临近空间飞行器螺旋桨低雷诺数高升力翼型综述

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1、临近空间飞行器螺旋桨低雷诺数高升力翼型综述马蓉刘沛清胡颖(北京航空航天大学流体力学所,北京10083)摘要为了研究和设计适用于临近空间飞行器螺旋桨低密度、低雷诺数、高马赫数、大跨飞高的高升力翼型，本文通过总结现有低雷诺数高升力翼型的气动特性，分析了临近空间飞行器螺旋桨翼型的适应性条件及其选择原则，从而为临界空间飞行器高效螺旋桨设计与研制提供翼型选择依据。关键字临近空间;螺旋桨;低雷诺数;高升力翼型1、引言近年出现的临近空间飞行器，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，也称为亚轨道或空天过渡区，位于11km—32km之间的平流层。在此空间

2、飞行的低动态飞行器，因密度低于地面的13倍以上，所涉及的主要气动问题是与低Re（雷诺数）数有关的绕流问题。特别是对于长航时飞行器而言，如何以最小的动力实现尽可能长的飞行时间，在机翼和螺旋桨设计中，关键问题是选择和设计低Re数、高升力、失速特性缓慢的翼型，使飞行器处于航时因子高的高升力系数状态飞行，甚至靠近失速迎角时仍能安全飞行。遗憾的是目前大多数可选用的常规NACA4、5位数及6系列的翼型都是为了满足高Re数（>107）而设计的，它们的最大升力系数普遍偏低，航时因子不高，特别是在低Re数（约106）下这些翼型将出现层流分离泡，严重影响气动性能。而国外

3、70年代发展的著名低速高升力GAW－1翼型虽然具有最大升力系数较高的优点,但仍是为改善通用航空飞机巡航升力系数时的航程和升力系数为1.0时的爬升性能而设计的。一旦绕流Re数低到量级，该翼型的最大升力系数也迅速降低，且失速特性曲线陡峭、最大航时因子也不高。一些较新的低Re层流翼型具有高升阻比的特点，但其陡峭的失速特性曲线也限制了飞行器高升力长航时飞行的实现。为了充分利用电机功率，降低能源8消耗，本文针对临近空间长航时低动态飞行器的特点，详细总结了已有的低Re数高升力翼型的气动特性，归纳了适用于临近空间飞行器螺旋桨低密度、低Re数、高马赫数、大跨飞高的高

4、升力翼型，以及临近空间飞行器螺旋桨翼型的选择和设计基本原则。2、临近空间低Re数高升力翼型特点在平流层，空气的密度小、温度不变，大气只有水平方向的运动，基本无上下运动，也无雷雨风暴等气象变化。因空气密度小，采用常规翼型设计的螺旋桨，具有推力小、效率低的缺点。同时在起飞着落时，空气密度随高度显著变化，最大相差14倍；空气运动粘性系数随高度变化而增大，最大相差11倍；但空气声速随高度变化而减小，二者比值1.15。这些气动参数大的变化将直接影响到通过螺旋桨平面的空气质量流量、推力、效率等气动参数。因此，设计临近空间飞行器需要采用低Re数、高升力、失速性能缓

5、慢的翼型。早在1940年Liebeck就提出这种高升力翼型的概念，但高升力翼型设计问题仍然是当今倍受关注的话题。原因是通过改进高升力翼型气动性能可以增加翼载，减少飞行器起飞和着陆重量和噪声，降低失速速度。螺旋桨内段、中段和外段可能采用不同的翼型，或同一翼型做局部的修型。在没有现成可用翼型的条件下,主要是采用已有高升力翼型,根据设计条件修型、不断逼近、优化，最终获得满足设计飞行任务的翼型。高升力翼型升力较高，但是其巡航阻力与其他相对厚度相同的翼型相当。它的典型外形特征是翼型上下翼面不再对称，上翼面厚度增加，下翼面厚度减小，并在后缘处凹入。前缘半径相对较

6、大，最大厚度和最大弯度位置靠前。基于对当今低雷诺数高升力翼型及其气动特性的统计分析，这里重点介绍三种典型的低Re数高升力翼型。2.1LNV109A翼型Liebeck使用一种反设计方法设计了这种高升力翼型。Liebeck设计原理包括应用Stratford压力分布，在最大升力系数Clmax处无分离现象。Liebeck原型翼型无后加载项，从而产生很小的俯仰力矩。8图2.1LNV109A翼型的升阻特性(Re=－)图2.2LNV109A翼型在低Re的极曲线由图2.1和图2.2可看出，LNV109A翼型的升力和力矩系数在中等和小迎角下几乎不受Re的影响，而阻力系

7、数几乎在全部迎角范围内都受Re的影响。这是因为Liebeck设计翼型时使用了Stratford压力分布，但这种方法的缺点是失速急剧，坡度大。2.2Eppler家族翼型（1）E387它在不同低雷诺数Re下的气动特性实验图见图2.3和图2.4。图2.3E387在一些低Re数下的升力曲线图图2.4E387在一些低Re数下的极曲线图（2）E423Eppler通过使用凹的Stratford-like压力分布恢复来实现最大升力。图2.5给出这种典型翼型的升阻特性曲线和力矩曲线。8图2.5E423翼型的几何外形及气动特性图(Re=～)由以上Eppler翼型家族气动

8、曲线可看出，与LNV109A翼型相比，Eppler翼型失速缓和，在全部迎角范围内，受Re数影响较小。这与Ep