CN109263855A - 一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，属于飞行器气动布局设计技术领域。包括机身、斜支撑翼、支撑杆、平直主机翼、正支撑翼、发动机、螺旋桨、V形尾翼以及尾撑杆，将平直主机翼与机身分离，平直主机翼采用的展弦比大于25，两个斜支撑翼位于平直主机翼的后下方，当机身处于水平位置时，平直主机翼与斜支撑翼在垂直方向的垂直距离为平直主机翼弦长的10％～40％，平直主机翼后缘与斜支撑翼前缘的重叠长度为平直主机翼弦长的0～10％。利用本发明所提供的气动布局，可以增大平直主机翼的展弦比，同时解决超大展弦比飞行器结构刚度不足的问题，提高了飞行器的有效载荷和结构效率，有效提高升阻比，提高飞行器结构可靠性。

Description

一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局

技术领域

本发明属于飞行器气动布局设计技术领域，具体涉及一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局。

背景技术

追求高升阻比一直是航空飞行器设计的主要目标之一。对于亚声速常规布局的固定翼飞行器而言，在设计时为了获得更高的升阻比，通常会采用增加机翼展弦比的办法。大展弦比机翼的优点在于：当飞行器飞行速度较低时，对于具有相同升力面面积的机翼，采用更大的展弦比有利于减小机翼的诱导阻力，以此获得更高的升阻比。

然而，由于大展弦比机翼的展长相比于机翼厚度和弦长要大得多，因而可能会存在展向结构刚度不足的问题。在飞行过程中，机翼会在气动力的作用下发生弹性变形，这种弹性变形反过来又使气动力随之改变，形成结构变形与气动力交互作用的气动弹性现象。气动弹性会对飞行器的操纵性和稳定性产生显著影响，严重时会使结构破坏或造成飞行事故。

支撑翼布局是一种在主机翼中间段用支撑翼连接到机身某处的机翼布局。支撑翼的连接使得主机翼由悬臂梁形式变为外伸梁形式，有效增强了机翼的结构刚度，改善了机翼的气动弹性特点，提高了结构效率。支撑翼布局允许机翼在不增大重量和厚度的前提下进一步增大展长，提高展弦比，同时合理的结构布置方式可使主机翼厚度相对传统机翼更小，有效控制了机翼结构重量的增加，减小阻力，节省耗油率。

常规的亚声速支撑翼飞机布局，主翼通常采用上单翼，置于机身顶部，支撑翼的翼尖部分与主翼中间段相连，支撑翼的翼根部分与机身两侧相连，构成具有一定上反角。当主翼采用超大展弦比时，由于机身高度的限制，添加的支撑翼与主机翼之间的夹角较小。由结构力学理论知识可知，当夹角较小时，支撑翼对主翼在垂直方向上的支撑力较小，超大展弦比主翼的抗弯矩能力较弱，展向结构刚度不足，在飞行过程中容易发生气动弹性现象，甚至造成主翼折断。同时支撑翼也会产生气动升力和阻力，因此与主机翼距离较近时，它对气流的干扰作用也会对主机翼的升阻特性造成不利影响。

因此，探索一种合理的支撑翼布局对提高超大展弦比飞行器气动效率和结构效率十分重要。

发明内容

本发明从气动设计角度出发，提出了一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，将平直主机翼与机身分离，增大平直主机翼的展弦比，将斜支撑翼布置在平直主机翼的后下方，降低斜支撑翼与平直主机翼之间所产生的不利干扰，增加平直主机翼的结构刚度和飞行器的气动效率。

本发明所提供的采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，包括机身、斜支撑翼、支撑杆、平直主机翼、正支撑翼、发动机、螺旋桨、V形尾翼以及尾撑杆。所述平直主机翼采用的展弦比大于25。所述发动机位于平直主机翼沿展长方向的二等分点处并固定在平直主机翼下方，螺旋桨与发动机连接并沿机身方向位于平直主机翼正后方；发动机正下方具有一个与发动机平行布置的机身，发动机与机身之间通过正支撑翼连接，发动机布置于机身的上方，避免发动机喷射尾流对V形尾翼产生气动干扰。机身左右两侧各具有一段斜支撑翼，斜支撑翼具有上反角和前掠角。斜支撑翼的上反角为10°～25°，斜支撑翼的前掠角为5°～10°。位于机身左侧的斜支撑翼的翼根通过流线型翼根连接段与机身左侧连接，斜支撑翼的翼梢通过支撑杆连接在平直主机翼后缘的A点处，支撑杆的长度为平直主机翼展长的1％～5％，支撑杆的弦长为所连接位置处的平直主机翼弦长的10％～30％。A点到平直主机翼左侧翼稍的距离为平直主机翼展长的20～30％。机身右侧的斜支撑翼的布局与机身左侧斜支撑翼的布局完全相同，与左侧对称布局。两个斜支撑翼位于平直主机翼的后下方，当机身处于水平位置时，在平直主机翼的沿展向剖面内，平直主机翼前缘与斜支撑翼前缘在垂直方向的垂直距离为平直主机翼弦长的10％～40％，平直主机翼后缘与斜支撑翼前缘的重叠长度为平直主机翼弦长的0～10％。V形尾翼通过尾撑杆安装在机身后部，V形尾翼的上反角为45°，斜支撑翼、正支撑翼、支撑杆和平直主机翼的剖面均为翼型。

本发明的优点在于：

1、在结构性能方面，本发明提供的超大展弦比后缘支撑翼飞行器气动布局，解决了超大展弦比飞行器平直主机翼的结构刚度不足的问题，显著降低了平直主机翼的结构重量，提高了平直主机翼的有效载荷和结构效率；同时提高了飞行器的整体结构刚度；

2、在气动性能方面，本发明提供的后缘支撑翼飞行器气动布局保证主机翼结构刚度的情况下，显著增大了平直主机翼的展弦比，可以减小平直主机翼厚度，降低诱导阻力，有效提高升阻比，使飞行器能够兼顾气动效率和结构效率；

3、在布局设计方面，本发明提供的后缘支撑翼飞行器气动布局大大减小了机身与平直主机翼的耦合作用，提高飞行器结构可靠性、增大机身有效容积的同时，有利于生产制造与故障纠控。

附图说明

图1为本发明飞行器气动布局整体正视图；

图2为本发明飞行器气动布局整体俯视图；

图3为本发明飞行器气动布局整体侧视图；

图4为本发明主机翼与斜支撑翼位置关系示意图；

图5为本发明后缘支撑翼飞行器气动布局与单翼飞行器气动布局的升阻比对比图。

图中：

1、机身； 2、斜支撑翼； 3、支撑杆；

4、平直主机翼； 5、正支撑翼； 6、发动机；

7、螺旋桨； 8、V形尾翼； 9、尾撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明从气动设计角度出发，提出了一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，如图1所示，将平直主机翼4与机身1分离，增大平直主机翼4的展弦比，将斜支撑翼2布置在平直主机翼4的后下方，降低斜支撑翼2与平直主机翼4之间所产生的不利干扰，增加平直主机翼4的结构刚度和飞行器的气动效率。

本发明所提供的采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，结合图1、图2和图3所示，包括机身1、斜支撑翼2、支撑杆3、平直主机翼4、正支撑翼5、发动机6、螺旋桨7、V形尾翼8以及尾撑杆9。所述平直主机翼4采用的展弦比大于25，发动机6位于平直主机翼4沿展长方向的二等分点处并固定在平直主机翼4下方，螺旋桨7与发动机6连接并沿机身1方向位于平直主机翼4的正后方，采用竖直螺旋桨。发动机6正下方具有一个与发动机6平行布置的机身1，发动机6与机身1之间通过正支撑翼5连接，发动机6布置于机身的上方，避免发动机6喷射尾流对V形尾翼8产生气动干扰。机身1左右两侧各具有一段斜支撑翼2，斜支撑翼2具有上反角和前掠角，两个斜支撑翼2相对于机身1左右对称设置。位于机身1左侧的斜支撑翼2的翼根通过流线型翼根连接段与机身1左侧连接，翼梢通过支撑杆3连接在平直主机翼4后缘的A点处。支撑杆3的长度为平直主机翼4展长的1％～5％，支撑杆3采用翼型结构，弦长为所连接位置处的平直主机翼4弦长的10％～30％。A点到平直主机翼4左侧翼稍的距离为主机翼4展长的20～30％。优选的，A点到平直主机翼4左侧翼稍的距离为平直主机翼4展长的25％。机身1右侧的斜支撑翼2的布局与机身1左侧的斜支撑翼2的布局完全相同。两个斜支撑翼2位于平直主机翼4的后下方，其中，当机身1处于水平位置时，在平直主机翼4的展向剖面内，平直主机翼4前缘与斜支撑翼2前缘的垂直距离为平直主机翼4弦长的10％～40％；平直主机翼4后缘与斜支撑翼2前缘的重叠长度为平直主机翼4弦长的0～10％。V形尾翼8通过尾撑杆9安装在机身1后部，V形尾翼8的上反角为45°，斜支撑翼2、正支撑翼5、支撑杆3和平直主机翼4的剖面均为翼型，具体的翼型根据飞行器设计使用需求单独确定或设计。

为保证平直主机翼4的结构刚度，斜支撑翼2的长度和斜支撑翼2的上反角θ都应该足够大以满足实际使用中平直主机翼4的结构刚度要求。斜支撑翼2的上反角θ为10°～25°，斜支撑翼2的前掠角为5°～10°。

对于常规支撑翼布局的飞行器而言，由于受到机身高度的限制，当增大斜支撑翼2的上反角时，斜支撑翼2的长度便减小，反之若增大斜支撑翼2的长度，则斜支撑翼2的上反角将随之减小，因此难以保证超大展弦比平直主机翼的结构刚度。本发明提供的飞行器气动布局通过将机身1与平直主机翼4分离开，显著增大了平直主机翼4与斜支撑翼2之间的垂直距离，从而允许斜支撑翼2能够在平直主机翼4的展弦比大于25的情况下仍具有10°～25°的较大上反角θ，不仅有效增大了平直主机翼4的展弦比，增强平直主机翼4的结构刚度，还大大减弱了斜支撑翼2对平直主机翼4的气流干扰影响。

本发明飞行器气动布局中，平直主机翼4与机身1不直接相连，使得平直主机翼4与机身1的耦合作用减弱，有利于设计与生产制造，在提升机身1有效容积的同时，能够提高飞行器结构的可靠性。系统管线布置相对集中，故障纠控容易，常规机务维护较方便。

平直主机翼4与斜支撑翼2的具体相对位置与其整体气动性能密切相关，需要根据气动设计的要求进行确定。在真实飞行环境中，三维的平直主机翼4和斜支撑翼2在机翼翼梢处均存在翼尖涡效应，翼尖涡产生的压强梯度使得气流在机翼展长方向产生了流动，但是由于平直主机翼4的展弦比大于25，超大的展弦比使得翼尖涡对机翼的影响区域相对整个机翼面积而言很小，因此在机翼展长方向的流动强度相对于流向方向(机身方向)的流动强度要小很多，因此机翼展长方向的流动强度相对于流向方向(机身方向)的流动强度可以忽略，平直主机翼4与斜支撑翼2相对位置按照二维情形进行分析后确定，控制参数为平直主机翼4前缘与斜支撑翼2前缘在水平方向的水平距离和垂直方向的垂直距离。

如图4所示，在主机翼4的展向剖面内，斜支撑翼2前缘与主机翼4前缘垂直方向的垂直距离为g，斜支撑翼2前缘与平直主机翼4前缘水平方向的水平距离为s，g与s的衡量单位为平直主机翼4弦长的倍数，如“g＝1.0”代表斜支撑翼2前缘与平直主机翼4前缘垂直方向的垂直距离为平直主机翼4弦长的1.0倍；s为正代表斜支撑翼2位于平直主机翼4的后方，s为负代表斜支撑翼2位于平直主机翼4的前方，如“s＝1.0”代表斜支撑翼2位于平直主机翼4后方且斜支撑翼2前缘与平直主机翼4前缘水平方向的水平距离为平直主机翼4弦长的1.0倍。

实施例：平直主机翼4以及斜支撑翼2的翼型均采用Clark-Y翼型。其中，平直主机翼4弦长为2m，斜支撑翼2的弦长为平直主机翼4弦长的0.5倍；斜支撑翼2前缘与平直主机翼4前缘水平方向的水平距离(s)为0.9，斜支撑翼2前缘与平直主机翼4前缘垂直方向的垂直距离(g)为0.1，图5为本发明后缘支撑翼飞行器气动布局对比于无支撑翼的单翼飞行器气动布局中，升阻比随迎角变化的二维分析曲线。由图5可以看出，相比于无支撑翼的单翼飞行器气动布局，本发明所提供的后缘支撑翼飞行器气动布局中，当斜支撑翼2与平直主机翼4之间的位置关系处于上述布局时，斜支撑翼2能够与平直主机翼4之间产生有利的气动干扰，使本发明所提供的后缘支撑翼飞行器气动布局在迎角小于6°时的升阻比提高，同时使最大升阻比接近于无支撑翼的单翼飞行器气动布局，这说明采用本发明提供的后缘支撑翼飞行器气动布局在上述设计时能够获得比单翼飞行器气动布局更优的气动效率。

综上所述，本发明气动布局使用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局解决了超大展弦比飞行器平直主机翼4的结构刚度不足的问题，显著降低了平直主机翼4的结构重量，提高了平直主机翼4的有效载荷和结构效率；同时提高了飞行器的整体结构刚度；显著增大了平直主机翼4的展弦比，降低了诱导阻力，有效提高了升阻比，使飞行器能够兼顾气动效率和结构效率。

由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其理论实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述的所有实施方案都只是举例说明，并不是仅有的。本发明中各组件的尺寸、截面形状以及相对位置根据设计需求确定，并适用于任何尺寸的飞行器的气动布局设计，所有在本发明范围内或等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，包括机身、平直主机翼、发动机、螺旋桨、V形尾翼以及尾撑杆；其特征在于，还包括斜支撑翼、支撑杆和正支撑翼；所述发动机位于平直主机翼沿展长方向的二等分点处并固定在平直主机翼下方；发动机正下方具有一个与发动机平行布置的机身，发动机与机身之间通过正支撑翼连接，机身左右两侧各具有一段斜支撑翼，斜支撑翼具有上反角和前掠角，两个斜支撑翼位于平直主机翼的后下方；位于机身左侧的斜支撑翼的翼根通过流线型翼根连接段与机身左侧连接，斜支撑翼的翼梢通过支撑杆连接在平直主机翼后缘的A点处，机身右侧的斜支撑翼的布局与机身左侧斜支撑翼的布局完全相同，与左侧对称布局。

2.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，斜支撑翼的上反角为10°～25°，斜支撑翼的前掠角为5°～10°。

3.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，支撑杆的长度为平直主机翼展长的1％～5％，支撑杆的弦长为所连接位置处的平直主机翼弦长的10％～30％。

4.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，A点到平直主机翼左侧翼稍的距离为平直主机翼展长的20～30％。

5.如权利要求4所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，A点到平直主机翼左侧翼稍的距离为平直主机翼展长的25％。

6.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，机身处于水平位置时，在平直主机翼的沿展向剖面内，平直主机翼前缘与斜支撑翼前缘在垂直方向的垂直距离为平直主机翼弦长的10％～40％，平直主机翼后缘与斜支撑翼前缘的重叠长度为平直主机翼弦长的0～10％。

7.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，斜支撑翼、正支撑翼、支撑杆和平直主机翼的剖面均为翼型。

8.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，V形尾翼的上反角为45°。

9.如权利要求1所述的一种采用后缘支撑翼的超大展弦比飞行器气动布局，其特征在于，所述平直主机翼的展弦比大于25。