计入螺旋桨干扰的倾转机翼飞行器气动特性研究
发布时间：2021-10-09 10:57
倾转机翼飞行器不仅拥有直升机固有的垂直起降能力,还具备传统固定翼飞行器特有的高速巡航的特点,是目前军民用飞行器研究的热点之一。针对传统倾转机翼飞行器存在螺旋桨气动效率低、倾转机构复杂的问题,提出四发串列式倾转机翼垂直起降布局形式,对该布局飞行器进行总体设计,完成螺旋桨周围流场特性、螺旋桨间干扰特性、螺旋桨和机翼之间干扰特性的研究分析,并制作验证机进行验证。结果表明:该布局很好地解决了螺旋桨气动效率低、传动机构复杂的问题,具有较强的可实现性及实用性。
【文章来源】：航空工程进展. 2019,10(04)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１飞行器飞行模拟效果示意图（ｂ）悬停状态
０引言随着新一代陆军战略转型以及机械化装备的快速发展，陆军对无人机的能力提出了更高要求，而目前在役的无人直升机和固定翼无人机都有其先天缺陷，很难进一步满足现代化部队的作战使用需求。因此，同时兼具无人直升机（垂直起降、悬停作业）和固定翼无人机（快速、长时间高效飞行）优势的倾转旋翼／倾转机翼无人机技术亟待发展。理论研究方面，国外对倾转机翼式布局飞行器的研究涉及了样机试飞［１］、气动性能研究［２－４］和飞行控制测试［３］等方面。螺旋桨滑流作用会在很大程度上影响全机的气动特性，国内外对螺旋桨／机翼／机身之间的干扰作用进行了一系列探索［５－１１］，但并未涉及到倾转机翼式布局螺旋桨／机翼气动干扰特性的研究。本文基于提高动力系统气动效率、简化倾转机构、模块化设计和延长续航时间等设计目标，提出四发串列式倾转机翼的布局形式，对该布局飞行器进行气动布局设计和气动特性分析，并制作缩比验证机进行试飞验证。１飞行器气动布局设计本文提出四发串列式倾转机翼的气动布局，即串列式倾转机翼结合四个螺旋桨安装于两个机翼的布局形式，如图１所示。（ａ）巡航状态（ｂ）悬停状态图１飞行器飞行模拟效果示意图Ｆｉｇ．１Ｆｌｉｇｈｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒｔａｎｄｅｍｔｉｌｔｉｎｇｗｉｎｇａｉｒｃｒａｆｔ在进行飞行器气动布局设计时，要充分考虑前后翼间的干扰效应，除常规的机翼外形参数，还需要重点设计前后翼的安装参数。（１）机翼气动外形设计该串列翼无人机的巡航速度为７２ｋｍ／ｈ，故总体设计时机翼平面形状采用低速飞机常用的直机翼，翼型选择ＮＡＣＡ４
２滑移网格技术采用基于多重参考坐标系模型的滑移网格技术对四发串列式倾转机翼飞行器的气动特性进行ＣＦＤ数值模拟。具体为：采用ＩＣＥＭＣＦＤ进行非结构网格划分，基于ＳＳＴ湍流模型，通过在商用仿真软件ＣＦＸ中求解Ｎ－Ｓ方程获取流场信息。含螺旋桨飞行器模型的非结构网格如图３所示，网格数为１５００万左右。图３含螺旋桨的非结构网格Ｆｉｇ．３Ｕｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｇｒｉｄｆｏｒａｅｒｏｐｌａｎｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｐｒｏｐｅｌｌｅｒ为了计算计入螺旋桨干扰下各飞行状态的全机气动性能，采用滑移网格计算方法，将整个流场的一部分划分成动参考域，另外一部分划分为静参考域，即螺旋桨所在的旋转流场网格和远场所在的静止网格两套网格。旋转域和静止域之间通过交接面（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行连接以完成信息流通交换。在建模过程中，将旋转部分和静止部分交接的部分分别配对，形成多个交接面，即Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ部分。上述两套流场网格如图４所示。（ａ）远场静止网格（ｂ）旋转域网格（ｃ）旋转域内螺旋桨网格图４两套流场网格Ｆｉｇ．４Ｔｗｏｆｌｏｗｆｉｅｌｄｇｒｉｄｓ静止域和动域两套网格通过交接面（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行连接使得旋转域和静止域信息流通交换。计算时对转子区域设置旋转中心坐标、旋转轴和旋转速度，设置旋转轴遵循右手定则且与螺旋桨旋转方向相同。例如，旋转轴通过输入两点坐标的方式设置（该轴须过螺旋桨圆心）。设置三个交接面，分别为螺旋桨上下桨平面及纵向桨平面，如图５所示，坐标变换形式选择旋转变换的ＦｏｒｚｅｎＲｏｔｏｒ模式，这是周期性旋转模拟中常用的一种交接
【参考文献】：
期刊论文
[1]倾转三旋翼无人机过渡模式走廊曲线研究[J]. 陈琦,江涛,史凤鸣,蔚建斌,方亮. 电光与控制. 2017(03)
[2]倾转旋翼无人机过渡姿态气动分析[J]. 卢沩宗,钟斌. 工业设计. 2015(11)
[3]倾转旋翼无人机悬停姿态气动分析[J]. 卢沩宗,张义,刘硕. 化学工程与装备. 2015(11)
硕士论文
[1]倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰研究[D]. 曾祥伟.南昌航空大学 2013
[2]倾转旋翼机过渡段纵向姿态控制技术研究[D]. 陈永.南京航空航天大学 2011
[3]倾转旋翼机旋翼/机翼/机身干扰流场的数值分析[D]. 成宝峰.南京航空航天大学 2010
[4]悬停和前飞状态倾转旋翼机流场的数值分析[D]. 刘全.南京航空航天大学 2009
[5]倾转旋翼飞行器旋翼/机翼/机身气动干扰计算[D]. 徐恺.南京航空航天大学 2007
[6]倾转旋翼飞行器悬停状态下旋翼/机翼干扰研究[D]. 周加松.南京航空航天大学 2004
本文编号：3426228
【文章来源】：航空工程进展. 2019,10(04)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１飞行器飞行模拟效果示意图（ｂ）悬停状态
０引言随着新一代陆军战略转型以及机械化装备的快速发展，陆军对无人机的能力提出了更高要求，而目前在役的无人直升机和固定翼无人机都有其先天缺陷，很难进一步满足现代化部队的作战使用需求。因此，同时兼具无人直升机（垂直起降、悬停作业）和固定翼无人机（快速、长时间高效飞行）优势的倾转旋翼／倾转机翼无人机技术亟待发展。理论研究方面，国外对倾转机翼式布局飞行器的研究涉及了样机试飞［１］、气动性能研究［２－４］和飞行控制测试［３］等方面。螺旋桨滑流作用会在很大程度上影响全机的气动特性，国内外对螺旋桨／机翼／机身之间的干扰作用进行了一系列探索［５－１１］，但并未涉及到倾转机翼式布局螺旋桨／机翼气动干扰特性的研究。本文基于提高动力系统气动效率、简化倾转机构、模块化设计和延长续航时间等设计目标，提出四发串列式倾转机翼的布局形式，对该布局飞行器进行气动布局设计和气动特性分析，并制作缩比验证机进行试飞验证。１飞行器气动布局设计本文提出四发串列式倾转机翼的气动布局，即串列式倾转机翼结合四个螺旋桨安装于两个机翼的布局形式，如图１所示。（ａ）巡航状态（ｂ）悬停状态图１飞行器飞行模拟效果示意图Ｆｉｇ．１Ｆｌｉｇｈｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒｔａｎｄｅｍｔｉｌｔｉｎｇｗｉｎｇａｉｒｃｒａｆｔ在进行飞行器气动布局设计时，要充分考虑前后翼间的干扰效应，除常规的机翼外形参数，还需要重点设计前后翼的安装参数。（１）机翼气动外形设计该串列翼无人机的巡航速度为７２ｋｍ／ｈ，故总体设计时机翼平面形状采用低速飞机常用的直机翼，翼型选择ＮＡＣＡ４
２滑移网格技术采用基于多重参考坐标系模型的滑移网格技术对四发串列式倾转机翼飞行器的气动特性进行ＣＦＤ数值模拟。具体为：采用ＩＣＥＭＣＦＤ进行非结构网格划分，基于ＳＳＴ湍流模型，通过在商用仿真软件ＣＦＸ中求解Ｎ－Ｓ方程获取流场信息。含螺旋桨飞行器模型的非结构网格如图３所示，网格数为１５００万左右。图３含螺旋桨的非结构网格Ｆｉｇ．３Ｕｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｇｒｉｄｆｏｒａｅｒｏｐｌａｎｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｐｒｏｐｅｌｌｅｒ为了计算计入螺旋桨干扰下各飞行状态的全机气动性能，采用滑移网格计算方法，将整个流场的一部分划分成动参考域，另外一部分划分为静参考域，即螺旋桨所在的旋转流场网格和远场所在的静止网格两套网格。旋转域和静止域之间通过交接面（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行连接以完成信息流通交换。在建模过程中，将旋转部分和静止部分交接的部分分别配对，形成多个交接面，即Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ部分。上述两套流场网格如图４所示。（ａ）远场静止网格（ｂ）旋转域网格（ｃ）旋转域内螺旋桨网格图４两套流场网格Ｆｉｇ．４Ｔｗｏｆｌｏｗｆｉｅｌｄｇｒｉｄｓ静止域和动域两套网格通过交接面（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行连接使得旋转域和静止域信息流通交换。计算时对转子区域设置旋转中心坐标、旋转轴和旋转速度，设置旋转轴遵循右手定则且与螺旋桨旋转方向相同。例如，旋转轴通过输入两点坐标的方式设置（该轴须过螺旋桨圆心）。设置三个交接面，分别为螺旋桨上下桨平面及纵向桨平面，如图５所示，坐标变换形式选择旋转变换的ＦｏｒｚｅｎＲｏｔｏｒ模式，这是周期性旋转模拟中常用的一种交接
【参考文献】：
期刊论文
[1]倾转三旋翼无人机过渡模式走廊曲线研究[J]. 陈琦,江涛,史凤鸣,蔚建斌,方亮. 电光与控制. 2017(03)
[2]倾转旋翼无人机过渡姿态气动分析[J]. 卢沩宗,钟斌. 工业设计. 2015(11)
[3]倾转旋翼无人机悬停姿态气动分析[J]. 卢沩宗,张义,刘硕. 化学工程与装备. 2015(11)
硕士论文
[1]倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰研究[D]. 曾祥伟.南昌航空大学 2013
[2]倾转旋翼机过渡段纵向姿态控制技术研究[D]. 陈永.南京航空航天大学 2011
[3]倾转旋翼机旋翼/机翼/机身干扰流场的数值分析[D]. 成宝峰.南京航空航天大学 2010
[4]悬停和前飞状态倾转旋翼机流场的数值分析[D]. 刘全.南京航空航天大学 2009
[5]倾转旋翼飞行器旋翼/机翼/机身气动干扰计算[D]. 徐恺.南京航空航天大学 2007
[6]倾转旋翼飞行器悬停状态下旋翼/机翼干扰研究[D]. 周加松.南京航空航天大学 2004
本文编号：3426228
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