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题目:碟形飞行器低速气动特性研究

关键词:升力体,碟形飞行器,;空气动力学特性,稳定特性,附面层控制,失速,地面效应,雷达隐身,试飞

  摘要

升力体是一种全升力飞行器,由于升力体外形的特殊性,在提供了极大的内部空间的前提下,大幅减小了同等载荷条件下飞机的翼展和机长,使其具有布局紧凑、结构强度高、浸润面积小、升力面积大、载物空间宽阔等突出的优势。但由于展弦比太小,受上下翼面压差产生的均压流动影响,升力体布局的飞行器翼尖绕流严重,气动效率不高,而外型的特殊性也使得升力体的稳定性难以解决,因此很难达到实用水平。 本论文在课题组前期工作的基础上设计出一种碟形升力体飞行器,从空气动力学上解决了碟形升力体横侧向稳定性差的问题,并获得了几种进一步提高整机升阻比的方法。 由于碟形升力体飞行器布局紧凑,机长和展弦比小,升力体侧滑时产生的侧向力十分靠近重心,因此稳定性力矩不足,横侧稳定问题难以解决。这一现象严重制约着升力体飞行器的发展,俄罗斯研究的Ekip升力体即因为横侧稳定问题难以解决而最终下马。有鉴于此,在碟形飞行器的设计过程中,对横侧向稳定问题进行了着重考虑,全面采取小翼上反、整机大后掠、双立尾等措施改善升力体的横侧向稳定特性,通过合理的参数选择,最终解决了横侧稳定性问题。文中对碟形飞行器全面运动的稳定特性进行了分析,结果表明,碟形飞行器纵向稳定,横侧向荷兰滚模态和滚转模态稳定,螺旋模态发散,但螺旋倍幅时间能达到一级飞行品质要求,验证机的试飞结果也证实了碟形飞行器具有良好的自主稳定特性。能否解决横侧向稳定性问题,对于碟形升力体的实用化进程是极为关键的制约点,俄罗斯的Ekip飞碟至今没有解决这一问题,本论文的研究,在不采用主动控制增稳措施的前提下实现碟形升力体的稳定飞行,该成果对碟形升力体的设计和应用具有重要意义。 碟形升力体能否实用化的第二个制约点是能否获得具有竞争力的升阻比特性。通过试验比较发现,现有流行的多种减小诱导阻力的方法在碟形飞行器上的使用效果都不理想,必须探索新的技术方案。本论文研究中,通过对自然界中鲳鱼的观察,设计出一种类似鲳鱼鱼鳍的仿生后掠小翼,用以解决升力体绕流现象严重而造成诱导阻力大的问题。在北航D-5风洞中进行的试验表明,安装小翼后,全机最大升阻比从8.3提高到14.0,提高了69%,对诱导现象的抑制效果十分明显。文中对于小翼的工作原理进行了深入的数值和试验研究,利用飞行器机体绕流和小翼绕流进行相互抑制,成功的使升力体摆脱翼尖绕流严重、诱导阻力大的弊病。这一原创性飞行器气动布局设计思想取得了显著的改进效果,使升阻比获得了有效提升。 本文创新性地提出一种附面层反环量吹气控制方案,从加速附面层底层气流流动和消除分离旋涡两方面入手来抑制附面层分离现象,从狭缝吹出的气体具有和附面层分离旋涡相反的涡量,这种方法耗气量小而抑制分离的效果优于通常的单纯吹气附面层控制方案。数值计算表明,在耗气量较少的情况下即可使升力系数获得大幅度提升。在试飞验证机上进行附面层控制研究可以直接对控制效果进行检验,而无需面对风洞试验中无法考虑附面层控制的能量消耗对发动机产生的影响这一问题。试飞结果表明,附面层反环量控制方案效果显著,在采用被动进气的情况下,该控制方案可使整机阻力下降,升力增加,最大升阻比提高20%,达到16~17的较高水平。如果采用主动气源供气,例如采用涡扇发动机提供气源进行主动吹气控制,则能使整机升阻比超过20,从而使碟形飞行器成为优秀的载重机型。 除以上内容外,本文还对碟形飞行器的大迎角失速特性、地面效应、雷达隐身特性等进行了全面的研究。最终的研究结果表明,碟形飞行器具有起飞滑跑距离短、操控简单、飞行稳定性好、隐身性能优秀、载物空间大、结构强度高、布局紧凑便于运输等诸多优点,碟形飞行器具有良好的综合性能,能够发展成为一款实用的具有竞争力的载重型多用途机型。