CN107187579A - 一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法 - Google Patents

一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，这种方法是利用被动流动控制技术，通过在多翼面飞机特定部位施加格尼襟翼实现的。格尼襟翼安装在飞机的襟翼、副翼和鸭翼压力面靠近后缘位置，与机翼压力面夹角为0°‑180°。格尼襟翼能够降低机翼压力面流速并且提高吸力面流速，从而提高压力面压力和吸力面吸力及两个翼面的压力差，进而提高机翼升力。鸭翼安装格尼襟翼会使得飞机抬头力矩增加，襟翼和副翼上单独或者组合安装格尼襟翼会使得飞机低头力矩增加，通过调节格尼襟翼参数，上述两个力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飞机升力的同时维持力矩不变，达到提高飞机气动性能并改善其操纵性能的目的。

Description

一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，具体是通过在多翼面飞机特定部位施加扰流片(本发明称之为格尼襟翼)，改变飞机的气动力及气动力矩，达到提高飞机气动性能并改善其操纵性能的效果，属于流动被动控制技术领域。
背景技术
众所周知，飞机的增升装置一直是飞机设计者非常重视的问题，因为增升装置的气动性能直接关系到飞机的起飞和降落性能。飞机主要的增升装置是襟翼，但是襟翼的结构比较复杂，流动特性也极为复杂，想要通过研究设计一种高性能的襟翼来增加飞机的升力，将会非常困难。如果能够通过在飞机机翼上安装一种结构简单的装置，改变飞机机翼上气流的流动特性，从而改善飞机的气动性能，将会为飞机的设计工作带来极大的便利。
近年来随着流动控制技术的发展，研究者对流动控制在飞机增升减阻方面的应用进行了大量相关的研究。像零质量射流和等离子体等主动流动控制技术能有效地提升气动性能，但是主动控制技术比较复杂，现在只是在实验室研究方面取得较好的结果，目前还很难应用到飞机的增升减阻。因此，有必要发明一种装置简单的被动流动控制技术，来实现对飞机的气动力和力矩控制，从而达到对飞机增升减阻的效果。
发明内容
本发明基于被动流动控制技术，提出一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法。通过在多翼面飞机特定部位施加扰流片(本发明称之为格尼襟翼)，可以降低机翼压力面速度并且提高吸力面速度，从而提高压力面压力和吸力面吸力及两个翼面的压力差，进而可以提高机翼，包括襟翼、副翼和鸭翼的升力，因此可以提高飞机的气动性能。
鸭翼安装格尼襟翼会使得飞机抬头力矩增加，襟翼和副翼上单独或者组合安装格尼襟翼会使得飞机低头力矩增加，通过调节格尼襟翼参数，上述两个力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飞机升力的同时维持力矩不变，达到提高飞机气动性能并改善其操纵性能的目的。这种控制方法结构简单，容易安装，但增升效果明显。
本发明提出的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，是通过在飞机襟翼、副翼、鸭翼的压力面靠近后缘的位置安装格尼襟翼来实现的。格尼襟翼的材料可以采用铝或钢等刚性材料，形状可以是矩形、锯齿型、三角形或矩形中间开孔等。
格尼襟翼的安装方式有：襟翼、副翼或鸭翼上单独安装；襟翼和副翼上组合安装；襟翼与鸭翼上组合安装；副翼与鸭翼上组合安装；襟翼、副翼和鸭翼上组合安装。当格尼襟翼在襟翼、副翼或鸭翼上单独安装时，飞机的升力都会增加，但是当格尼襟翼在襟翼和副翼上单独或者组合安装时会使飞机的低头力矩增加，当格尼襟翼在鸭翼上单独安装时，会使飞机的抬头力矩增加。因此当只考虑升力增加时，襟翼、副翼和鸭翼均可以安装格尼襟翼；当考虑消除升力增加带来的力矩增量时，鸭翼必须安装格尼襟翼，襟翼和副翼选择其一安装或者全部安装格尼襟翼。
本发明的适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其优点和积极效果在于：
1、本发明的控制方法，是通过在飞机襟翼、副翼、鸭翼的压力面靠近后缘的位置选择性的安装格尼襟翼来实现的，可以在不改变机翼形状的情况下，增加机翼的弯度，从而增加翼型、机翼、飞机等的升力。
2、本发明中的格尼襟翼，质量轻、装置简单、易于安装，增升效果明显。
3、本发明的控制方法，采用的是在襟翼与鸭翼、副翼与鸭翼或者襟、副翼与鸭翼上组合安装格尼襟翼的方法。这样在产生增升效果的同时又不增加飞机的低头力矩，这对飞机的起飞、降落性能十分有利。
附图说明
图1是一种多翼面飞机模型平面示意图；
图2A是矩形格尼襟翼示意图；
图2B是三角形格尼襟翼示意图；
图2C是锯齿形格尼襟翼示意图；
图2D是中间开孔格尼襟翼示意图；
图3A矩形格尼襟翼的安装示意图；
图3B三角形格尼襟翼的安装示意图；
图4A是安装有格尼襟翼的机翼示意图；
图4B是安装有格尼襟翼的机翼的尾部局部放大图；
图5A是鸭翼与操纵面组合加装格尼襟翼ΔCL图，其中实心圆是鸭翼与襟翼组合安装格尼襟翼，空心圆是鸭翼与副翼组合安装格尼襟翼。
图5B是鸭翼与操纵面组合加装格尼襟翼ΔCm图，其中实心圆是鸭翼与襟翼组合安装格尼襟翼，空心圆是鸭翼与副翼组合安装格尼襟翼。
图中具体标号如下：
1、格尼襟翼；2、机翼或襟翼或鸭翼；N1、鸭翼；N2、副翼；N3、襟翼；h、格尼襟翼的高度，是指格尼襟翼在垂直于机翼方向的高度；Φ、格尼襟翼的安装角度；d、安装位置，是指格尼襟翼与机翼或襟翼或鸭翼后缘的距离；L、格尼襟翼的长度，是指格尼襟翼在机翼或襟翼或鸭翼展向方向上的长度。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，是通过在多翼面飞机特定部位施加扰流片(本发明称之为格尼襟翼)实现的。这种方法适用于如图1所示的具备鸭翼N1、副翼N2、襟翼N3的多翼面飞机布局。
图2A～2D显示了几种不同形状的格尼襟翼，图2A是矩形形状的格尼襟翼，图2B是直角三角形形状的格尼襟翼，图2C是矩形形状单侧长边上具有锯齿形形状的格尼襟翼，图2D是在矩形形状中间开孔的格尼襟翼。当采用的矩形形状的格尼襟翼和锯齿形形状的格尼襟翼的迎风面积相同时，两者对于飞机的整体贡献也基本相同，锯齿形形状的格尼襟翼相当于改变了格尼襟翼的高度。采用直角三角形形状的格尼襟翼，是考虑到飞机机翼不同展向位置处的弦长不同，因此每个展向位置的最佳格尼襟翼高度应该不同，且直角三角形格尼襟翼安装时高度较高的位置应该与机翼弦长较长的位置对应，即格尼襟翼的直角边应靠近飞机的翼根位置。图3A与图3B给出了矩形和三角形格尼襟翼的安装方式。
如图4A、4B所示，格尼襟翼应安装在飞机襟翼、副翼、鸭翼的压力面靠近后缘的位置，并且靠近后缘的距离d越小，增升效果越好，因此当格尼襟翼紧贴翼面后缘安装时，d＝0，增升效果最好。格尼襟翼的安装角度(即格尼襟翼与翼面压力面夹角)Φ为0°～180°，当格尼襟翼的安装角度Φ为90°时增升效果最好。因为采用在机翼后缘垂直安装格尼襟翼的安装方式，格尼襟翼可以最大程度地增大吸力面的流速并且增加吸力，减小压力面的流速并且增加压力，从而增加压力面和吸力面的压强差，进而增加升力。
本发明中格尼襟翼高度h为机翼特征弦长的1％量级，亦即格尼襟翼高度h为0.5％～5％倍机翼特征弦长，其中增升效果随着格尼襟翼高度增加而增加；格尼襟翼长度L小于等于操纵面后缘的长度；格尼襟翼厚度1mm左右。
本发明中格尼襟翼的安装可以有不同的组合形式，结合图1，列举一下格尼襟翼的安装组合：(1)N1、N2、N3单独安装；(2)N2+N3组合安装；(3)N1+N2组合安装；(4)N1+N3组合安装；(5)N1+N2+N3组合安装。对五种安装方式分别进行风洞试验，结果表明，N2、N3单独安装或者N2+N3组合安装格尼襟翼时，可以增加升力，但同时会使飞机的低头力矩增加。N1单独安装格尼襟翼时，可以增加升力，但会使飞机的抬头力矩增加。通过适当调节格尼襟翼的高度h、离后缘的距离d、安装角度Φ等参数，上述低头力矩和抬头力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飞机升力的同时维持力矩不变，达到提高飞机气动性能并改善其操纵性能的目的。因此通过N1+N2、N1+N3、N1+N2+N3的组合方式，亦即鸭翼和副翼、鸭翼和襟翼、鸭翼和襟翼以及副翼的组合方式，配合格尼襟翼参数的调节，上述低头力矩和抬头力矩可以接近抵消，亦即可以在提高飞机升力的同时维持力矩不变，达到提高飞机气动性能并改善其操纵性能的目的。
图5A、图5B显示了基于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法的效果，图5A所示的是在副翼与鸭翼以及襟翼与鸭翼上分别组合安装格尼襟翼时，升力系数CL的变化ΔCL。图5B所示的是在副翼与鸭翼以及襟翼与鸭翼上分别组合安装格尼襟翼时，俯仰力矩系数Cm的变化ΔCm。可以明显地得出，襟翼与鸭翼或副翼与鸭翼上分别组合安装格尼襟翼时，升力系数有了明显的提升，但是力矩系数的变化基本为零，这说明格尼襟翼有效地提升了飞机的气动性能和操纵性能，这将十分有利于飞机的起飞和降落。

Claims (7)

1.一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：在多翼面飞机的机翼上施加扰流片，称之为格尼襟翼；所述的机翼包括襟翼、副翼和鸭翼。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：格尼襟翼的材料采用铝或钢，形状是矩形、锯齿型、直角三角形或矩形中间开孔。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：格尼襟翼的安装方式有：襟翼、副翼或鸭翼上单独安装；襟翼和副翼上组合安装；襟翼与鸭翼上组合安装；副翼与鸭翼上组合安装；襟翼、副翼和鸭翼上组合安装。
4.根据权利要求1或3所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：当只考虑升力增加时，襟翼、副翼和鸭翼单独或同时安装格尼襟翼；当考虑消除升力增加带来的力矩增量时，鸭翼必须安装格尼襟翼，襟翼和副翼选择其一安装或者全部安装格尼襟翼。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：所述的格尼襟翼安装在飞机襟翼、副翼、鸭翼的压力面后缘或靠近后缘的位置，格尼襟翼的安装角度Φ为0°～180°。
6.根据权利要求5所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：所述的格尼襟翼的安装角度Φ为90°。
7.根据权利要求1所述的一种适用于多翼面飞机布局的气动力和力矩控制方法，其特征在于：所述的格尼襟翼高度h为0.5％～5％倍机翼特征弦长，格尼襟翼长度L小于等于操纵面后缘的长度。
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