CN104354850A - 一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种用于高空长航时固定翼飞机机翼的翼型。其应用逆向工程获取海鸥翅翼翼型的上下表面的坐标值。仿海鸥翼型最大厚度t所在的位置占弦长的9.1％～9.7％，最大弯度f所在的位置占弦长的45.5％～48.1％；最大厚度t比标准翼型大大减小，这样可以防止翼型出现过早的分离，造成升力损失；最大弯度f与标准翼型相近，使得上下面的流速差相对保持不变，上下面上的压差一定，在同样条件下获得大小一致的升力。本发明的仿海鸥翼型具有更低的阻力及更高的升阻比，可以使整体的气动特性得到提高。

Description

一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型

技术领域:

本发明涉及一种高空长航时固定翼飞机机翼的翼型。具体涉及高空长航时无人机机翼的翼型。

技术背景：

军用无人机在海湾战争、阿富汗战争和越战中的出色表现，受到越来越多国家的重视。许多国家把军用无人机的发展置于优先地位。主要原因有以下几个方面：一是在现代和未来的战争中，无人机具有不受气候条件的限制，可以深入危险地区上空长时间侦察获取情报信息。二是无人机在设计时可以不用考虑人的因素。三是无人机的研制费用、生产成本和维护费用和比载人飞机低的多，还可以节省培训飞行员的大量费用。四是在能源危机的今天，必须寻求耗油较少的无人机。因此广泛的采用军用无人机必然将是未来的发展趋势。

根据续航时间和航程无人机可以分为高空长航时无人机(也称战略无人机,如美国“捕食者”、以色列的“搜索者”等)和低空近程无人机(也称微型无人机，如以色列的“微V型”无人机)。无人机的机翼可以分为固定翼、螺旋桨式机翼和折叠式机翼。而近年来，大载重、高高空、长航时、低可探测性将是未来无人机的发展趋势，同时也成为国际航空界研究的热点问题。以美国“全球鹰”为例，飞机采用了大展弦比的直机翼(翼展达35.4米)，其巡航高度可达19800米，可以在5500公里(3000海里)外的目标区滞空24小时，最大续航时间大于42小时，可全天候的执行侦察任务。高空长航时无人机与有人驾驶战略侦察机相比，其最主要的优势是:不必考虑人的安全问题，在危险区域执行侦察任务时，既不必冒生命危险，也不需派遣护航机保护。无人机能昼夜持续进行空中侦察探测，这些都是有人驾驶战略侦察机所不及的。高空长航时无人机与侦察卫星相比，成本低廉是其最大的优势，只是卫星成本的几十分之一，甚至几百分之一。

高空长航时无人机要在20km以上高空飞行，一方面由于空气稀薄，飞行动压小，雷诺数低(百万量级)，要满足无人机大载重的要求。另一方面，由于长航时飞行，必须降低飞行阻力以减少燃油消耗。因此高空长航时无人机在设计时就要满足高升力低阻力这样的气动性能。而机翼是飞机产生升力的主要部件，机翼的气动性能是研究飞机气动性能的基础，影响气动性能主要是机翼的平面参数和翼型决定的。一方面对于机翼的平面参数只有在展弦比和环量分布都达到最优的情况下，在机翼表面上维持更多的层流流动区域避免分离就成为较少阻力、提高升力的关键因素。另一方面就要求采用高升力翼型、小的低头力矩和高升阻比的特点，这样的翼型能够尽可能的避免层流分离气泡和推迟转发生。因此，翼型的气动特性对于机翼的气动性能的影响也极为重要。

亚里士多德曾经说过“如果我们想对一个问题找到较好的答案，很可能在大自然中已经有了答案”。仿生学的主要任务是研究生物系统的优异能力或优异性能产生的机理，并把它抽象为数学模型，然后应用这些性能去设计和制造新的技术设备。自古以来人类文明发展的进程一直离不开运用仿生学思维，推动人类进步许多发明和创造都离不开仿生学的思想。

在自然界中，鸟类与昆虫与空气直接接触，且鸟类的翅膀也是由一系列的翼型横向排布而成，与固定翼飞机机翼最为相似。本发明以海鸥为研究对象，将其翅膀翼型应用于飞机上，拟在降低高空固定翼飞机的燃油消耗率，以延长航时。海鸥属于鸥形目，鸥科，其胸肌发达，善于飞翔，只要有一点点的上升气流就可以在海面上长时间的滑翔，是世界上飞行最慢的鸟类。这样有益于在长时间的飞行中节省体能。

发明内容：

本发明涉及一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型，目的是针对在高空情况下固定翼飞机常用翼型阻力较大以及升阻比普遍不高的情况，使其在较低雷诺数和不同的攻角下阻力降低升阻比提高，将仿海鸥翼型应用于高空固定翼飞机上能大大降低燃油消耗量，延长航时。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型，是由弦长、厚度、前缘半径和弯度组成，其特征在于，所述弦长c为1时，最大厚度t的取值为0.0670.0987，所述前缘半径r的取值为0.028～0.063，所述弯度f的取值范围为0.051～0.083，且最大厚度t所在的位置占弦长c的取值范围的9.1％～9.7％，所述最大弯度f所在的位置占弦长c范围的45.5％～48.1％。

本发明的仿海鸥翼型的前缘半径、最大厚度比标准翼型小，这会减小翼型的迎风面积从而降低压差阻力；防止翼型上的气流在流经上表面时出现过早分离，造成升力损失。

本发明具有以下优点：本发明的翼型并不改变本身的形状及表面结构就能获得优良的气动特性；实验时的攻角范围为-3°～15°、雷诺数为600000，测得仿海鸥翼型的阻力系数比标准翼型分别降低了16.4％，升阻比比标准翼型分别提高了13.6％。

西北工业大学的李广宁等人使用S-A湍流模型对二维的RAE2822翼型和三维ONERA M6机翼粘性流场进行了数值模拟，计算结果与国外的实验结果进行了对比表明选用S-A湍流模型数值模拟方法具有良好的精度和良好的适应性。本发明在对海鸥翅翼的流场模拟时选用S-A湍流模型。

附图说明：

图1仿生翼型示意图。

图2是用计算机进行仿真得出的仿海鸥翼型与标准翼型fx63-137在攻角为-3°～15°，马赫数为0.2，雷诺数为600000时的升阻比的对比曲线图。

图3是用计算机进行仿真得出的仿海鸥翼型与标准翼型fx63-137在攻角为-3°～15°，马赫数为0.2，雷诺数为600000时的阻力系数的对比曲线图。

图4是用计算机进行仿真得出的仿海鸥翼型与标准翼型fx63-137在马赫数为0.2，工况高度为20000m，雷诺数为600000时的流线、压力云图的对比曲线图。

图中：r—前缘半径，t—最大厚度，f—弯度，c—弦长，d—弯度线，B—上翼面，C—下翼面

具体实施方式：

参考图1仿海鸥翼型弦长c为1时，最大厚度t的取值为0.067～0.0987，所述前缘半径r的取值为0.028～0.063，所述弯度f的取值范围为0.051～0.083，且最大厚度t所在的位置占弦长c的的取值范围的9.1％～9.7％，所述最大弯度f所在的位置占弦长c范围的45.5％～48.1％。

本发明的仿海鸥翼型的前缘半径、最大厚度比标准翼型小，这会减小翼型的迎风面积从而降低压差阻力；防止翼型上的气流在流经上表面时出现过早分离，造成升力损失。

仿海鸥翼型其上下表面所对应的坐标值满足下表：

表1

图2为仿海鸥翼型与标准翼型升阻比随攻角的变化曲线图，是在风洞实验室经过实际吹风实验得到的。可以看出当雷诺数为600000，攻角为5°时，仿海鸥翼型的最大升阻比为22.2比标准翼型的最大升阻比增加了10.1％。当攻角分别为8°、11°时仿海鸥翼型比标准翼型的升阻比分别提高了25.2％、13.6％。

图3为仿海鸥翼型与标准翼型阻力系数随攻角的变化曲线图，可以看出，在正攻角下，仿海鸥翼型的阻力系数均小于标准翼型，且都随攻角的增加阻力系数而增大。当雷诺数为600000，攻角分别为5°、8°、11°时仿海鸥翼型的阻系数比标准翼型分别降低了15.9％、17.9％、20.8％。

图4为海鸥翼型与标准翼型流线、等压线对比图，可以看出，在相同的工况下，标准翼型在攻角为7°时气流就出现了分离，海鸥翼型分离较晚。

综上可以看出当攻角为-3°～15°，雷诺数为600000时仿海鸥翼型比标准翼型fx63-137更低的阻力和更高的升阻比，应用于高空长航时固定翼飞机上能够降低燃油消耗率，提高飞机飞行性能。

Claims (2)

1.一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型，是由弦长、厚度、前缘半径和弯度组成，其特征在于，所述弦长(c)为1时，最大厚度(t)的取值为0.067～0.0987，所述前缘半径(r)的取值为0.028～0.063，所述弯度(f)的取值范围为0.051～0.083，且最大厚度(t)所在的位置占弦长(c)的取值范围的9.1％～9.7％，所述最大弯度(f)所在的位置占弦长(c)范围的45.5％～48.1％。

2.根据权利要求1所述的一种高空长航时固定翼飞机机翼翼型，其特征在于，所述机翼翼型上下表面所对应的坐标值为：