基于风洞测压试验数据的舵面铰链力矩系数计算方法研究

朱百六

（中航通飞研究院有限公司，广东珠海　519040）



基于风洞测压试验数据的舵面铰链力矩系数计算方法研究

朱百六

（中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040）

摘要：基于风洞测压试验所获得的压强数据，采用数值积分的方法计算出了舵面铰链力矩系数。通过分析数据并将数据与CFD计算结果进行比较，证明了数据具有一定的可信度，说明该铰链力矩计算方法具有一定的工程应用价值。推导出了计算舵面铰链力矩系数的积分公式，此公式简单可靠，但只适用于铰链轴位于弦平面内的舵面，而不适用于铰链轴位于弦平面外的舵面。

关键词：测压试验；铰链力矩；CFD关键词；弦平面；轻型公务机

0　引言

铰链力矩是作用于操纵面上的气动力对操纵面铰链轴产生的力矩，飞机舵面铰链力矩是飞机舵面操纵系统特性设计中的一个关键参数［1］。获取舵面铰链力矩数据有多种方法：理论估算所需时间最短，费用最低，但估算方法一般只适用于特定机型，并且只能估算铰链力矩线性变化部分［2］；CFD计算耗时适中，费用较低，但由于舵面位于主翼后缘，舵面和主翼之间的相互干扰涉及到大量流体力学复杂流动问题，要获得准确的铰链力矩数据存在很大困难［3］；通过风洞试验来获得铰链力矩数据是目前飞机研发阶段被普遍采用的手段，文献［4］表明在8m×6m风洞中通过采用大尺寸模型和专用铰链力矩天平可以获得比较可靠的铰链力矩数据，但此方法费用昂贵，且耗时长；通过飞行试验实测技术能够获得最可靠的铰链力矩数据［1］，但在飞机研发初期不可能采用此方法。

轻型公务机具有单机利润薄，更新速度快的特点，需要在研发阶段严格控制成本，并缩短研发周期。通过数值积分舵面压强的方法，可以获得比较可靠的舵面铰链力矩数据，同时可以节省大量经费和时间。

1　理论分析

图1显示了某轻型公务机襟翼、副翼、升降舵和方向舵布局及其铰链轴的位置。根据铰链轴与舵面的相对位置关系，可以将这4个舵面分为两种类型：一类是铰链轴位于舵面弦平面之上，如副翼、升降舵和方向舵；另一类是铰链轴位于舵面弦平面之外，如襟翼。

图1　某轻型公务机舵面布局图

1.1舵面受力分析

对舵面作两点假设：

（1）舵面翼型为对称翼型，圆头尖尾。

（2）舵面上下表面测压点关于对称面（即弦平面）对称布置。

图2　舵面受力模型

如图2所示，以舵面翼型弦线为x轴，垂直弦线向上为y轴建立平面直角坐标系，N、T分别表示舵面所受的法向力和切向力，点A、B、C分别表示舵面压力中心、位于弦平面上的铰链轴和位于弦平面外的铰链轴，点D、E表示在舵面上下表面相对弦平面对称布置的两个测压点，n、t表示点D所受的法向应力和切向应力，n′、t′表示点E所受的法向应力和切向应力，θ表示矢量与弦线的夹角，θ=θ(x，y)。设m，Mh为舵面所受铰链力矩，使舵面后缘上偏为正，由图2所示关系可推导出

讨论：

（1）当铰链轴位于弦平面外时，h≠0, m≠0，将公式（1）、（2）带入（3）中即可得出铰链力矩表达式，但此表达式比较复杂，不适合工程应用。

（2）当铰链轴位于弦平面上时，h≠0，m=0，将公式（1）、（2）带入（3）中即可得出，)×cosθ]dS×h。对于舵面翼型的“圆形头部”可近似认为n≈n′，t≈t′，对于其它区域可近似认为矢量与弦线的夹角θ≈90°，因此可推导出

1.2舵面铰链力矩系数计算方法

舵面铰链力矩系数和静压强系数计算公式分别为：

Pi、Pi′分别为点D、E静压强，CPi、CPi′分别为点D、E静压强系数，S为舵面弦平面面积，l为舵面梢弦长与根弦长的平均值，将n=-Pi，n′=-Pi′带入公式（4）、（5）和（6）中可得舵面铰链力矩系数表达式：

公式（7）只适用于铰链轴位于弦平面上的舵面，如副翼、升降舵和方向舵，而不适用于铰链轴位于弦平面外的舵面，如襟翼。

2　与CFD计算结果比较

在未进行风洞铰链力矩试验的情况下，将通过积分压强方式获得的舵面铰链力矩数据与CFD计算结果进行比较，可以在一定程度上检验数据的准度。

CFD计算模型采用无动力的1:1半模，网格划分软件采用ICEM CFD，计算软件采用CFX，控制方程为雷诺平均N-S方程，湍流模型采用了kω-sst模型，大气参数与风洞测压试验一致。

图3　襟翼铰链力矩系数对比图

图4　铰链力矩系数对比图

图3中，采用公式（7）积分襟翼表面的压强，忽略了襟翼所受的切向力T的影响，从对比结果来看，两者最大相差了近一倍，这进一步说明公式（7）不适用于襟翼这种铰链轴位于弦平面外的舵面。

图4分别显示了副翼、升降舵和方向舵的对比图，从3个舵面的对比图中可以看出，积分压强所得到的铰链力矩数据与CFD计算数据在大部分状态差距比较小，说明通过积分舵面压强所得到的铰链力矩系数数据具有一定的可信度。

3　结论

通过以上研究分析，可以得出以下两点结论：

（1）通过数值积分舵面压强的方法，可以获得比较可靠的舵面铰链力矩数据。对于轻型公务机的研发单位来说，这种获取铰链力矩数据的方式廉价而高效。

参考文献：

［1］何发东.飞机舵面铰链力矩飞行实测技术研究［J］.科学技术与工程，2011，11(31)：7835-7838.

［2］张锡金.飞机设计手册第六册［M］.北京：航空工业出版社，2002.

［3］吴宗成，朱自强，丁宁，等.三维副翼铰链力矩计算［J］.航空学报，2007，28(3)：519-526.

［4］张晖，肖京平，杨远志，等. 8m×6m风洞铰链力矩试验技术［J］.流体力学实验与测量，2003，18(2)：20-24.

作者简介：朱百六（1981-），男，工程师，硕士，研究方向为实验空气动力学。