喷水试验机桁杆系统V形控制小翼升侧力特性研究

张锋 王磊 郝琳召

摘 要：喷水试验机桁杆系统V形控制小翼以较少的部件实现了纵向和侧向操纵桁杆系统的作用，其升力和侧力特性决定着整个桁杆系统的纵侧向力矩。基于某喷水试验机所采用的V形控制小翼，通过求解N-S方程数值计算方法，研究其升力和侧力随迎角、侧滑角和翼面偏转的关系，建立V形控制小翼的力学控制方程，为喷水试验机桁杆系统的气动布局设计及V翼控制设计提供参考。

关键词：喷水试验机 V翼 升力 侧力

中图分类号：V211.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0037-02

The Study on Lift Lateral Force Characteristics of the V Shaped Winglet for Water Test Aircraft

Zhang Feng Wang Lei Hao Linzhao

（Modification Department， Chinese Flight Test Establishment，Xian Shanxi，710089，China）

Abstract：V shaped winglet of water test aircraft with fewer components achieves the control of the longitudinal and lateral movement of the truss rod system. Its lift and side force characteristics determines the longitudinal and lateral moment of the truss rod system. By solving the N-S equation method with numerical calculation， the paper studys the relationship between the lift and side force of the V shaped winglet and the angle of attack， sideslip and winglet， and establish the control equation of the V shaped winglet. The result can provide reference for the aerodynamic layout design of the truss rod system and the control of the V shaped winglet for water test aircraft.

Key Words：Water test aircraft；V shaped winglet；Lift；Lateral

飛机防除冰系统试飞是飞机定型试飞的关键难题之一，传统的结冰试验需要苛刻的气象条件，严重影响了整个型号的试飞周期。因此，研制不受气象条件限制，可重复使用的结冰喷水试验机显得尤为迫切。美国在20世纪50年代后期开始研究喷水试验机，距今已成功应用于多种军/民型号飞机的结冰试验和冰风洞的验证试验[1]，国内对喷水试验机的研究相对较少，目前仍没有成熟的产品。

喷水试验机通常以运输机或客机作为载机，在载机机舱内加装结冰试验系统，在机身外围加装桁杆系统和控制小翼[2-3]，见图1。V形控制小翼以较少的部件实现了纵向和侧向操纵桁杆系统的作用，减小了桁杆系统的结构重量和飞行阻力[4-5]，一直以来都是国外喷水试验机控制小翼的首选。控制小翼由于距离桁杆系统的转轴较远，其自身的力矩特性对桁杆系统影响较小，但升力和侧力特性决定着整个桁杆系统的纵向和侧向力矩。对此，针对某喷水试验机所采用的V形控制小翼，通过求解N-S方程数值计算方法，在研究其升力和侧力特性的基础上，建立升力、侧力力学方程，为喷水试验机桁杆系统的布局设计及V翼控制提供参考。

1 计算模型

所选用计算模型为局部经修形后的桁杆与V形控制小翼布局形式，如图2所示，桁杆剖面为直径为240 mm的圆，V形控制小翼采用NACA64009翼型，其后掠角为28度，上反角为30°，转轴位于25%MAC处，规定V翼前缘上偏，后缘下偏为正。

2 计算结果及分析

2.1 V形控制小翼升力特性

由图3（a）和3（b）知，V形控制小翼在无翼面偏和负翼面偏转时，其升力系数随迎角呈线性变化。翼面正偏转时，由于翼面正偏一侧有效迎角的增加，导致大迎角时，翼面正偏转侧迎角大于失速迎角，升力曲线下偏，升力线斜率减小。

由图3（c）知，V型控制小翼两侧翼面同向偏转的升力效率约为单侧翼面偏转的2倍，这一趋势不会随飞行迎角的改变而变化。在小迎角时，翼面的升力效率基本为常数，随着飞行迎角的增加，翼面偏转侧有效迎角随之增加，对应的升力增量减小，导致大迎角时翼面效率有所减小，且迎角越大，减小越多。

由图3（d）知，在小侧滑角情况下，偏转左、右翼面，其效率基本不变，大侧滑时，左、有翼面偏转引起的升力效率略有不同，具体表现为正侧滑时，左侧翼面效率随着侧滑角的增加而略有增加，右侧翼面效率则略有减小；两侧翼面同向偏转时，总的翼面效略有减小。

2.2 V形控制小翼侧力特性

由图4可知，左、右翼面单侧偏转对侧力曲线的影响趋势一致，效率反向，量级相当，同向偏转几乎不产生侧力，迎角和侧滑角对V形小翼侧力效率的影响较小。

2.3 升力侧力方程的建立

根据以上分析可知，V形控制小翼左、右同向偏转可以操作桁杆系统纵向运动，差动偏转可操作桁杆系统侧向运动，参考常规布局飞机的在定常流，小迎角下的力学方程，通过拆分左、有翼面的效率，提出V翼控制小翼在定常流，小迎角下的升力侧力方程（1）。

（1）

3 結语

在某喷水试验机桁杆系统V形控制小翼升力、侧力研究的基础上，建立V形控制小翼的升力侧力方程，研究表明：

（1）V形控制小翼的气动力由左、右翼面分别产生，在原力学方程的基础上，拆分左、右翼面的效率得到V形控制小翼的升力侧力方程。

（2）在小迎角时，V形控制小翼的升力随迎角呈线性变化，左、右翼面产生的升力基本相当，只有在大迎角时略有不同。

（3）V形控制小翼的侧力随侧滑角呈线性变化，左翼面偏转产生的侧力与右翼面产生的侧力符合相反，大小随侧滑角的不同略有差异，这正是可以通过V形控制小翼的差动偏转实现桁杆系统侧向运动的原因。

研究结果可为喷水试验机桁杆系统的布局设计及V翼控制设计提供参考。

参考文献

[1] Russell A.Ashenden.Conducting Artificial Tailplane Icing Evaluations at the Air Force Flight Test Center.AIAA-95-0450 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，January 9-12，1995/Reno，NV.

[2] Jeremy J.Simth*，Donald L.Kunz. Simulation of the dynamically coupled KC-135 Tanker and refueling boom.AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit 20-23， August 2007.

[3] C.H.Spenny.Boom Performance Envelope Expansion for Aerial Refueling With the KC-135 Tanker，AIAA/AHS/ASEE Aerospace Design Conference， February 16-19，1993.

[4] 马东立，马铁林，刘薇薇.某无人机气动估算与风洞试验[J].北京航空航天大学学报，2006，32（12）：1399-1402，1417.

[5] 李琼云，王正平.V形尾翼气动布局纵向力矩特性研究[J].飞行力学，2008，26（4）：8-10.

[6] ANSYS，nc.ANSYS FLUENT theory guide[R].2011.