扑翼飞行器带翼刀机翼气动特性实验研究

通过进行微型扑翼飞行器低速风洞试验,研究了带弯度机翼下翼面翼刀对扑翼飞行器升阻特性的影响。文中进行了带翼刀机翼和不带翼刀机翼在不同迎角下的风洞吹风试验。试验结果表明,带翼刀机翼升力系数大于不带翼刀机翼升力系数,从而证明了翼刀可以阻止机翼下表面气流展向流动,起到增加机翼升力的作用。当扑翼在小迎角飞行时,带翼刀机翼可以有效地提高扑翼的气动效率,改善扑翼的飞行性能。研究结果可为带翼刀机翼在扑翼飞行器上的应用提供技术支持。     

多控制面尺寸对前掠翼静气弹响应影响分析

针对多控制面尺寸对弹性前掠翼静气弹响应的影响,基于计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)松耦合静气动弹性数值计算方法,计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面弦向和展向尺寸对前掠翼模型气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明:当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面弦向尺寸减小时,升力特性在迎角变化呈现相反特性,较小迎角条件下,升力特性逐渐变差,较大迎角条件下变好;当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面尺寸减小时,较小迎角条件下弯曲变形和扭转变形减缓,而较大迎角时相反;随着前、后缘控制面展向尺寸的增大,升力系数增大,升力特性提高;当前、后缘控制面展向尺寸逐渐增大时,较小迎角条件下弯曲变形加剧,扭转变形减缓,而较大迎角条件下弯曲和扭转变形均有所减缓。计算分析得到的规律可为前掠翼飞行器的设计及优化提供有益参考。     

两种椭圆翼型高速气动特性实验研究

新概念旋转机翼飞机的主机翼既能高速旋转作为旋翼,又可锁定作为固定翼,所以只能使用特殊的前后对称翼型。针对主机翼翼型的这一特殊要求,对16％相对厚度,相对弯度分别为0％和3％的两种椭圆翼型的高速气动特性进行了风洞实验研究,试验分别在中国空气动力研究发展中心FL-21风洞和荷兰代尔夫特大学TST-27风洞进行,采用表面测压和尾排型阻测量技术。试验结果的对比分析表明,有弯度椭圆翼型的升力和力矩特性优于无弯度椭圆翼型,而阻力特性和最大升阻比劣于无弯度椭圆翼型。试验结果为旋转机翼飞机主机翼翼型的选取提供了参考。     

基于可变形蜂窝的柔性蒙皮力学性能分析与结构设计

变体飞机可以在飞行中充分改变外形获得最佳气动效率以适应变化的任务环境。覆盖在结构表面的蒙皮不仅要具有良好的面内方向柔性,产生满足设计变形量的光滑连续变形,同时要提供足够的垂直平面方向刚度,维持气动构型,并将气动载荷传递到下层结构。本文提出一种在十字形可变形蜂窝表面覆盖硅胶表层的结构作为柔性蒙皮,理论分析了该柔性蒙皮在面内方向的变形机理以及十字形可变形蜂窝的形状参数对其力学性能的影响,并与仿真和试验结果进行了比较。根据后缘变弯度机翼的设计要求,给出了柔性蒙皮优化后的设计参数范围。结果表明该柔性蒙皮具有足够的面内方向变形能力和垂直平面方向承载能力,满足变弯度机翼后缘设计要求。     

伸缩翼飞机纵向飞行动力学研究

研究了可变翼展飞机在变翼展过程中的气动特性及纵向飞行动响应。首先基于多刚体系统动力学方法建立了可伸缩机翼飞机的动力学模型,进而获得了纵向飞行动力学方程;然后分析了飞机质心、质量矩、惯性矩随翼展的变化规律;最后通过实时气动力计算和纵向飞行动力学方程联立求解,获得了不同翼展下的飞机升力、阻力、力矩及纵向飞行动响应。结果表明:在相同迎角条件下,大翼展飞机的升力性能与小翼展飞机的升力性能相比有较大的优势;未加控制时机翼收缩导致飞机阻力和升力减小,飞行速度增大;为维持变翼过程的稳定飞行,需要对俯仰运动施加控制。     

雷诺数对运输类飞机气动特性影响的试验研究

开展了某背景飞机的高低速变雷诺数风洞试验,并对试验结果进行了分析;结合国外的一些变雷诺数风洞试验结论,给出了大展弦比运输类飞机雷诺数对升力、阻力以及俯仰力矩特性的影响规律。试验研究表明:升力特性方面,在中小迎角下,随着雷诺数增大,迎角相同时升力增加,大迎角时最大升力系数增大,失速迎角增大;阻力特性方面,随着雷诺数的增大阻力减小,并且最小阻力系数随着雷诺数对数的增加基本呈线性减小;俯仰力矩特性方面,随着雷诺数增大机翼后部载荷增大,低头力矩增大,稳定性增强。除此之外,文中还从雷诺数对气动特性影响机理角度出发,分析了这些规律形成的原因。     

排翼布局飞行器气动性能的实验研究

通过低速低湍流度风洞实验,研究了利用排翼布局改善充气飞机采用大厚度翼型机翼带来的气动效率偏低问题。首先比较了采用不同厚度翼型的单翼与排式双翼布局的气动特性。在此基础上,为了优化排翼布局的气动特性,研究了给后翼安装偏转角对排翼布局气动特性的影响。同时,基于NACA0030翼型,设计了波纹型外形的充气机翼,比较了此外形下单翼和排翼布局气动性能的差异。实验结果表明,采用排翼布局能够改善采用厚翼型单翼布局的气动性能,而给后翼安装一定偏转角可以进一步提高排翼布局的升力和升阻比。采用波纹外形和光滑外形机翼模型的对比结果表明,波纹外形能够在大迎角时改善充气机翼的失速性能。分析认为,造成这一现象的流动机理是由于波纹型机翼在实验条件下提前由层流转捩为湍流,使失速推迟,流动分离现象有所减弱。     

刚柔混合变弯度机翼控制方法研究

为实现机翼在驱动控制下弦向连续弯度变化,提出了一种刚柔混合式变后缘机翼。其中,机翼柔顺段结构采用柔性气动肌腱作为驱动装置。首先,推导了气动肌腱驱动力模型;其次,将柔顺结构等效为单关节机械臂结构,建立了其动力学模型;继而建立了基于名义模型的滑模变结构PI控制模型,并对比例系数、积分系数及滑模面参数进行了整定。在此基础上,搭建了翼肋柔顺段变弯度控制试验平台及典型机翼盒段综合偏转控制平台。验证了柔顺段结构在弹性变形范围内达到目标弯度的能力,翼肋实际变形曲线与目标变形曲线误差仅为8%;同时,对控制方法及参数的动态性能进行了测试,其作动响应时间为5.5 s,超调量为0,稳态误差为6%,表明了控制系统的合理性和有效性。最后,对翼盒进行了目标角度的综合控制试验,测试了整体系统的变结构性能。     

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structural mechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10?时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.     

钝后缘风力机翼型的环量控制研究

钝后缘风力机翼型具有结构强度高、对表面污染不敏感等优点,但其较大的阻力系数使得翼型的整体气动特性不够理想. 利用环量控制方法对钝后缘风力机翼型进行了流动控制,以改善钝后缘风力机翼型的气动特性,减弱尾迹区脱体涡强度. 通过对钝后缘风力机翼型环量控制方法进行相关的数值模拟,对比研究了环量控制方法的增升减阻效果, 研究了环量控制下翼型升阻力特性随射流动量系数的变化规律,并对不同射流动量系数下环量控制方法的气动品质因子和控制效率进行了分析. 研究结果表明:环量控制方法能够大幅提升钝后缘风力机翼型的升力系数,同时有效地降低翼型的阻力系数; 翼型的升力系数随射流动量系数的增大而增大,表现出很明显的分离控制阶段和超环量控制阶段的变化规律; 射流能耗的功率系数随射流动量系数的增大而增大,且增长速率逐渐增大;实施环量控制方法后叶片的输出功率同样随射流动量系数增大而增大,但增长速率逐渐降低. 总体来说,环量控制方法可以有效地改善钝后缘风力机翼型的气动特性以及功率输出特性,在大型风力机流动控制中具有很好的应用前景.