基于ONERA气动力的多级动态失速模型研究

发布时间：2020-06-25 13:31

【摘要】：由于现代高性能战斗机对于机动性能的要求以及直升机旋翼系统的结构特点,飞机常常会面临大迎角动态失速问题。鉴于动态失速的复杂性,暂时还无法使用纯理论方法对其进行有效研究,目前工程中常采用经验模型。ONERA作为一种具有代表性的动态失速模型可对翼型在动态失速下的气动特性进行模拟,但对于深失速状态下气动特性曲线的多级峰值无法进行有效捕捉。同时经典ONERA模型的应用也局限于固定形状翼型,无法满足对于带控制面可变翼型的研究需求。本文主要对ONERA动态失速模型的使用范围以及在深失速下的计算精度进行研究。首先为了使ONERA模型应用于带控制面的可变翼型,采用Peters有限状态气动载荷理论,并结合动态入流模型加入尾迹的影响。同时基于大幅振荡数据,利用遗传算法辨识得到改良的环量形式ONERA方程,以此来计算动态失速引起的附加载荷,建立适用于可变翼型的动态失速模型。此外,为了获取作为ONERA模型驱动的可变翼型静态残差,本文以基准翼型的静态残差数据为基础,采用广义坐标,通过一种平移拟合方法建立了可变翼型的静态残差数据库。对于深失速等具有明显多级失速现象的情况,在已建立的模型中再加入一个由脉冲驱动的二级失速环量方程来模拟二级失速涡引起的升力波动,使模型具备了对于多级升力峰值的捕捉能力。最后将各部分整合为一个统一模型,并加入相应的修正系数,得到适用于可变翼型多级动态失速的时域非定常气动力模型。并分别在固定形状翼型和可变翼型下验证了该模型的有效性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211
【图文】：

过程图,过失速机动,眼镜蛇,战斗机

高度非线性的非定常流动现象。由于翼型周围发生非定常流动分离，使得翼型以振荡形式进入、退出失速状态。其主要特征是流场中存在复杂的非定常分离涡和大尺度漩涡结构，涡状紊流从翼型前缘或后缘区域分离，在气流重新附着在翼型上之前，翼型一直保持失速状态。相比于静态失速，动态失速更加复杂，翼型的升力、阻力、力矩特性随着翼型运动形式的不同而不同。相比于静态失速，发生动态失速的最大攻角会表现出明显的非线性迟滞。动态失速一旦发生，效果更严重且持续时间较长，气动力系数可以极大地偏离静态值。所以进行简单的静态失速研究已经远远不能满足动态失速问题的研究需求。在国际上定义的第三代机出现以前，失速飞行一直被视为飞行的禁区。飞机一旦进入失速状态，飞机升力会急速下降，甚至出现坠机的风险。而随着现代战争环境不断变化，高性能战斗机必须拥有较高的瞬时机动能力，于是“过失速机动”[1][2]的概念应运而生。具有过失速飞行能力的战斗机可以在飞行攻角大于失速攻角的情况下继续正常飞行，不仅可以避免飞行运动发生偏离发散、进入尾旋，同时飞机还可以利用过失速机动性能，快速改变飞机姿态和位置，从而获取更加有利的战斗位置，从而极大地提升战斗能力。1989 年巴黎航展上苏联飞行员普加乔夫驾驶苏-27 飞机表演的“眼镜蛇机动”便是一个典型的过失速机动动作。

捕食者,无人机

行姿态和飞行轨迹进行精确控制。因此，建立具有高精度的非定常气动力模型一直是高性能飞机气动设计研制的一个核心问题。从飞行安全的角度来说，飞行可靠性也是战斗机研制过程中的一个焦点问题。回顾历史上发生的各种飞行事故，其中大多数都源于飞机设计者和驾驶员对于飞机非定常气动特性的认识不足。因此，更加深入的研究分析飞机的动态气动特性对于避免潜在的飞行安全隐患也有极其重要的意义。近些年来，高空长航时（HighAltitude Long Endurance）固定翼飞机的优秀性能越来越受到世界各国的关注。高空长航飞机因其拥有较大的展弦比，因此能够在有限的燃油消耗下完成大范围、长时间的复杂任务，如大气环境监测、高空军事侦察和通信网络中继等。其中最具代表性的便是美国的“捕食者”和“全球鹰”无人机。这种飞机的普遍特点是大展弦比或超大展现比布局（一般在 20 到 50 之间）、重量轻（展向单位长度质量可小于1.0kg m）、柔性大（静变形可达 25%展长）。基于大展弦比机翼的以上特点，在进行巡航时，由于气动载荷的作用，机翼的某些截面会产生较大的动态弯曲和扭转变形，局部截面攻角有时会超过失速攻角。在这种情况下就要求在计算中必须使用适用于大攻角状态的非定常气动力模型。

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