CN101758921B - 排式飞翼高空飞艇的气动布局 - Google Patents

Abstract

一种排式飞翼高空飞艇的气动布局，包括由两个对称飞翼组合而成的具有45°后掠角的排式飞翼。排式飞翼沿艇身(1)轴线前后平行的安装在艇身两侧，并且前翼的前缘与后翼的前缘之间的位置差为0.8倍弦长；前翼的弦线与后翼的弦线之间的高度差为0.5倍弦长。通过翼稍连接板(3)分别将两飞翼的翼稍连接在一起。本发明使后翼对前翼的下表面气流形成阻滞作用，增加前翼的升力，使两个飞翼之间的气流得到加速，从而提高前翼的升力。两翼之间流动速度的增加，缓解了后翼上表面的流动分离，降低了飞行器的气动阻力，提高了整个飞艇的气动效率，并且由于飞翼的弦向尺寸较小，飞翼表面材料张力减小，为高空飞艇表面材料的提供了较宽的选择范围。

Description

排式飞翼高空飞艇的气动布局

一、技术领域

本发明涉及现代临界空间飞行器的设计领域，具体是一种排式飞翼高空飞艇的气动布局。

二、背景技术

在临近空间飞行器中，高空飞艇是当前国内外非常关注的高空信息平台。飞艇的升空原理主要是在飞艇内部填充比空气更轻的气体形成浮力。由于高空空气稀薄，单纯依靠浮力的飞行器尺寸巨大，而巨大的尺寸会超过材料张力的极限，所以，不仅大尺寸飞行器的制造困难，而且表面柔性材料本身也对飞行器尺寸有很大的约束。有专家论证，高度超过25000米后，飞艇的尺寸就会超出目前国外最好材料的张力极限。所以，利用高空自然气流速度产生空气动力学升力来增加飞行高度的飞行器受到了极大关注。但同时，由于高空的自然风不确定，而且速度有限，单纯依靠空气动力学升力的方案无法维持长时间驻留高空的需求，因此，升浮一体的临界空间飞行器成为一种可行的选择方案。发展既有较高的内部容积、同时具有高气动效率的飞行器气动布局对临界空间飞行器的研究具有重要价值。

三、发明目的

为克服现有技术中存在的高空飞行器表面柔性材料要求高的不足，并能获得较高的气动效率，本发明提出一种排式飞翼高空飞艇的气动布局。

本发明包括两个飞翼、艇身、翼梢连接板和控制系统，其中，飞翼是由两个柔性材料制成的对称飞翼组合而成的具有后掠角的排式飞翼，采用传统的NACA0030翼型，其厚度为30％，飞翼的展弦比为10，后掠角为45°，迎角为4°。利用发动机舱作为排式飞翼高空飞艇的艇身；排式飞翼沿艇身轴线前后平行的安装在艇身两侧，形成了排式飞翼的左前翼和右前翼、左后翼和右后翼；前翼的前缘与后翼的前缘之间的位置差为0.8倍弦长；前翼的弦线与后翼的弦线之间的高度差为0.5倍弦长。两飞翼翼展方向与中间纵向对称面的夹角是45°。

在两个飞翼的翼稍处，通过翼稍连接板分别将左前翼和左后翼，右前翼和右后翼连接在一起。翼梢连接板为用碳纤维材料制成的平面薄板。翼梢连接板与艇身轴线平行；该翼梢连接板的纵向尺寸为两个飞翼的厚度与两个飞翼的间距之和，轴向尺寸为1.8倍的弦长。翼梢连接板的两个侧边分别与两个飞翼的边缘相切；两飞翼翼梢前缘的连线和两飞翼翼梢后缘的连线分别构成翼梢连接板的两个底边。

本采用常规的无人机推进和控制系统；推进系统采用螺旋桨推进装置。螺旋桨发动机和飞控系统均安置于发动机舱内部。

由于本发明采用的技术方案，使后翼对前翼的下表面气流形成阻滞作用，从而增加前翼的升力，并使两个飞翼之间的气流得到加速，提高了前翼下表面的压力，从而提高前翼的升力。同时，由于两翼之间的流动速度增加，缓解了后翼上表面的流动分离，降低了飞行器的气动阻力，提高了整个飞艇的气动效率。本发明中，由于飞翼的弦向尺寸较小，并且当飞翼的展向方向为等厚度时，飞翼表面材料张力减小，为高空飞艇表面柔性材料的提供了较宽的选择范围。

四、附图说明

附图1是双排后掠飞翼高空飞艇布局图；

附图2是双排后掠飞翼高空飞艇俯视图；

附图3是双排后掠飞翼高空飞艇前视图；

附图4是双排后掠飞翼高空飞艇侧视图；

附图5是单排直飞翼的剖面压力系数；

附图6是双排直飞翼的剖面压力系数。其中：

1.艇身    2.左前翼    3.翼梢连接板    4.左后翼    5.螺旋桨

6.右前翼  7.右后翼    8.单排直飞翼剖面压力系数

9.双排直飞翼前翼的剖面压力系数        10.双排直飞翼后翼的剖面压力系数

五、具体实施方式

本实施例是一种排式飞翼高空艇，包括两个飞翼、艇身1、翼梢连接板3和控制系统。

本实施例的飞翼是由两个对称飞翼组合成具有后掠角的排式飞翼，材料选用聚脂纤维柔性材料。剖面采用传统的NACA0030翼型，其相对厚度为30％。飞翼的展弦比为10，后掠角为45°，迎角为4°。

本实施例的发动机舱采用钝头尖尾旋成体外型，位于飞艇的中心，作为排式飞翼高空飞艇的艇身1；采用胶粘和缝合相结合的方式将两对飞翼分为左翼和右翼对称地连接在艇身的两侧，并使左翼和右翼的弦向平行于艇身轴线，前后平行的安装在艇身1上，形成了排式飞翼的左前翼2和右前翼6、左后翼4和右后翼7。前翼前缘距艇身前端面为0.3倍的弦长；前翼下翼面距艇身轴线为0.1倍的弦长；上翻角为0°。后翼在水平方向较前翼延后0.8倍弦长，即前翼的前缘与后翼的前缘之间的位置差为0.8倍弦长；垂直方向较前翼降低0.5倍弦长，即前翼的弦线与后翼的弦线之间的高度差为0.5倍弦长。两飞翼翼展方向与中间纵向对称面的夹角是45°。

在两个飞翼的翼稍处，同样利用胶粘和缝合相结合的方式，通过翼稍连接板3分别将左前翼和左后翼，右前翼和右后翼连接在一起。翼梢连接板为用强度大、质地轻的高性能碳纤维材料制成的平面薄板。翼梢连接板与艇身轴线平行；该翼梢连接板的纵向尺寸为两个飞翼的厚度与两个飞翼的间距之和，轴向尺寸为1.8倍的弦长。翼梢连接板的两个侧边分别与两个飞翼的边缘相切；两飞翼翼梢前缘的连线和两飞翼翼梢后缘的连线分别构成翼梢连接板的两个底边。

本实施例采用常规无人机的推进和控制系统系统，推进系统采用螺旋桨推进装置。螺旋桨发动机和飞控系统均安置于发动机舱内部。

为了证明本项发明的有益效果，以展弦比为10的直飞翼为例进行数值计算，翼型选取为NACA0030翼型，以迎角4度为基准，飞翼的升阻系数见表1。图5为单排直飞翼的剖面压力系数分布，图6为双排飞翼的压力系数分布。可以看出，双排直飞翼中后面的飞翼气动效率甚至有所下降，但前面飞翼的升力得到了很大幅度的提高；较之单排直飞翼，双排直飞翼的升阻比增大，平均气动效率显著提高。

通过数值模拟试验表明，本实施例在4°迎角时，单排后掠飞翼的升力系数为和升阻比均较小；而采用图1所示的双排后掠飞翼布局后，平均到每个飞翼上的升力系数明显增大，阻力系数略有增加，但总体升阻比是显著增大的。显然，采用本专利思路的排式飞翼布局后，气动效率得到了较大幅度提升。另一方面，从上述直飞翼和后掠飞翼的布局情况看，后掠飞翼的气动效率比直飞翼差，这符合空气动力学一般规律，但后掠飞翼具有更好的飞行稳定性。

表1不同排列方式飞翼的升阻系数

排列方式	平均升力系数	平均阻力系数	升阻比
				单排直飞翼	0.27370	0.04769	5.7391
双排直飞翼	0.408610	0.050814	8.0413
				单排后掠飞翼	0.193915	0.041628	4.6582828
双排后掠飞翼	0.304295	0.044626	6.8187827

由于本发明采用的技术方案，使后翼对前翼的下表面气流形成阻滞作用，从而增加前翼的升力，并使两个飞翼之间的气流得到加速，提高了前翼下表面的压力，从而提高前翼的升力。同时，由于两翼之间的流动速度增加，缓解了后翼上表面的流动分离，降低了飞行器的气动阻力，提高了整个飞行器的气动效率。本发明中，由于飞翼的弦向尺寸较小，并且当飞翼的展向方向为等厚度时，飞翼表面材料张力减小，为高空飞艇表面柔性材料的提供了较宽的选择范围。

Claims (4)

1.一种排式飞翼高空飞艇的气动布局，包括艇身(1)和控制系统，其特征在于，还包括由前翼和后翼组成的排式飞翼和两块翼梢连接板(3)；排式飞翼的相对厚度为30％，展弦比为10，后掠角为45。，迎角为4。；利用发动机舱作为排式飞翼高空飞艇的艇身(1)，排式飞翼的前翼和后翼沿艇身轴线前后平行的安装在艇身(1)的两侧；两块翼梢连接板均位于排式飞翼的翼梢处，并与艇身(1)的轴线平行；通过翼梢连接板(3)将排式飞翼固定连接。

2.如权利要求1所述排式飞翼高空飞艇的气动布局，其特征在于，所述前翼包括左前翼(2)和右前翼(6)，所述后翼包括左后翼(4)和右后翼(7)；前翼的前缘与后翼的前缘之间的位置差为0.8倍弦长；前翼的弦线与后翼的弦线之间的高度差为0.5倍弦长。

3.如权利要求1所述排式飞翼高空飞艇的气动布局，其特征在于，所述翼梢连接板(3)为平面薄板；该翼梢连接板(3)的纵向尺寸为两个排式飞翼的厚度与两个排式飞翼的间距之和，轴向尺寸为1.8倍的弦长；翼梢连接板(3)的两个侧边分别与两个排式飞翼的边缘相切。

4.如权利要求3所述排式飞翼高空飞艇的气动布局，其特征在于，所述两个排式飞翼翼梢前缘的连线和两个排式飞翼翼梢后缘的连线分别构成翼梢连接板的两个底边。

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