抗阵风载荷的小型无人飞行器设计及相关风洞舵效比较

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1、第28卷第6期应用力学学报Vol.28No.62011年12月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSDec.2011文章编号：1000-4939(2011)06-0649-05抗阵风载荷的小型无人飞行器设计及相关风洞舵效比较12刘斌刘沛清12(中国航天空气动力技术研究院100074北京)（北京航空航天大学航空科学与工程学院100191北京)摘要：本文目的在于探索验证微小型飞行器的气动布局与抗突风载荷能力的关系，结合风洞试验验证了结果并进行了数据分析。在低雷诺数条件下采用大边条、小

2、展弦比非常规的气动布局设计，根据性能指标要求对飞行器的机翼面积、翼展、翼型等相关参数进行了分析设计；运用数值模拟等手段对全机简化模型进行了气动力计算，对结果进了行初步的定性分析，为初始的设计提供了验证；结合实际的靶机制作得到了实际飞机的风洞验证缩比模型，对其进行了风洞的常规测力实验。根据风洞试验结果对飞机升降舵舵面与副翼舵面偏转0°、±15°、±30°的气动性能进行了评估，为进一步的理论分析提供依据。结合实际外场飞行实验情况得出飞行器的实际气动性能，并对大量相关风洞试验数据进行了分析；探索性地给出了一条适

3、用于微小型飞行器进行的新设计方法和设计流程，为设计适应于阵风载荷等恶劣气候条件下微小的型飞行器提供了参考新思路。关键词：低雷诺数；微小型飞行器；风洞试验；气动设计；升阻比中图分类号：V211.3文献标识码：A1引言46通常在航空领域中，当雷诺数Re为10～10时6定义为低雷诺数。对于常规飞行器Re>10；而对于45微小型飞行器，其雷诺数约为10～10量级，且随23其进一步小型化，Re降低至10～10量级。小型飞行器由于其尺寸和飞行速度的限制，通常属于此类[1]低雷诺数问题。图1“扫描鹰”小型无人飞机外形图

4、45在雷诺数为10～10时，飞行器的气动特点主由于微小型飞行器飞行速度和风速为同一量要表现为层流分离效应和非定常效应。固定翼机翼级，风速的变化会造成雷诺数的剧烈变化，从而使面的流场结构和气动特性与高雷诺数条件下有明显按先前常规思想设计的飞行器气动性能、稳定性、的区别，流场和气动性能易受湍流度和表面粗糙度操纵性急剧恶化，飞行性能受到严重的影响。当前[2]等因素影响。图1所示的是美国军方研制的“扫学术界公认的微小型飞行器的研制难点在于以下几描鹰”小型无人飞行器。个方面：①提高飞行器的飞行稳定性；②增强抗阵基金

5、项目：国家自然科学基金重点项目(60736025)来稿日期：2010-08-20修回日期：2011-11-07第一作者简介：刘斌，男，1985年生，中国航天空气动力技术研究院二所，工程师；研究方向——计算流体力学。E-mail：mefie@163.com650应用力学学报第28卷[3]风或突风载荷的干扰能力；③低雷诺数下高升阻比的气动结构设计与增升措施；④动力或能源的选[4]用以及高效推进技术；⑤结构材料的轻量化与任务载荷的微型化。2极端气候条件下无人飞行器整体设计思路微小型飞行器在飞行过程中受到突风载荷

6、的作图3所采用76/30边条和主翼气动布局示意图用，由于本身的转动惯量小，飞行器的迎角变化剧烈。对于微小型飞行器设计而言，翼型的选择尤为抗突风能力在一定程度上取决于飞行器失速迎角的关键[6]。对于二维翼型的选择，本文在设计过程中大小，失速迎角越大，其抗突风能力就相对越好。主要通过Profili软件来进行分析，对比几种常见的低速翼型的气动特性，从中选取相对合适的翼型。本文选择对比的对象为模型飞机中常用的ClarkY、E591、S121012%翼型。从图4的图例可以区分三种翼型的几何特征。从加工工艺角度考虑，

7、相比之下S121012%的二维结构最为复杂；从几何外形考虑，其弯曲且薄的机翼后缘受力状态类似于薄板的边缘加载集中载荷，易受损伤，不易进行加工与后期的维护。取飞5行雷诺数Re=10，三种翼型的升力阻力性能曲线如图2极端气候条件下无人飞行器整体设计思路的框架图图4所示。所谓的极端设计要求是指在极端恶劣气候环境（突风载荷作用）下能完成自主航拍任务。具体要求是：①失速迎角在30°附近；②抗风能力达到抗3~4级风力；③稳定性适于航拍。在极端条件下进行飞行的主要核心在于有效提高飞机抗突风能力。图2是本课题组进行小型无

8、人飞行器设计课题研发的整体思路框架示意图。表1初始设计指标参数基本参数数值翼展／mm2000平均气动弦长／mm6672翼面积／m1.334重量／kg53自驾设备预留空间下限／mm15×10×12自驾设备仪器总重量上限/g300翼载荷/kg⋅m−23设计巡航速度/m⋅s−115为有效地提高失速迎角，本文采用76/30边条和主翼，如图3所示。这种设计结构可有效减小由于飞行过程中迎角变化对微小型飞行器飞行状态的5干扰，进而大幅度改善