仿雨燕机翼柔性对纵向气动特性的影响

展京霞,王晋军

(1.北京航空航天大学流体力学研究所,北京 100091;2.成都飞机设计研究所,成都 610041)

0 引 言

鸟类的翅膀是柔性的,在飞行中可以发生各种微小变形,其中由于羽翼的刚度较小而在翼稍部分产生的变形主要表现为展向弯度的变化。近年来的初步研究表明,小展弦比机翼发生柔性变形时,最大升力系数会出现突然的跃升、推迟失速[1-5],甚至出现复杂的多前缘涡结构[6]。这些研究结果提醒人们,机翼的柔性具有复杂的作用机制,对气动特性有着巨大的影响。因此,可以推断：对于鸟类和鱼等生物,翅膀和鳍的柔性变形或许对它们的运动也有特殊的作用。

雨燕是一种具有卓越飞行能力的陆鸟,它的翅膀在滑翔状态时呈镰刀状,是典型的大展弦比平面翼。在其它飞行状态时,雨燕翅膀的手翼[7-8]会发生后掠、上反、下拍等变形和运动,形成不同掠角的平面或非平面机翼形式。笔者[9]最近的研究表明,雨燕掠角的不对称变化能够在横航向交互影响较小的情况下产生显著的滚转力矩,雨燕通过这种方式可能实现快速且易于控制的滚转机动。在雨燕的飞行过程中,也可以观察到雨燕翅膀外翼部分发生的柔性变形(图1)。

图1 雨燕翅膀外翼的柔性变形Fig.1 Flexibility of common swift′s wing

目前,还没有见到有关雨燕翅膀柔性变形与其飞行姿态、气动特性等之间相互关系的研究。设计了模拟雨燕翅膀形状的大展弦比机翼,采用刚度较小的均质材料加工机翼,通过风洞测力实验研究以展向弯度变化为表现形式的变形对大展弦比机翼纵向气动特性的影响。

1 模型与实验简介

仿雨燕翅膀平面形状的机翼模型用厚度为0.8mm的均质硬铝板材加工而成,机翼的手翼部分在风洞实验时会向背风面弯曲,出现明显的展向弯度变化。这样的简单设计并不能完全模拟雨燕飞行中翅膀展向弯度的变化,但对于了解展向变形对气动特性的影响是有效的。这种在气动载荷作用下发生的被动变形随着机翼迎角的变化而改变,已有实验观察发现柔性雨燕翼模型在发生变形的同时,翼面上也存在频率较高的小幅振动[7]。

实验的柔性仿雨燕翼模型的臂翼掠角 Λa=0°。手翼分为手翼外段(hand-wingout)和手翼内段(handwingin),手翼外段相对手翼内段后掠12.13°,并保持这一相对角度不变,即手翼外段和手翼内段作为整体变化掠角。为简化起见,用手翼内段掠角表征手翼后掠情况。Λh分别为-13.88°、-3.88°、-6.12°、26.12°、46.12°和 66.12°(图 2),其中 Λh=6.12°的雨燕翼是根据滑翔飞行中雨燕翅膀的平面形状得到的,将这一平面形状的机翼称为“基本雨燕翼”。为了比较柔性变形的影响,对应各个柔性翼模型有相同平面形状的刚性翼模型,刚性翼用均质硬铝板材制成,模型厚度为2mm,在实验风速下不发生肉眼可见的明显变形。

图2 部分仿雨燕翼模型示意图Fig.2 The models of common swift′s wing

测力实验在北京航空航天大学D1低速风洞中进行,该风洞为三元开口回流风洞,试验段全长1.45m,截面形状为椭圆形,进口尺寸为1.02m×0.76m,出口尺寸为1.07m×0.81m。风洞流场品质较好,湍流度ε＜0.3%。测力用六分量杆式应变天平完成,升力和阻力测量的不确定度都小于3%。迎角通过D1风洞的迎角机构给定,模型采用侧装方式。测力实验风速为25m/s,基于根弦长的雷诺数为Rer=6.16×104。

2 结果分析

2.1 升力特性

柔性和刚性基本雨燕翼的升力系数如图3所示,升力斜率都在迎角8°附近突然减小,刚性基本雨燕翼的升力系数大幅下降,而柔性基本雨燕翼的升力没有下降。对于其它掠角的雨燕翼,升力系数在小迎角区的这种变化也会因机翼的柔性变形而减缓或消除。

图3 基本雨燕翼的升力系数Fig.3 Lift coefficient of basic swift′s wing

各个掠角的雨燕翼测力结果表明,柔性变形具有增大升力的效果见图4(a),手翼掠角对柔性变形的增升作用有一定影响。图4(b)、(c)、(d)给出了不同迎角下,柔性雨燕翼相对刚性翼的升力系数的绝对增量。从图中可以看到,柔性变形的增升作用在一定的迎角范围内有效,这和已有小后掠柔性机翼的研究结果一致[1-5]。此外,增升效果也随手翼掠角不同而有差异。在中小迎角下,手翼前掠时柔性变形的增升作用较强;在大迎角下,手翼后掠越大,柔性变形的增升作用越强。

图4 柔性雨燕翼与刚性雨燕翼升力系数的比较Fig.4 Lift coefficient of flexible and rigid wing

图5 柔性、刚性雨燕翼的随Λh的变化Fig.5 versus Λhfor flexible wing and rigid common swift′s wing

图6 柔性、刚性雨燕翼的CLmax随 Λh的变化Fig.6 Maximum lift coefficient versus Λhfor flexible and rigid common swift′s wing

柔性和刚性雨燕翼的最大升力系数CLmax在见图6,可以看出柔性变形使得机翼的CLmax都有20%以上的增长。实验结果还显示柔性变形对平面雨燕翼对应最大升力系数的失速迎角影响不大,这也说明具有柔性变形能力的翅膀也能够改善雨燕的大迎角飞行性能。

2.2 阻力特性

对手翼掠角不同的雨燕翼,柔性变形都有一定的减阻效果见图7(a),只是作用的迎角范围稍有不同见图7(b),但总体而言,柔性变形在很大的迎角范围内都能够减小雨燕翼的阻力系数。

根据阻力系数测量结果得到的升致阻力因子k随手翼掠角的变化见图8(a),可以看到,当手翼后掠时,柔性雨燕翼的k都小于刚性翼,说明在相同的升力系数下,柔性翼付出的阻力代价更小。因此,雨燕等鸟类翅膀的柔性变形可以有效地减小飞行时的升致阻力,提高气动效率。柔性雨燕翼的最大升阻比都高于刚性翼见图8(b),说明雨燕翼的柔性变形有利于巡航效率的提高。从图中可以看到,柔性翼的最大升阻比在基本雨燕翼形状时最高,达到9左右,与刚性翼相比增大了50%。这些结果说明,柔性变形具有增升减阻、提高最大升阻比的效果,因此,在鸟类的飞行中,翅膀的柔性小变形具有非常重要的意义。可见在微型飞行器的设计中,采用柔性变形机翼,可以极大地提高和改善其气动性能。

图7 柔性雨燕翼与刚性雨燕翼阻力系数的比较Fig.7 Drag coefficient for flexible and rigid wing

图8 柔性和刚性雨燕翼的升致阻力因子k、最大升阻比随Λh的变化Fig.8 Maximum lift-to drag ratio versus Λhfor flexible and rigid wing

2.3 俯仰力矩特性

柔性和刚性雨燕翼的俯仰力矩系数比较接近,小迎角线性段内柔性翼的CCLm只在前掠和较大后掠角情况下略有增大,可见柔性变形对机翼纵向静稳定性的影响较小(图9)。

图9 柔性和刚性雨燕翼的随Λh的变化Fig.9 的versus Λhfor flexible and rigid wing

3 结 论

通过风洞测力实验分析了表现为展向弯度变化的柔性变形对大展弦比雨燕翼纵向气动特性的影响。实验结果表明,这种柔性变形在较宽的迎角和机翼掠角范围内都具有增升减阻的效果,可显著提高最大升阻比和最大升力系数。因此,鸟类翅膀的柔性对其飞行具有非常重要的意义,在微型飞行器的设计中采用柔性变形机翼可显著提高其气动性能。柔性变形增升减阻的机理目前还不很清楚,有待深入研究。

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[9]展京霞,王晋军.机翼掠角非对称变化的横航向效应[J].中国科学E辑,2009,52(8)：2445-2448.