飞翼类特殊布局无人机气动力设计研究

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1、万方数据201J年lO月第29卷第5期西北工业大学学报JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversity0ct．201lV01．29No．5飞翼类特殊布局无人机气动力设计研究王豪杰1，李杰1，周洲2(1．西北工业大学航空学院；2．西北工业大学无人机特种技术国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：文章针对飞翼布局无人机的气动力设计特点，结合某特殊布局方案开展翼型／机翼气动力设计研究。根据文中提出的无尾飞翼布局无人机气动力设计原则，基于CFD方法完成了相应的气动力设计任务。风洞验证试验表明，气动力设计过程所采用的CFD方法是可靠的，文中所采取

2、的设计思路合理有效。文中设计经验表明，合理的设计思路与可靠的CFD分析工具是成功实现气动力设计任务的有力保障。关键词：飞翼布局无人机，CFD，翼型中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000-2758(2011)05-0789-05自上世纪90年代以来，无人机在世界范围内得到了突飞猛进的发展，进入新世纪之初，无人机的发展更是进入了一个崭新的时代。各种性能各异、技术先进、用途广泛的新型机种，如高空长航时无人机、战斗无人机和微型无人机等不断涌现。基于一体化设计思想的无尾飞翼布局，可大大增升减阻，减少重量，对提高续航时间和机动性等飞行性能极为有效，同时无尾飞翼布局还可大幅度改善

3、飞机的隐身特性。因此，无尾飞翼布局无人机成为国内、外无人机研究的热点之一¨J。本文结合某特殊布局飞翼无人机，按照文中所提出的设计原则，基于CFD方法完成了某具体方案的气动力设计任务。风洞验证试验表明，气动力设计过程所采用的CFD方法是可靠的，文中所采取的设计思路合理有效。文中设计经验表明，合理的设计思路与可靠的CFD分析工具是成功实现气动力设计任务的有力保障。1飞翼布局无人机气动力设计特点由于没有平尾，与正常式布局相比，飞翼布局具有其独特的气动力设计特点?1)飞翼布局无人机只能依靠机翼上的操纵面来配平飞行器所产生的俯仰力矩，由于机翼操纵面力臂很短导致其操纵效率往往很低，因此要求飞机设

4、计点俯仰力矩值为接近零的小值；2)大展弦比飞翼布局无人机，其内翼与外翼尺寸相差很大，这样导致机翼当地雷诺数差别很大，内、外翼所配置的翼型在设计思路上有较大的差别；3)由于机翼内、外翼尺寸相差较大，沿展向很难实现环量的椭圆分布，给有效减小诱导阻力、提高气动效率带来很大的困难；4)机翼后掠加大了气流沿展向的流动，沿展向机翼各剖面的气动特性变化剧烈，不易在翼面上保持大面积的层流区，给减小摩擦阻力带来困难；5)采用大展弦比后掠翼会导致机翼翼尖区距离重心位置的纵向距离较远，翼尖区的微弱的分离都会对机翼的俯仰力矩带来显著的影响。对于无尾飞翼布局无人机，设计的难点在于如何折中升阻比与力矩特性曲线过

5、早出现非线性上翘问题。升阻比过小可能给飞机带来性能上的损失，力矩线性范围太短则无法满足安全飞行的要求。如何保证较大升阻比前提下，在较大的迎角范围内避免由于分离出现而使焦点移动过快的现象，推迟力矩出现发散现象时的迎角，延长力矩特性的线性范围，是飞翼类无人机设计的一大技术难点。收稿日期：2010—10·18基金项目：国家自然科学基金(10772148、90816027、ll172240)资助作者简介：王豪杰(1985一)，西北工业大学博士研究生，主要从事理论与计算流体力学研究。万方数据西北工业大学学报第29卷2某特殊布局无人机总体方案描述图1给出了某特殊布局无人机方案效果图，如图所示此方

6、案为后缘带拐折的翼身融合飞翼式布局，全机展长5．2m，机翼面积7Ill2，前缘后掠角为4l。。根据设计要求，机翼的设计点确定为：Ma=0．7左右；Ct一0．2；翼型相对厚度不小于9％。图1某特殊布局无人机方案效果图3翼型气动力设计3．1基本夏型气动力设计原则1)设计点应具有比较大的升阻比，且在较宽的使用升力范围内，升阻比的变化应比较平缓；2)在巡航马赫数附近，气动性能变化平稳，避免出现因速度小的变化导致性能变化剧烈的现象：3)增大翼型的可用升力系数，避免翼面上过早出现分离现象，克服升力非线性“平台”的出现；4)考虑翼型的低速要求，尽可能使翼型具有较为缓和的失速形态，同时提高翼型的最大

7、升力系数；尽可能避免由于分离出现而使焦点移动过快的现象，推迟力矩出现发散现象时的迎角，延长力矩特性的线性范围；5)通过增大翼型的头部半径，将翼型最大厚度位置前移，削薄翼型后部厚度，可以改善翼型低速时的力矩非线性特性，但这时翼型的高速升阻比会有所降低；应合理权衡翼型高低速气动特性。3．2基本翼型气动力设计结果及性能分析基于对飞翼布局无人机气动力设计特点的认识和前面提出的基本翼型气动力设计原则，完成了基本翼型的气动力设计，并采用XFoil及MSES程序对基本翼