一種新型大小機翼氣動布局及氣動特性研究

李茂源，楊 蓓*，涂杲星，王 云

（1.南昌航空大學 飛行器工程學院，江西 南昌 330063；2.臺州學院 航空工程學院，浙江 臺州 318000）

飛行器在飛行過程中會受到大氣湍流的影響，導致飛行器升力不穩定，輕則影響飛機的飛行品質，重則使得飛機操控困難，引發安全事故[1]。在當今無人機逐漸成為主流的情況下，如何提高艦載無人機的起降特性以及提高無人機飛行穩定性是需要關注的方面。1945年，DanilR.Zuck首次提出了自由翼的概念，并設計制造了一架小型自由翼飛機[2]；1952年，G.G.Spratt也采用自由翼這一新型思想構建了一架飛行器[3]；南京航空航天大學程川也對自由翼進行了研究，證明自由翼在受到陣風、湍流擾動后恢復平衡迎角的能力[4]。RO K.和PARK W分別利用實驗和計算仿真的方法在典型的無人機中證明了自由傾轉機翼具有極好的起降能力以及對于陣風的緩解能力[5-6]。但自由翼多采用后緣反轉的翼型，使得機翼后緣出現較大的氣動損失，降低了飛行器的氣動性能。

而對于排式雙翼布局，近年來也得到了越來越多的關注，西北工業大學的華如豪等通過研究排式布局飛行器證明排式布局在低速情況下可以通過機翼間氣流的加速來延緩流動的分離[7-9]。張慶等通過研究排式雙翼布局低雷諾數氣動特性表明排式布局能通過前后翼之間的氣動干擾延緩或抑制機翼后緣處的流動分離，從而提高整體氣動效率[10]。北京航空航天大學的LUO等研究了低雷諾數下的雙翼氣動干擾問題，其中雙翼耦合的布局可使升阻比在低雷諾數下得到提高[11]。國外的ALAM G等通過研究NACA0024翼型表明上下雙翼布局的不同結構形式對整體的氣動性能有著不同的影響[12]，HUSAIN Z等人通過商用流體力學計算軟件表明雙翼之間會存在一定的氣動干擾，降低氣動性能，并對雙翼布局翼型的最優位置進行了探索[13]。卓梅芳等人通過對雙翼跨聲速氣動干擾的研究表明，雙翼之間的不同位置對氣動性能影響很大，合理的雙翼配置能夠提升布局的升阻特性，降低雙翼之間的氣動干擾[14]。上述的研究大部分都是基于小機翼下置的情況，對小機翼上置的排翼布局氣動特性少有研究。

本文在自由翼的基礎上，結合排翼布局的特點，創新性地提出了一種新型大小機翼，通過建立力學模型對自適應變攻角的可行性進行初步驗證，指明新型布局形式的應用方向。并通過數值模擬的方法來展開研究大小機翼布局的氣動特性，優化大小機翼的相對位置以提高氣動特性。

1 新型大小機翼的原理

這種大小機翼結構原理就是把原來與機身固定的機翼改為通過一個轉動軸能繞機身小角度偏轉的活動機翼，其中轉軸位于大機翼的氣動中心位置，大機翼后緣上部設置一個調節小機翼，當飛機空速增加時，該小機翼會產生向上的額外升力，該升力會使機翼產生低頭力矩，使機翼攻角減小，平衡抵消掉因空速增加導致機翼升力的增加值，維持與飛機重量平衡，使飛機穩定飛行；相反，當飛機空速減少時，該小機翼產生的升力減小，會使機翼產生額外的抬頭力矩，使機翼攻角增加，平衡抵消掉因空速減小導致機翼升力的減小值，同樣維持飛機穩定飛行。速度的擾動使得大小機翼圍繞轉軸產生攻角自調整效果，而且在機翼攻角自動調整的過程中機身姿態基本不受影響，飛行平穩性得到改善。當要人為控制飛機升降時，這時仍可以像傳統飛機一樣通過操縱水平尾翼，與自動調整攻角大小的機翼一道共同改變機翼攻角，實現飛機升降控制。如圖1所示為大小機翼氣動布局的形式。

圖1 大小機翼飛行示意圖

以下通過建立力學模型來進行進一步說明，假設攻角自調整大小機翼在巡航狀態時其力和力矩處于平衡狀態，其受力圖如圖2所示，其中，大機翼升力為L1，大機翼壓心到轉軸的距離為X1，小機翼的升力為L2，小機翼到轉軸的距離為X2，大小機翼的重力為W，重心到轉軸的距離為X3。

圖2 大機翼和小機翼巡航狀態受力圖

設在巡航狀態處于力矩平衡狀態，即：

對轉軸的力矩ΣM0可表示為：

當速度出現擾動Δv時，這里不妨設Δv＞0，速度增加使得升力增加ΔL，即，速度擾動后，轉軸處的力矩可以表示為：

即轉軸力矩變大，大于巡航狀態的力矩，ΣM0＞0，大小機翼圍繞轉軸低頭（攻角減小），使得大小機翼的升力減小。

設在速度擾動下大小機翼攻角減小至α′時，大小機翼的力矩再次平衡，即：

可得再次平衡時來流速度擾動和攻角調整量的關系：

即當巡航速度擾動后，在空氣動力作用下大小機翼能使得攻角自調整，使得大小機翼再次平衡，通過自改變攻角的方式來減少速度擾動后的升力變化。

在以下本文擬采用數值模擬的方法圍繞大小機翼布局的氣動特性進行相應的研究，優化大小機翼相對位置，降低大小機翼的氣動干擾。

2 數值仿真分析

2.1 控制方程和湍流模型

數值模擬的方法非常簡便，對成本的要求也比較低，本文提出的布局形式適用于低速飛行器，選擇無人機常用的NACA2412翼型，參考文獻的研究方法，對大小機翼氣動特性展開研究[15-16]。對于流體仿真來說，良好的網格質量可以提高求解速度也可以提高求解精度，本文使用ICEM來進行流場結構化網格劃分，流場大小為前后35倍弦長，上下25倍弦長，對大小機翼之間的流動區域進行適當加密，全局網格增長率不超過1.2，邊界層網格增長率為1.05，減少因網格增長率過大而引起的計算誤差。流場求解使用Fluent軟件，基于有限體積法求解不可壓縮N-S方程來進行仿真模擬。低速下來流馬赫數一般小于0.3，這種流動狀態一般可近似為不可壓縮流動，對于不可壓縮流體選擇基于壓力的求解方式，雙精度求解，采用simple算法，壓力項、對流相和湍流項采用二階迎風，二階迎風的計算精度較好[16]。湍流模型選擇SST k-ω模型，與標準的k-ω模型相比，該模型合并了來源于ω方程中的交叉擴散，湍流粘度考慮了湍流剪應力的傳播，使SST k-ω模型在廣泛的流動領域中有著更高的精度和可信度[17]。

對于不可壓縮流動，Reynolds-averaged動量方程如下：

雷諾應力方程可以寫為：

其中τij和τtij表示分子應力張量和雷諾應力張量：

對于不可壓縮流體，SST k-ω模型封閉RANS方程的形式可以寫為：

2.2 數值驗證

計算工況為來流速度20 m/s，空氣的粘性系數1.78×10-5Pa·s，不可壓縮氣體的密度1.225 kg·m-3，基于弦長的雷諾數為1.4×106，為了保證計算精度準確模擬邊界層流動，邊界層網格法向第一層網格高度相對弦長為2×10-6，滿足SST k-ω模型最佳Y+值約為1[18]。

不同位置下網格示意圖如圖3所示，NACA2412翼型的計算值和實驗值的壓力系數曲線如圖4所示，升力系數隨攻角模擬結果和實驗值對比見表1。由圖4和表1可知，在攻角為10°的表面壓力系數仿真計算結果和升力系數隨攻角變化與Dr.MATSSON J E等人的研究結果相近[19-20]，計算誤差滿足流場計算的要求。

表1 升力系數隨攻角模擬結果和實驗值對比

圖3 網格示意圖

圖4 表面壓力系數仿真值和實驗值對比

3 計算模型

考慮到大小機翼關于上下的相對位置是固定的，為了避免混亂，下文對下機翼采用大機翼的叫法，上機翼采用小機翼的叫法。大機翼和小機翼的相對弦長、間距、不同的交錯位置、翼差角，都會有不同的氣動特性，影響大小機翼的整體性能，本文以機翼后緣為參考點，研究的參數如圖5所示，交錯s為平行于大機翼弦長方向的縱向距離，以小翼后緣點在大翼后緣點前方為正，間隔g為大小機翼之間垂直于大機翼弦長方向的距離，翼差角δ為小機翼和大機翼弦長線的交線夾角，取圖示夾角規定為正值，交錯s、間隔g、翼差角δ均是相對于大機翼弦長的無量綱參數。K表示大小機翼耦合時整體升力和阻力的比值；Kmoninterference表示無干擾下的升阻比，研究各幾何參數對布局氣動特性的影響。

圖5 參數定義

3.1 不同間距對大小機翼氣動特性的影響

從圖6可以看出大小機翼間隔的變化對于大機翼的升力系數影響很小，其中r=0.1和r=0.2的情況下無干擾和有干擾的升力系數曲線在失速迎角之前基本重合，大機翼的失速迎角也基本不發生變化，維持在16°左右。r=0.3時，間隔g=0.2的狀態下，10°迎角之前大機翼的無干擾升力系數小于雙翼干擾情況下的升力系數，這是由于大小機翼在小于10°迎角下，由于氣流流過大小機翼之間的狹窄通道，氣流加速，通道內出現了低壓區域，大機翼的尾緣部分獲得了更大的升力，所以導致大機翼的升力系數相對于無干擾的情況下出現略微提高。在間隔g大于0.2的情況下，隨著間隔的增加，升力系數以及升阻比都更加接近無干擾時候的升力系數和升阻比。

圖6 大機翼升力系數變化情況

弦長比r=0.3，間隔g=0.2時，小攻角下的壓力云圖如圖7所示，可以看出小機翼受到大機翼的影響較大，大小機翼之間通道氣流加速形成低壓區域會使小機翼在攻角較小時下翼面壓力減小，產生負升力，r=0.3，g=0.2，6°攻角下，如圖7（a）所示小機翼依然有負升力的產生，直到8°攻角下才產生正的升力，如圖7（b）所示。雖然對雙翼布局下的大機翼升力有提升作用，但是這不利于大小機翼整體的氣動性能，間隔越大，大小機翼的性能越接近無干擾時的氣動性能，由于該布局需要小機翼通過升力的變化向大機翼傳遞轉動力矩，距離太遠不利于結構的穩定性，所以g=0.4比較合適。

圖7 r=0.3，g=0.2，AOA=6°/8°大小機翼壓力云圖

在g≥0.2，s=0，δ=0時，從圖8中可以看出，間隔的變化不會影響大小機翼Kmax的迎角，大小機翼的整體最大升阻比迎角都在8°，并且可以看到，在Kmax迎角之前，3種不同弦長比的大小機翼的升阻比K均隨著大小機翼間隔的增加而增加，由此可以看出，在10°攻角之前，隨著大小機翼間隔的增加，升阻比也相對增加，但是在10°之后接近臨界迎角16°時，趨勢發生了改變，表現為間隔越小，大小機翼的升阻比反而會變大，這是由于，在接近臨界迎角時，小間距的情況下，隨著迎角的變大，大機翼后緣會發生邊界層分離，大小機翼之間的通道使大機翼上表面氣流流動的逆壓梯度減小，一定程度上抑制了大機翼后緣部分的流動分離，進而提高整個大小機翼的升阻比，側面反映了大攻角下邊界層分離是升力系數下降的主要原因，也說明大攻角下，小間距的大小機翼有著良好的氣動性能。

圖8 升阻比隨攻角變化

3.2 不同弦長比對大小機翼氣動特性的影響

在交錯和間隔相同時，弦長比的不同，大小機翼之間相互干擾的區域大小不同，如圖9所示，不同弦長比大小機翼升阻比變化趨勢趨于一致，相同工況下，弦長比越大，最大升阻比越小。AOA=8°，r=0.1時整體升阻比相較于無干擾升阻比下降5.07%，r=0.2下降7.52%，r=0.3下降10.9%。

圖9 整體升阻比隨攻角變化

由上文分析可知大小機翼的弦長比不會影響大小機翼的整體最大升阻比迎角，下面選取最大升阻比的攻角8°進行研究。由圖10可知，隨著弦長比r的增加，在不同的間隔g下整體的升阻比K處于線性下降狀態，其中g=0.4，r=0.1時最大升阻比與無干擾升阻比相比下降3.78%。由圖11可知在間隔g=0.4和g=0.6的時候大機翼的升阻比卻隨著弦長比的增加顯著提高，升阻比提高的原因為大機翼的阻力系數隨著間隔的增大而減小，從而使得大機翼的升阻比升高。在間隔g=0.2，攻角為8°不變時，大機翼的升阻比隨著大小機翼弦長比的增加而顯著的降低，這是由于隨著弦長比的增加，大小機翼之間的通道變長，影響區域變大，且此時攻角沒有接近失速迎角，小機翼抑制大機翼后緣邊界層分離的效果較差所以使得大小機翼之間的互相氣動干擾增大。

圖10 整體升阻比隨弦長比變化

圖11 升阻比隨弦長比和間隔變化

由圖12可以看出，間隔g=0.2時小機翼的阻力系數隨著弦長比的增加而減小，其氣動性能會發生突變，這和文獻[11]中小間距的氣動特性和大間距的氣動特性存在差異的描述相符合。在間隔g≥0.4時小機翼阻力系數隨著弦長比的增大而增大，大機翼的阻力系數隨著弦長比的增大減小，造成的效果是，大小機翼耦合時整體的阻力系數隨著弦長比的增大而增大，升阻比隨著弦長比的增大而減小，所以為了提高升阻比，應盡可能的減小布局中小機翼的弦長。由此可見，在8°攻角下弦長比越小，整體的氣動性能越好。

圖12 阻力系數隨弦長比變化

3.3 不同交錯形式對大小機翼氣動特性的影響

選擇不同的弦長比研究不同的交錯形式對大小機翼升阻特性的影響。從圖13可以看出，在不同的交錯形式中（小機翼后緣相對大機翼向前緣移動為正），弦長比越大，不同交錯位置大小機翼的整體升阻比越小，隨交錯位置變化的幅度越大。當交錯s=0.2時，整體升阻比下降最多。由圖14可知，耦合狀態下小機翼會提升大機翼的氣動性能，s=0時，在小機翼作用下大機翼升阻比提高34.84%，小機翼的升阻比下降較多，造成的結果是整體升阻比略有下降。交錯s=0.2時整體升阻比下降最多，其中r=0.1時下降5.67%，r=0.2時下降11%，r=0.3時下降15.23%。由此可得，當小機翼的位置趨近于大機翼的前緣（s≥0.2）和后緣時，大小機翼的整體升阻比越接近無干擾升阻比。

圖13 整體升阻比隨交錯位置變化曲線

圖14大機翼和小機翼升阻比隨交錯變化曲線

3.4 不同的翼差角對大小機翼氣動特性的影響

圖15 給出大機翼的攻角不發生變化時，升阻比隨翼差角δ的變化曲線。由圖15可知，隨著翼差角的變大（小機翼相對大機翼從低頭到抬頭），大小機翼的整體升阻比先增大后減小，且小機翼相對大機翼抬頭越大，氣動干擾越強，其中翼差角為0時相比無干擾升阻比下降最少，翼差角為4°時下降18.25%。由此可得在r=0.1，g=0.4的情況下，翼差角為0可以使整體升阻比最大。

圖15 升阻比隨翼差角變化

3.5 新型大小機翼布局對起飛階段的影響

本文設計的新型布局機翼，可以在速度未達到巡航速度時保持大攻角狀態，這有利于提升飛機起降性能。飛機的起飛滑跑距離受到升力系數的影響，一般情況下，飛機的升力系數越大離地速度越小，但是離地迎角往往受到擦尾迎角的限制。本文設計的新型攻角自調整型大小機翼由于大機翼可以轉動的特性，大機翼可以在5°范圍內轉動，這就使得擦地角對飛機的限制減小，大小機翼可以通過機翼的轉動而不是飛機抬頭來獲取更大的升力系數，使得起飛迎角更接近臨界迎角來獲得更大的升力系數從而降低起飛離地速度，縮短滑跑距離，并且大機翼上方的小機翼也能提供額外的升力系數進一步縮短滑跑距離。根據參考文獻[21]提供的計算公式：

其中Vl0表示離地速度；Waft表示飛機重力；ρ表示空氣密度；S表示參考面積；Cl表示升力系數，若機翼離地仰角為10°，假定起飛狀態如下：

忽略離地速度變化對升力系數的影響，可得離地速度約為20 m/s，在此速度下，由于大小機翼的轉動特性，見表2，起飛迎角最大可達到15°，相對于傳統固定翼布局的最大起飛迎角10°，升力系數為1.18160，大小機翼能夠降低起飛的離地速度。

表2 離地攻角對離地速度影響

3.6 亞聲速可壓縮飛行下大小機翼氣動特性

由上文分析可知，大小機翼合適的相對位置能使得大機翼的升阻比提高，同時使得整體升阻比接近無干擾升阻比。但是大小機翼的氣動性能在高速可壓縮流動中沒有得到驗證。在上文選取的r=0.1，g=0.4，s=0，δ=0，攻角為8°的情況下對大小機翼布局以及單獨機翼布局進行氣動仿真。選取沿展長方向0%，40%，80%截面處導出大小機翼和單翼布局表面壓力值繪制三維曲面圖，如圖16和圖17所示，大小機翼對比單翼布局在0.35馬赫數的流場中，不同截面處的表面壓力分布基本不發生變化，大小機翼的氣動干擾隨著流場速度的增加不發生明顯變化。取40%展長處截面，其壓力云圖如圖18所示，由圖可知，大機翼前緣駐點位置基本不變，小機翼由于處于大機翼的背風區，實際攻角略有減小，前緣駐點向上發生移動。大小機翼和單翼布局的上翼面壓力梯度分布也保持一致，大機翼和小機翼之間形成的通道內也沒有明顯的壓力突變，說明此類大小機翼的相對位置在中低亞聲速流動中也有一定的適用性，并不會因速度的提高而產生劇烈的干擾。

圖16 不同截面處大小機翼表面壓力

圖17 壓力云圖

圖18 40%展長截面處壓力云圖

4 結論

（1）本文創新性地提出了一種新型的大小機翼布局形式，其設計結合了自由翼和排翼布局，建立了力學模型，充分利用二者之間的空氣動力關系，使得該新型布局具有攻角自調整的能力，使得來流擾動和攻角相匹配，提高飛行穩定性，減少飛行操縱壓力。

（2）小機翼上置的布局形式氣動特性中，10°攻角之前，弦長比r=0.3，間隔g=0.2時，雙翼布局大機翼的升力系數大于單翼布局，小機翼在該種布局下對大機翼有增升作用。在大于10°攻角，接近臨界迎角的工況下，小機翼一定程度上抑制了大機翼的后緣邊界層分離，小機翼和大機翼間隔越小，大小機翼整體的升阻比越大。

（3）本文對大小機翼氣動特性的數值模擬研究表明，大小機翼的弦長比、間隔不會影響最大升阻比攻角大小。但弦長比r、交錯位置s、間隔g以及翼差角δ均會影響大小機翼的整體升阻比，其中在攻角為8°時，r=0.1，g=0.4，s=0，δ=0時，小機翼能夠使大機翼升阻比提高34.84%，同時整體升阻比相較于無干擾升阻比僅降低3.78%，小機翼能一定程度上提高大機翼氣動性能。在該相對位置下，交錯s≥0.2，以及s≤0時會使大小機翼的整體干擾減小，并且小機翼和大機翼存在翼差角時會降低整體升阻比。

（4）在中低馬赫數可壓縮亞音速流動進行一定驗證，結果表明0.35馬赫，8°攻角巡航工況下，耦合情況下大機翼和單翼布局表面壓力分布趨近一致，該種布局也一定程度使用中低馬赫數可壓縮流動中。

（5）采用新型氣動布局形式，最大可降低起飛13%左右的起飛離地速度。并且能夠不受起飛擦地角的限制，在未來適用于短距起降等無人機構型上，給飛機的設計提供更多的參考。