联结翼布局气动特性研究

陈伟强 崔旭

【摘 要】进入21世纪后，无人机在现代战争中显示出越来越重要的作用。其中，军用无人机发展的重点将集中在长航时无人机、作战无人机、低成本无人机以及微型无人机上。本文针对我国目前的战略要求，对联结翼布局设计气动特性进行研究。通过调整前后翼的展长比、翼隔、翼差角等几何参数，具有较好的气动性能。

【关键词】高空长航时 无人机 联结翼 总体参数

海湾战争以后，美国根据侦查要求，发展高空长航时无人机。其抛弃一系列的高空维生系统，减轻了无人机的重量，具有更长的航时。中国在80年代开始应用无人机，作为防空体系的靶机与干扰诱饵。无人机在未来的战争中充当着越来越重要的角色，其不仅可以进行高空侦查，必要时还可以对敌方目标进行攻击。无人机中的联结翼可以增加机翼的刚度，使大展弦比的机翼翼尖位移减小，降低材料要求与成本。

1联结翼布局研究背景

联结翼布局最早由Wolkovitch于1986年提出，具有占用空间小、重量较轻的特点。其需要结合航迹规划灵活合理地选择飞行路线，不能单纯依靠外形隐身来达到较高的生存力。从结构设计的角度来说，联结翼布局所具有的直接力控制能力可为机动性提供必要的技术保证。联结翼的前翼和后翼相互连接在一起，简化为双支点梁。这使得结构重量与前翼盒段根部所受到的弯矩在气动损失较小的情况下，可明显减小。所谓菱形翼可以被看作是联结翼的一种形式，该布局可以被定义为一种前翼、后翼连接成在俯视图和前视图都构成菱形的串联式机翼布局。根据双翼空间布置的不同还可分为平列式布局和后翼斜置式布局两种。布局根据前、后翼联结方式的不同又可分为翼面直连式和翼尖小翼连接式。研究表明，联结翼布局飞行器， 具有气动效率高、结构重量小的特点。但也存在展向流动大、连接处流动复杂等问题。作为一种创新型的亚、跨声速布局，联结翼飞行器在过去的20多年里吸引了众多学者与机构对其进行研究和探索。

2联结翼的气动特性与求解模型

合理的联结翼布局的气动估算模型能够快速对联结翼布局进行计算，剔除对气动影响较小的部分。在模型建立的前期，采用计算流体力学方法（CFD）得出各设计变量对气动特性的影响关系，为求解模型的建立做基础性铺垫。通过将干扰因子引入到模型分析中，解决了升力线理论无法分析附着涡影响的不足，得出了联结翼布局的气动求解模型。

（1）飞行器气动学科的计算方法主要分为三个精度级别：气动力工程估算方法为第一级别，精度最低。通过对飞行器几何外形简单的描述来计算各部件的升、阻和力矩等性能，最终求和得出全机气动性能。其特点是求解速度快，但有一定的适用范围。且飞行器的细节特征很难计算准确，尤其是各部件的干扰阻力；第二级精度级别是升力面理论（涡格法），将物面划分成若干涡面，用马蹄涡来代替面分布的基本漩涡作为升力面的气动模型，该方法思路明晰，计算简便。但只能对诱导阻力，零升阻力还需要估算完成；第三精度级别是计算流体力学，该方法是目前精度最高的计算方法。它的基本思想是将空间上和时间上连续的流场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替。通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的方程组，然后通过求解方程组来获得场变量的近似值。

（2）联结翼布局在飞机上的应用研究在国外早已开展，针对此种布局的气动与结构设计都取得了很大进展。Wolkovitch早在1986年就提出了联结翼布局的许多新特点，在此后的研究中，多位学者对联结翼布局在气动、结构、颤振以及相互耦合关系方面进行了研究。国内学者针对联结翼布局的研究开展较晚，但也取得了初步的成效，通过风洞试验与理论计算相结合的方式，获得了许多有参考价值的数据。但所选择的计算模型较为简单，不能完整的反映实际联结翼布局气动力的特点。在分析联结翼布局的诱导阻力时，很多学者都采用了基于Prandtl-Munk对双翼机诱导阻力的计算分析，Prandtl提出干扰因子，用以确定双翼机机翼效率系数。但与计算和试验结果对比发现采用这种方法计算出的翼展效率因子过小，这主要是因为该理论假定前翼产生的脱体涡不破裂并和自由流平行，Munk提出的假设过高的估计了后翼与前翼交错部位的下洗及上洗影响。

（3）基于升力线理论对诱导速度的定义展开的升力线理论的基本思想是，通过把机翼的每一个纵向剖面上的流动看作是均匀流绕该剖面（翼型）的二维平面流动。升力线理论仅能分析脱体涡的影响，对采用较大后掠角的机翼还需考虑附着涡的影响。在研究此类问题时通常采用升力面理论，升力面理论主要是将机翼划分成若干微块，通过求解各微块间的涡强并求和进而获得所需的气动数据。由于联结翼布局的前、后翼后掠角超过了升力线理论的适用范围，不能仅仅将机翼简化为一条直的、变涡强的升力线，应加入附着涡的影响。因此在研究过程中引入了干扰因子，即不直接研究附着涡的影响，而是通过干扰因子进行了修正。

（4）联结翼布局并不是对升力线理论的直接应用，因此不受经典升力线理论的适用范围的约束。联结翼布局具有气动结构强耦合的特点，单纯从气动力的角度分析，无法得到系统级最优。从理论上讲，采用翼尖连接方式气动效率最高，但实际情况确是，当高亚音速巡航时，翼表面气动载荷较大，采用翼内连接要比翼梢连接更轻，使得翼梢连接在气动上的优点被结构重量的增加所抵消。当巡航速度较小时，翼载荷较小，翼尖联接则成为可行的方案。当前翼展弦比一定的情况下，两翼间翼隔2倍于平均气动力弦，展长比为1时 （即翼尖连接）时，布局具有最佳翼展效率因子，可有效降低总诱阻。

3结语

联结翼布局的气动估算模型，与CFD数值方法结果对比，具有足够的精度。能够满足方案设计阶段对布局气动特性的评估需要，是一种适合低速及高亚音速速度范围的布局形式。与单翼布局相比，在机翼面积、巡航速度一定，后掠角相同，前翼翼展不变的情况下，合理选择展长比与翼隔可使总诱导阻力降低。

参考文献：

[1]李光里，李国文，黎军 等.连接翼布局气动特性研究[J].空气动力学学报，2013，

[2]张晓萍，曾会华，余雄庆.CFD方法在联结翼飞机方案设计中的应用[J].南京航空航天大学学报，2014，

大学生创新创业项目：项目名称：飞行器的气动及结构强度分析，项目编号：DCS140104。