寬速域無尾布局氣動焦點變化規律研究

戴旭平 王霄 盧恩巍 張璇 王澤宇

摘要：水平起降、寬速域飛行的高超聲速飛機是航空技術的一個重要發展方向。這類飛機常采用無尾布局形式，該布局全速域氣動焦點移動范圍大，且舵面配平能力有限，縱向穩定性設計是一項關鍵技術。本文針對典型的寬速域無尾布局概念方案，通過數值仿真方法，研究了不同前體截面形狀、邊條平面形狀和前機身長度的寬速域氣動焦點變化規律，并重點關注了高超聲速相對低速的焦點前移問題。研究結果表明，前機身長度對高超聲速相對低速焦點前移的影響最明顯；前機身越長，高超聲速相比低速焦點前移趨勢越明顯。亞、跨和低超聲速范圍，尖側緣脊型和下表面平面的半圓形前機身截面相比橢圓截面使焦點小幅前移；高超聲速范圍前機身截面形狀對焦點影響較小。邊條平面形狀對高超聲速相比低速氣動焦點前移量影響較小。本文的研究結果可為此類寬速域無尾布局設計提供參考。

關鍵詞：氣動焦點；寬速域；高超聲速；前機身；邊條

中圖分類號：V221.3文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.012

水平起降高超聲速飛機具有使用靈活、生存力強的優勢，近年來成為國外航空航天領域研究重點之一。在此背景下，波音公司和洛克希德-馬丁公司分別發布了Manta[1]和SR-72飛機[2]，該類飛機采用并聯渦輪基組合循環（TBCC）動力，巡航速度為馬赫數6～7，主要用于高超聲速情報、監視和偵察（ISR）與打擊。這兩型飛機采用大后掠小展弦比菱形薄機翼、無尾、機體推進高度一體化的氣動布局形式。

該類布局俯仰力矩設計具有如下特點：首先，從亞聲速、超聲速到高超聲速，升力產生機制逐漸由翼面環量升力過渡到全機迎風面壓縮/背風面膨脹升力，因此機身尤其是高度一體化的寬扁前體對高超聲速范圍內氣動焦點的影響尤其顯著，導致寬速域焦點變化范圍大；其次，高超聲速機體/推進一體化技術是制約總體性能提升的關鍵技術[3-4]，而高度一體化的上下非對稱推進系統不同工況對零升俯仰力矩影響量大；最后，無尾布局由于俯仰操縱面力臂較短，高超聲速翼面/舵面升力線斜率小，俯仰操縱能力較低。因此氣動焦點、重心位置、零升俯仰力矩和俯仰操縱能力的匹配設計，是機體推進高度一體化的高超聲速無尾氣動布局設計的重點之一。

高超聲速相對低速氣動焦點過于靠后，可能導致高超巡航點縱向靜穩定度過大，配平損失過大；高超聲速相對低速氣動焦點過于靠前，可能存在高超巡航點縱向靜不穩定度過大的問題，導致配平損失過大，且難以滿足操穩特性要求。因此，氣動焦點變化規律對于無尾布局高超聲速飛機氣動布局設計至關重要。本文重點研究無尾布局寬速域氣動焦點變化規律，并分析其主要影響因素。

1背景方案

無尾氣動布局相比正常式氣動布局，具有跨超聲速阻力低的優勢[5]，因此國外多型寬速域飛機采用無尾布局，如“幻影”2000、“黑雨燕”、SR-71和XB-70等。

通過文獻測繪三面圖[6]，并構建初步三維數模，采用數值仿真方法（詳情見本文第2節）獲得了上述4型飛機Ma0.3～4.0范圍小迎角氣動焦點，如圖1所示。從亞聲速到跨聲速，上述幾型飛機氣動焦點隨馬赫數增加迅速后移，變化規律基本一致；但進入超聲速以后，不同布局氣動焦點隨馬赫數增加的變化規律存在顯著差異；不同布局高馬赫數相比低速氣動焦點前移或后移量明顯不同。

本文研究對象為大后掠菱形機翼無尾翼身組合體（見圖2）。研究前體截面形狀、前體長度和邊條對氣動焦點的影響。

2計算方法及驗證

本文采用k-ε湍流模型的雷諾平均N-S方程求解湍流平均流場，即把流場變量分解為平均量和脈動量兩部分，代入全N-S方程并取平均，在Morkovin假設下得到關于平均量的方程。空間離散格式采用AUSM格式，采用絕熱和無滑移邊界條件。

計算采用四面體非結構網格。為模擬邊界層內流動，物面采用棱柱層網格，壁面y+值在1.0附近。

為驗證數值仿真方法的可靠性，對AGARD-B標模[8]（見圖3）開展典型馬赫數小迎角數值仿真。

表1對比給出了Ma=0.7、2.0和4.0小迎角范圍升力線斜率和氣動焦點的數值仿真和風洞試驗結果[9-10]。仿真和試驗結果差別不大；兩者升力線斜率最大偏差0.0011，焦點位置最大偏差1.1%cA，表明計算方法合理可靠。

3前體及邊條對氣動焦點影響研究

3.1前體截面形狀

以翼身組合體非通氣模型為對象，研究了5種前體截面形狀，分別定義為A、B、C、D和E。前機身截面寬度相同，高度和截面形狀不同，詳情見圖4和表2。

通過數值仿真，獲得了不同前體截面形狀翼身組合體Ma=0.3～6.0范圍氣動焦點，如圖5所示。A、B和C對比可以看出，前體寬度相同情況下，橢圓形截面寬高比對翼身組合體氣動焦點影響不大。寬度和寬高比相同情況下，亞、跨和低超聲速，尖側緣脊型D和下表面平面的半圓形截面E相比橢圓截面B焦點前移1.0%～2.0% cA左右；高超聲速不同截面焦點差別不大。

3.2邊條平面形狀

通過數值仿真，獲得不同邊條翼身組合體寬速域氣動焦點。結果表明：相同馬赫數，從S0加長到S3，隨著邊條相對面積矩增加，焦點前移量基本成線性增加，如圖9和圖10所示。不同邊條方案高超聲速相比低速焦點前移量基本一致，在4.0% cA左右。

圖11和圖12給出了迎角4°，不同邊條翼身組合體典型展向截面壓力系數分布曲線。Ma0.3時，邊條S0截面升力主要來自翼型上表面前段的吸力；邊條加長至S3，上表面前段吸力位置前移，從而導致升力增量前移，焦點隨之前移，如圖11所示。Ma6.0時，邊條S0截面升力主要來自翼型下表面前段的激波壓縮升力；邊條S0加長至S3，下表面前段壓縮升力隨之前移，從而導致升力增量前移，焦點隨之前移，如圖12所示。

3.3前機身長度

4風洞試驗

為滿足寬速域操穩需求，減小高超聲速相比低速焦點的前移量，同時兼顧超聲速阻力和進氣道調節便利性，方案選取前機頭H0、邊條S3和前機身半圓形截面。采用上述構型的翼身組合體通氣模型，在中國航天空氣動力技術研究院的FD06和FD07分別開展了優選布局Ma0.4～4.0和Ma5.0～6.0全機測力風洞試驗。試驗結果表明，數值仿真和風洞試驗氣動焦點隨馬赫數變化規律一致，量值相差不大（見圖18）；Ma6.0相對Ma0.4焦點前移量為3.2% cA，滿足寬速域操穩特性需求。

5結論

本文針對某高超聲速大后掠菱形機翼無尾布局通氣模型，開展了前體截面形狀、邊條平面形狀和前體機身長度對氣動焦點影響的研究，主要結論如下：

（1）亞、跨和低超聲速范圍，尖側緣脊型和下表面平面的半圓形前機身截面相比橢圓形截面使焦點小幅前移；高超聲速范圍前機身截面形狀對焦點影響較小。

（2）相同馬赫數，焦點前移量與邊條相對面積矩基本成正比；不同邊條高超聲速相比低速焦點前移量差別不大。

（3）增加前體長度，各馬赫數焦點前移量與俯視增加面積的相對面積矩基本成正比。相比前機身截面和邊條，前機身長度對高超聲速相對低速焦點前移的影響最明顯；前機身越長，高超聲速相比低速焦點前移趨勢越明顯。

參考文獻

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[10]Coats Jack D. Force tests of on AGARD calibration model B at Ma=2.5 to 6.0[R].AEDC-TN-60-182，1956.（責任編輯王昕）

作者簡介

戴旭平（1980-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機氣動布局設計。

Tel：18640065010

E-mail：t18640065010@qq.com

王霄（1981-）男，博士研究生，研究員。主要研究方向：飛機氣動布局及進排氣設計。

Tel：024-26784102E-mail：alenwx@126.com

Investigation on Aerodynamic Center of Tailless Configuration Under the Wide Mach Number Range

Dai Xuping*，Wang Xiao，Lu Enwei，Zhang Xuan，Wang Zeyu

AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China

Abstract： Hypersonic aircraft which could take off and land horizontally and fly at wide-range Mach number is a key development direction in the aviation technology field. Tailless configuration is used for this kind of airplane. This tailless configuration is featured with the wide range movement of aerodynamic center and limitation of pitch balance ability， so the design of longitudinal stability is a critical technology for the aircraft. In this paper， numerical simulation is employed to research the aerodynamic center with different forehead section shapes， forehead length and straws for a tailless configuration of wide-range mach number. The result indicates that the forehead length is crucial for the aerodynamic center forward movement from low speed to hypersonic. The longer the forehead is， the further the aerodynamic center moves forward from low speed to hypersonic. The shape of straw has less impact on the aerodynamic center forward movement from low speed to hypersonic. The study results provide reference for the tailless configuration under wide-range Mach number.

Key Words： aerodynamic center； wide-range mach number； hypersonic； forehead； straw