機流場進行模擬，計算得到了不同迎角下升力系數C_L、阻力系數C_D和俯仰力矩系數C_m的結果，見表1。從表中可以看出，與改裝前原始構型相比，改裝后飛機的升力系數減小，阻力系數增大，俯仰力矩系數減小。升力系數與阻力系數的絕對變化量和相對變化量均隨迎角增大而減小，升力系數的變化量不超過0.018，均小于3%，阻力系數的變化量不超過0.004，均小于8%。而迎角為2°時俯仰力矩系數的相對變化量較大，這是由于原始飛機在迎角為2°時俯仰力矩系數較小。可見光電監控系統改裝對飛機阻力有一定影響，會減小起飛的加速度，使滑跑距離、時間略有增加，也會增加飛行油耗;對升力的影響不大，因而起飛重量等的變化不大;俯仰力矩系數減小，導致升降舵操縱效率有所下降。總體來說，這種改裝對飛機氣動力特性的影響在飛機安全飛行范圍內。

圖3為改裝前后飛機俯仰力矩系數C_m隨升力系數C_L的變化曲線。從圖中可以看出，隨升力系數增大，俯仰力矩減小，因此改裝前后飛機均為縱向靜穩定的，能夠保證飛行安全。

3.2 飛機表面流場分析

圖4～圖6分別為迎角0°、2°、4°時改裝前后飛機的表面流線和壓力分布云圖。從圖中結果看，在計算的所有迎角內，改裝前飛機機翼和機身上的流線都是順流向的，改裝后飛機表面的流線也基本是順流向的，只是在翼根和機身上部尾翼之前，衛通天線使得機身上表面的壓力分布和流線產生微弱變化，同時增大了飛機翼根處的分離，使機翼升力系數有所減小。光電吊艙對機身下表面的壓力分布和流線產生了一定的影響，其尾跡對平尾也有一定影響。可見，光電監控系統改裝對飛機機翼表面的整體壓力分布規律和流線未產生顯著影響，而且衛通天線的尾跡也沒有延伸到機翼表面。另外，衛通天線的截面面積有限，其對機翼氣動力的作用是局部的。因此，運12飛機光電監控系統改裝的氣動特性是合適的。

3.3 水平尾翼的氣動力分析

截取飛機改裝前后Y=1.5m處水平尾翼（平尾）的剖面壓力分布進行對比，不同迎角下平尾的壓力分布結果如圖7所示。從圖中可以看到，經過改裝后，飛機平尾上的壓力分布產生一定變化，但變化量較小。由于機翼下洗的存在，巡航狀態下，平尾的氣動載荷是向下的，并且隨著迎角的增加，水平尾翼上下表面的壓力差減小，所以飛機的抬頭力矩減小。因此，光電監控系統改裝對運12飛機的縱向穩定性影響不大。

4 結論

從運12飛機氣動力特性及流場計算結果看，與改裝前原始飛機相比，改裝后飛機的升力系數減小，阻力系數增大，俯仰力矩系數減小。升力系數的變化量不超過3%，阻力系數的變化量不超過8%。隨升力系數增大，飛機的俯仰力矩減小，因此改裝后飛機仍是縱向靜穩定的，且縱向穩定性變化不大。加裝天線和光電吊艙對飛機流場的影響是局部的，天線的影響集中在翼根和機身上部尾翼之前，光電吊艙的影響集中在機身下表面，其尾跡對平尾也有一定影響，但光電監控系統改裝對飛機的整體壓力分布規律和流線沒有顯著影響。因此，運12飛機光電監控系統改裝的布局設計合理可行。本文對運12飛機光電監控系統改裝的氣動特性進行了計算分析，為飛機的安全飛行提供了有力的技術支持，但對飛機操穩特性變化研究不夠深入，后期將進一步深入分析光電監控系統改裝對運12飛機操穩特性的影響。

參考文獻

[1]高文生.機載衛星通信系統設計[J].衛星與網絡，2014（9）：60-62.

[2]王世安，尹貴魯.CFD在飛機設計中的應用[J].航空科學技術，2002（06）：33-36.

[3]閆超.計算流體力學方法及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.