一種適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法與流程
2023-11-05 18:38:57 4
本發明涉及一種適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法，具體是通過在多翼面飛機特定部位施加擾流片(本發明稱之為格尼襟翼)，改變飛機的氣動力及氣動力矩，達到提高飛機氣動性能並改善其操縱性能的效果，屬於流動被動控制技術領域。
背景技術：
眾所周知，飛機的增升裝置一直是飛機設計者非常重視的問題，因為增升裝置的氣動性能直接關係到飛機的起飛和降落性能。飛機主要的增升裝置是襟翼，但是襟翼的結構比較複雜，流動特性也極為複雜，想要通過研究設計一種高性能的襟翼來增加飛機的升力，將會非常困難。如果能夠通過在飛機機翼上安裝一種結構簡單的裝置，改變飛機機翼上氣流的流動特性，從而改善飛機的氣動性能，將會為飛機的設計工作帶來極大的便利。
近年來隨著流動控制技術的發展，研究者對流動控制在飛機增升減阻方面的應用進行了大量相關的研究。像零質量射流和等離子體等主動流動控制技術能有效地提升氣動性能，但是主動控制技術比較複雜，現在只是在實驗室研究方面取得較好的結果，目前還很難應用到飛機的增升減阻。因此，有必要發明一種裝置簡單的被動流動控制技術，來實現對飛機的氣動力和力矩控制，從而達到對飛機增升減阻的效果。
技術實現要素：
本發明基於被動流動控制技術，提出一種適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法。通過在多翼面飛機特定部位施加擾流片(本發明稱之為格尼襟翼)，可以降低機翼壓力面速度並且提高吸力面速度，從而提高壓力面壓力和吸力面吸力及兩個翼面的壓力差，進而可以提高機翼，包括襟翼、副翼和鴨翼的升力，因此可以提高飛機的氣動性能。
鴨翼安裝格尼襟翼會使得飛機抬頭力矩增加，襟翼和副翼上單獨或者組合安裝格尼襟翼會使得飛機低頭力矩增加，通過調節格尼襟翼參數，上述兩個力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飛機升力的同時維持力矩不變，達到提高飛機氣動性能並改善其操縱性能的目的。這種控制方法結構簡單，容易安裝，但增升效果明顯。
本發明提出的一種適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法，是通過在飛機襟翼、副翼、鴨翼的壓力面靠近後緣的位置安裝格尼襟翼來實現的。格尼襟翼的材料可以採用鋁或鋼等剛性材料，形狀可以是矩形、鋸齒型、三角形或矩形中間開孔等。
格尼襟翼的安裝方式有：襟翼、副翼或鴨翼上單獨安裝；襟翼和副翼上組合安裝；襟翼與鴨翼上組合安裝；副翼與鴨翼上組合安裝；襟翼、副翼和鴨翼上組合安裝。當格尼襟翼在襟翼、副翼或鴨翼上單獨安裝時，飛機的升力都會增加，但是當格尼襟翼在襟翼和副翼上單獨或者組合安裝時會使飛機的低頭力矩增加，當格尼襟翼在鴨翼上單獨安裝時，會使飛機的抬頭力矩增加。因此當只考慮升力增加時，襟翼、副翼和鴨翼均可以安裝格尼襟翼；當考慮消除升力增加帶來的力矩增量時，鴨翼必須安裝格尼襟翼，襟翼和副翼選擇其一安裝或者全部安裝格尼襟翼。
本發明的適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法，其優點和積極效果在於：
1、本發明的控制方法，是通過在飛機襟翼、副翼、鴨翼的壓力面靠近後緣的位置選擇性的安裝格尼襟翼來實現的，可以在不改變機翼形狀的情況下，增加機翼的彎度，從而增加翼型、機翼、飛機等的升力。
2、本發明中的格尼襟翼，質量輕、裝置簡單、易於安裝，增升效果明顯。
3、本發明的控制方法，採用的是在襟翼與鴨翼、副翼與鴨翼或者襟、副翼與鴨翼上組合安裝格尼襟翼的方法。這樣在產生增升效果的同時又不增加飛機的低頭力矩，這對飛機的起飛、降落性能十分有利。
附圖說明
圖1是一種多翼面飛機模型平面示意圖；
圖2a是矩形格尼襟翼示意圖；
圖2b是三角形格尼襟翼示意圖；
圖2c是鋸齒形格尼襟翼示意圖；
圖2d是中間開孔格尼襟翼示意圖；
圖3a矩形格尼襟翼的安裝示意圖；
圖3b三角形格尼襟翼的安裝示意圖；
圖4a是安裝有格尼襟翼的機翼示意圖；
圖4b是安裝有格尼襟翼的機翼的尾部局部放大圖；
圖5a是鴨翼與操縱面組合加裝格尼襟翼δcl圖，其中實心圓是鴨翼與襟翼組合安裝格尼襟翼，空心圓是鴨翼與副翼組合安裝格尼襟翼。
圖5b是鴨翼與操縱面組合加裝格尼襟翼δcm圖，其中實心圓是鴨翼與襟翼組合安裝格尼襟翼，空心圓是鴨翼與副翼組合安裝格尼襟翼。
圖中具體標號如下：
1、格尼襟翼；2、機翼或襟翼或鴨翼；n1、鴨翼；n2、副翼；n3、襟翼；h、格尼襟翼的高度，是指格尼襟翼在垂直於機翼方向的高度；φ、格尼襟翼的安裝角度；d、安裝位置，是指格尼襟翼與機翼或襟翼或鴨翼後緣的距離；l、格尼襟翼的長度，是指格尼襟翼在機翼或襟翼或鴨翼展向方向上的長度。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提出一種適用於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法，是通過在多翼面飛機特定部位施加擾流片(本發明稱之為格尼襟翼)實現的。這種方法適用於如圖1所示的具備鴨翼n1、副翼n2、襟翼n3的多翼面飛機布局。
圖2a～2d顯示了幾種不同形狀的格尼襟翼，圖2a是矩形形狀的格尼襟翼，圖2b是直角三角形形狀的格尼襟翼，圖2c是矩形形狀單側長邊上具有鋸齒形形狀的格尼襟翼，圖2d是在矩形形狀中間開孔的格尼襟翼。當採用的矩形形狀的格尼襟翼和鋸齒形形狀的格尼襟翼的迎風面積相同時，兩者對於飛機的整體貢獻也基本相同，鋸齒形形狀的格尼襟翼相當於改變了格尼襟翼的高度。採用直角三角形形狀的格尼襟翼，是考慮到飛機機翼不同展向位置處的弦長不同，因此每個展向位置的最佳格尼襟翼高度應該不同，且直角三角形格尼襟翼安裝時高度較高的位置應該與機翼弦長較長的位置對應，即格尼襟翼的直角邊應靠近飛機的翼根位置。圖3a與圖3b給出了矩形和三角形格尼襟翼的安裝方式。
如圖4a、4b所示，格尼襟翼應安裝在飛機襟翼、副翼、鴨翼的壓力面靠近後緣的位置，並且靠近後緣的距離d越小，增升效果越好，因此當格尼襟翼緊貼翼面後緣安裝時，d＝0，增升效果最好。格尼襟翼的安裝角度(即格尼襟翼與翼面壓力面夾角)φ為0°～180°，當格尼襟翼的安裝角度φ為90°時增升效果最好。因為採用在機翼後緣垂直安裝格尼襟翼的安裝方式，格尼襟翼可以最大程度地增大吸力面的流速並且增加吸力，減小壓力面的流速並且增加壓力，從而增加壓力面和吸力面的壓強差，進而增加升力。
本發明中格尼襟翼高度h為機翼特徵弦長的1％量級，亦即格尼襟翼高度h為0.5％～5％倍機翼特徵弦長，其中增升效果隨著格尼襟翼高度增加而增加；格尼襟翼長度l小於等於操縱面後緣的長度；格尼襟翼厚度1mm左右。
本發明中格尼襟翼的安裝可以有不同的組合形式，結合圖1，列舉一下格尼襟翼的安裝組合：(1)n1、n2、n3單獨安裝；(2)n2+n3組合安裝；(3)n1+n2組合安裝；(4)n1+n3組合安裝；(5)n1+n2+n3組合安裝。對五種安裝方式分別進行風洞試驗，結果表明，n2、n3單獨安裝或者n2+n3組合安裝格尼襟翼時，可以增加升力，但同時會使飛機的低頭力矩增加。n1單獨安裝格尼襟翼時，可以增加升力，但會使飛機的抬頭力矩增加。通過適當調節格尼襟翼的高度h、離後緣的距離d、安裝角度φ等參數，上述低頭力矩和抬頭力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飛機升力的同時維持力矩不變，達到提高飛機氣動性能並改善其操縱性能的目的。因此通過n1+n2、n1+n3、n1+n2+n3的組合方式，亦即鴨翼和副翼、鴨翼和襟翼、鴨翼和襟翼以及副翼的組合方式，配合格尼襟翼參數的調節，上述低頭力矩和抬頭力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飛機升力的同時維持力矩不變，達到提高飛機氣動性能並改善其操縱性能的目的。
圖5a、圖5b顯示了基於多翼面飛機布局的氣動力和力矩控制方法的效果，圖5a所示的是在副翼與鴨翼以及襟翼與鴨翼上分別組合安裝格尼襟翼時，升力係數cl的變化δcl。圖5b所示的是在副翼與鴨翼以及襟翼與鴨翼上分別組合安裝格尼襟翼時，俯仰力矩係數cm的變化δcm。可以明顯地得出，襟翼與鴨翼或副翼與鴨翼上分別組合安裝格尼襟翼時，升力係數有了明顯的提升，但是力矩係數的變化基本為零，這說明格尼襟翼有效地提升了飛機的氣動性能和操縱性能，這將十分有利於飛機的起飛和降落。