双囊体飞艇布局气动特性分析

周 萌，高国柱，薛松海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部，合肥 230088)

0 引言

飞艇是一种主要依靠浮升气体升空，由动力推进并可操纵的航空器[1]，近年来受到了各国的广泛关注，并取得了长足的发展。其中，浮升混合飞艇采用组合囊体的高升力布局形式，将传统静浮力飞艇与其他动升力飞行器优点结合在一起。此外，这种飞艇的嚢体结构能够有效减小截面曲率，增加等效截面半径。浮升混合飞艇具有载荷能力强、续航时间长、操控简单可靠、对地面基础设施依赖小等突出优点[2]，有着重要的科学研究和工程实用价值[3]。国外已经开展一些浮升混合飞艇的试验，如美国Lockheed Martin Corporation的P-791[4]和英国的Advanced Technologies Group的Skycat[5]。

飞艇主要由囊体、尾翼、吊舱和推进装置等部分构成。囊体用于充填升力气体(氦气、氢气等)以产生浮力。囊体是飞艇的主要部件，也是飞艇气动阻力产生的主要部件，在飞艇的总阻力中，约有1/2至2/3的阻力是由囊体引起的。升阻比和阻力大小息息相关，同时阻力是关系飞艇运输能力的重要参量[6]，与飞行器的最大飞行速度、航程和运载能力直接相关。因此获得设计条件下双囊体飞艇布局的最优囊体距离以取得最优升阻比是设计中的关键所在。

龙飞等[7]的风洞试验研究结果表明，浮升混合式飞艇的升阻比优于常规单囊体飞艇。李琦等[8]讨论了浮升混合式飞艇与常规飞艇升阻特性的区别。孟军辉[9]分析了浮重比、巡航速度等参数对于浮升混合式飞艇总体性能的影响规律，同时研究了浮升飞艇气动性能、总体飞行性能和经济性能。糜攀攀等[10]的研究结果表明，浮升混合式飞艇布局具有较好的气动性能和效率，相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍。但是总的来说，上述均针对固定的双囊体浮升混合式飞艇开展研究，尚未有针对囊体之间的间距开展研究，缺乏对双囊体飞艇布局的气动特性全面认识。

本文采用计算流体动力学(CFD)方法对双囊体飞艇的囊体之间的间距进行研究，分别计算了单囊体飞艇和双囊体飞艇的气动性能，对比分析了升阻特性，最后给出了双囊体飞艇设计中的两个囊体之间的间距范围。

1 计算模型

1.1 计算对象几何特征说明

为了建立相对统一的参考标准，以得到更准确的分析结果，本文做了如下假设：

(1)所有计算对象(单囊体飞艇、双囊体飞艇)均具有相同的囊体体积，即囊体体积V0=1540 m3；

(2)单囊体飞艇的囊体曲面是由多段曲线组成的母线的旋成体表面构成；

(3)双囊体飞艇是基于常规单囊体飞艇并列组合而成；

(4)单囊体飞艇尾翼采用“十”字型布局，双囊体飞艇尾翼采用倒“П”字型布局；

(5)双囊体之间的囊体间距定义为两个囊体最大直径处圆心之间的距离；

(6)参考面积S为囊体体积V0的2/3次方，参考长度L为飞艇囊体体积V0的1/3次方。

1.2 建立几何模型

如图1(a)所示，单囊体飞艇主囊体外形为旋转体，尾翼成“十”字型布局位于囊体后部。该囊体外形曲面经过理论计算、风洞试验、外场飞行试验等过程验证和优化后确定，具有良好的气动外形。图1(b)、图1 (c)和图1 (d)所示为部分双囊体飞艇外形图，由图可以看出，双囊体飞艇是由2个单囊体飞艇组合而成的，尾翼成倒“П”字型布置在两个单体的后部，两片垂尾，两片平尾，四片尾翼与单囊体尾翼外形完全相同。其中：图1(c)所示的双囊体飞艇5中的两个囊体尚交联在一起；图1 (d)所示的双囊体飞艇6中的两个囊体已不再相交。

(a)单囊体飞艇 (b)双囊体飞艇3 (c)双囊体飞艇5 (d)双囊体飞艇6

计算模型主要参数如表1所示。表1中的参数定义如图2所示，其中：囊体间距表示两个囊体对称面之间的距离；最大长度表示囊体对称面上从头部到尾部的距离；最大宽度表示囊体最大截面的宽度。双囊体飞艇1～5中的两个囊体相交，双囊体飞艇6～8中的两个囊体已不再相交。

图2 飞艇参数示意图

表1 飞艇主要总体参数表

1.3 网格模型及边界条件

采用ICEM CFD划分多块结构网格。远场长度、宽度和高度分别为单囊体飞艇艇体最大截面直径的30倍、30倍和20倍。单囊体网格数为400万，双囊体网格数为560万。在近壁面采用贴体O型网格，边界层上布置33层网格，壁面第一层网格满足y+≈1.0。本文选取的计算高度为3 km，来流风速为30 m/s。

1.4 数值计算

计算速度为30 m/s，为低速不可压流动，采用三维雷诺平均N-S方程(RANS方程)求解。为了进一步提高计算效率，采用多重网格加速收敛技术和并行计算技术。

2 单囊体飞艇与双囊体飞艇3气动特性对比

选取两个囊体间距适中的模型进行分析，即双囊体飞艇3，此时两个囊体间距为4.00 m，约为双囊体飞艇6的囊体间距的一半。单囊体飞艇和双囊体飞艇3的升力系数、阻力系数和升阻比随迎角变化曲线如图3所示。由图3中可以看出，在计算迎角范围内，尚未出现失速现象，升力系数与迎角呈现线性关系，阻力系数与迎角呈典型的非线性关系。当迎角α小于0°时，两类飞艇的升力系数均为负值，升力系数随着迎角增大而增大，阻力系数随着迎角增大而减小，升阻比随着迎角增大先减小后增大；当迎角α等于0°时，阻力系数达到最小，升力系数基本为0，升阻比基本为0；当迎角α大于0°时，两类飞艇的升力系数为正值，阻力系数和升力系数均随着迎角增大而增大，升阻比随着迎角增大先增大后减小。

在相同的负迎角下，双囊体飞艇3的升力系数较单囊体飞艇的小，阻力系数较单囊体飞艇的大，且随着迎角增大，两类飞艇的升力系数差值和阻力系数差值逐渐减小。在相同的负迎角下，双囊体的升阻比较单囊体的大，且随着迎角增大，两类飞艇的升阻比差值先增大后减小。

(a)升力系数曲线 (b)阻力系数曲线 (c)升阻比曲线

在相同的正迎角下，双囊体飞艇3的升力系数和阻力系数较单囊体飞艇的大，且随着迎角增大，由于迎风面积增加，两类飞艇的升力系数差值和阻力系数差值逐渐增大。在相同的迎角下，双囊体的升阻比较单囊体大，且随着迎角增大，两类飞艇的升阻比差值先增加后减小。

图4所示为囊体尾部表面流线图，由图4(a)可以看出，单囊体飞艇由于纵向摩擦力和逆压梯度，在囊体尾部形成小的漩涡。由图4(b)可以看出，在双囊体飞艇3中的两个囊体之间存在干扰，流场较为紊乱，气流在两个囊体的结合面上相遇，之后在尾部左右两侧空间内各自形成漩涡，引起向后的气动阻力。

3 双囊体间距对气动性能影响

图5所示为双囊体飞艇1～5气动特性，由图5可见，当两个囊体距离小于7.13 m时，在相同的迎角下，随着两个囊体之间的距离增加，囊体的升力系数、阻力系数逐渐和升阻比均增加，双囊体效果逐渐明显。但是在囊体之间的间距增大一定程度时，可以看出，阻力系数迅速增加，在大迎角下，其升阻比反而有所减小。随着迎角距离增加，五个计算对象(双囊体飞艇1～5)的升阻比先增加后减小，在迎角为8～10°时达到最大。

(a)升力系数 (b)阻力系数 (c)升阻比

当两个囊体距离大于7.85 m时，此时两个囊体不再相交，布局形式为两个独立的单囊体并列放置。如图6所示，在相同的迎角下，随着两个囊体之间的距离增加，囊体的升力系数、阻力系数和升阻比逐渐减小，双囊体效果逐渐减弱。随着迎角的增大，三个计算对象(双囊体飞艇6～8)的升阻比先增大后减小，在迎角为8～10°时达到最大。

(a)升力系数 (b)阻力系数 (c)升阻比

图7 双囊体飞艇站位选取示意图

综合对比图5和图6可以看出，在双囊体飞艇的两个囊体不相交之前，即双囊体飞艇5，升力系数最优；在迎角小于14°时，相同的迎角下，双囊体飞艇5升阻比最优。

选取双囊体飞艇的两个站位进行压力分布对比分析，选取站位示意图如图7所示。对双囊体飞艇2、4和5的对称面进行压力分布分析，结果如图8所示。由图8(a)可以看出，随着间距逐渐增加，双囊体飞艇的前缘吸力峰不断增强，且上下表面压力分布的交叉点逐渐后移，因此升力和阻力系数不断增大。

(a)囊体对称面 (b)垂尾对称面

(a) 0°迎角 (b) 8°迎角 (c) 30°迎角

对双囊体飞艇2、4、5和8的垂尾对称面当地压力分布分析，双囊体飞艇5表示两个囊体即将不再相交，双囊体飞艇8表示两个囊体不再相交。由图8(b)可以看出，双囊体飞艇5前缘吸力峰达到最大，上下表面压力分布交叉点达到最后，因此在囊体不再相交之际，其升力系数最大，阻力系数最大。

飞艇的阻力分为两种：摩擦阻力和压差阻力。图9所示为压差阻力CDp和摩擦阻力CDv随囊体距离变化曲线。由图9可见，在小迎角状态下，压差阻力CDp和摩擦阻力CDv占比相当，但是大迎角状态下，压差阻力CDp远远大于摩擦阻力CDv。

在同一个迎角状态下，压差阻力CDp从单囊体飞艇到双囊体飞艇1时，压差阻力减小，随着囊体之间的间距逐渐增加，压差阻力先增大后减小，在双囊体飞艇5时，压差阻力达到最大。当两个囊体不再相交且随着囊体之间的间距不断增加时，压差阻力迅速减小，这是由于迎风面面积保持不变，两个囊体之间的气动干扰逐渐减弱。

在同一个迎角状态下，摩擦阻力CDv从单囊体飞艇到双囊体飞艇6时，摩擦阻力逐渐增加，即在在两个囊体即将分开时达到最大，此时囊体表面积最大。之后从双囊体飞艇6～8，由于囊体表面积保持不变，摩擦阻力基本保持不变。

4 结论

本文讨论了浮升混合双囊体飞艇布局与常规单囊体飞艇气动特性的区别，得出如下结论：

(1)相同正迎角条件下，与常规单囊体飞艇相比，双囊体飞艇具有更大的升力、阻力和升阻比；

(2)单囊体和双囊体的最大升阻比对应的迎角基本保持不变，维持在8～10°；

(3)双囊体飞艇在囊体间距较小时，随着囊体间距逐渐增加，升力、阻力和升阻比逐渐增加；

(4)双囊体飞艇囊体间距达到一定程度但是左右囊体尚相交时，其在大迎角下，阻力系数迅速增加，升阻比迅速减小；

(5)双囊体飞艇不再相交时，随着囊体间距逐渐增加，升力、阻力和升阻比逐渐减小。