CN113758671B - 一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器风动试验技术领域，公开了一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，所述模型包括：艇身、尾翼、天平安装组件以及吹吸气流动控制组件；所述尾翼通过螺栓固定连接在艇身的尾部，所述天平安装组件通过螺栓固定连接在艇身中前部，作为艇身与测力天平之间的传力结构，所述吹吸气流动控制组件通过螺栓固定连接在艇身中后部。实现飞艇吹吸气流动控制风洞试验，获得不同吹吸气方案下飞艇的气动特性，分析吹吸气控制参数的影响规律，评估飞艇吹吸气流动控制的减阻效果。
Description
技术领域
本发明属于飞行器风动试验技术领域，尤其涉及一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型。
背景技术
吹吸气流动控制是一种能抑制表面气流流动分离的主动流动控制技术，由飞机机翼绕流控制研究发展而来，并在部分飞机上得到实际应用，是一种有效的增升减阻措施，而且机翼吹吸气风洞试验技术也比较成熟。目前国内在飞艇吹吸气流动控制风洞试验方面还是空白，也未发现与其风洞试验模型设计相关的资料。
现有的飞艇通常采用“旋成体艇身+X形尾翼”的旋成体气动外形，其风洞试验模型大多为表面光滑的刚性壳体结构，艇身分成多段设计制造，尾翼与艇身后段分离，各零部件之间采用螺栓连接，可用于常规测力或测压风洞试验研究，但无法开展基于吹吸气流动控制的飞艇减阻技术风洞试验。
发明内容
针对现有飞艇风动试验模型存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，实现飞艇吹吸气流动控制风洞试验，获得不同吹吸气方案下飞艇的气动特性，分析吹吸气控制参数的影响规律，评估飞艇吹吸气流动控制的减阻效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，所述模型包括：艇身、尾翼、天平安装组件以及吹吸气流动控制组件；
所述尾翼通过螺栓固定连接在艇身的尾部，所述天平安装组件通过螺栓固定连接在艇身中前部，作为艇身与测力天平之间的传力结构，所述吹吸气流动控制组件通过螺栓固定连接在艇身中后部。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)所述艇身由前往后依次包括：艇身前段、艇身中段、艇身通气段、艇身中后段以及艇身尾段；在所述艇身中段和艇身通气段之间设置有环形气腔连接段，所述环形气腔连接段后端的气腔壁上设置有一圈均布式凹槽。
(2)所述吹吸气流动控制组件设置在所述环形气腔连接段与艇身通气段内，包括：气流入口、环形气腔连接段、环形气腔、气流通道、气流出口、高度调整块、出口盖板；
所述气流入口位于所述环形气腔连接段前端，以密封螺纹孔形式与环形气腔相通，通过沿尾撑杆进入模型内部的软管与外部气源相连，且与气流出口成45°夹角；
所述环形气腔由两条相同尺寸的环形凹槽拼接而成，前半条位于环形气腔连接段后端，后半条位于艇身通气段前端，两者以均布式螺栓相连；
所述气流通道为矩形截面的槽道，一部分位于艇身通气段内，另一部分由出口盖板和高度调整块组合而成，连通环形气腔和气流出口。
(3)所述气流出口沿艇身表面周向各布置上、下、左、右四组，每组包含两个气流出口，记为气流前出口和气流后出口；每个气流出口截面弧长固定、高度可变，法线方向与艇身中心轴线平行。
(4)所述高度调整块为与气流出口位置相对应的、相同外形的可拆卸方块，不同厚度的高度调整块与出口盖板配合，用于改变气流出口截面高度，从而改变气流出口的流量或速度。
(5)所述出口盖板与其安装位置处的艇身表面外形配合，是气流通道与气流出口的外约束边界，所述出口盖板包含：开口盖板，用于保持气流出口吹吸气通道；堵块盖板，用于禁止气流出口吹吸气。
(6)所述吹吸气流动控制组件还包括：密封垫圈，所述密封垫圈位于环形气腔和气流通道的连接缝隙之间，保证内部气流流经区域的密封性。
(7)所述吹吸气流动控制组件还包括：静压测量孔，设置在气流后出口位置处。
本发明利用吹吸气流动控制组件模拟了飞艇的吹吸气流动控制，填补了飞艇风洞模型无法进行吹吸气流动控制试验的空白，掌握了飞艇流动控制试验技术，验证了主动流动控制技术对飞艇的减阻效能，丰富了飞艇的减阻设计方法。本发明突破了飞艇气动布局优化减阻手段，从流动控制角度提出飞艇减阻的新途径，同时促进吹吸气流动控制技术自身发展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型的总体装配图；
图2为本发明实施例提供的吹吸气流动控制组件的结构示意图；
其中，A1-艇身前段，A2-艇身中段，A3-艇身通气段，A4-艇身中后段，A5-艇身尾段，B1-尾翼，B2-尾部开口，C1-天平安装架，C2-天平锥套，D-环形气腔连接段；
1-气流入口，2-环形气腔，3-气流通道，4-气流前出口，5-气流后出口，6-静压测量孔，7-后出口高度调整块，8-后出口盖板，9-前出口高度调整块，10-前出口盖板，11-密封垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
本发明是在原有飞艇风洞试验模型基础上，额外设计吹吸气流动控制组件，既体现继承性而节约模型设计、加工及安装成本，又具有创新性来完成特定的试验任务。基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型由4部分组成：艇身、尾翼、天平安装组件、吹吸气流动控制组件，总体装配情况如图1所示。
a)艇身
艇身共分为5段设计制造，即前段、中段、通气段、中后段和尾段。艇身各段均为一定厚度的铝合金壳体结构，外表面光滑洁净，连接处壁厚有所增加，便于钻沉孔以螺栓相连，在保证艇身整体结构强度和气动外形的前提下降低重量。模型采用尾撑方式，在艇身尾部开口供撑杆进入模型内部。
b)尾翼
尾翼由4片完全相同且对称分布的铝合金翼面组成，每片尾翼独立加工，通过螺栓与艇身尾段相连，可以拆卸尾翼进行单独艇身的风洞试验。
c)天平安装组件
天平安装组件由安装架和锥套组成，是模型与测力天平之间的传力结构，由高强度合金材料制造。圆形安装架径向有多个分布式通孔，降低模型总重量。
d)吹吸气流动控制组件
吹吸气流动控制组件是本发明的关键所在，能实现不同艇身位置、不同动量系数等控制参数组合的吹吸气流动控制方案风洞试验。该模块位于环形气腔连接段和艇身通气段内，包括气流入口、环形气腔、气流通道、气流出口、高度调整块、出口盖板、密封垫圈等主要元件，如图2所示。
图2中：吹气时，1为气流入口，4为气流前出口，5为气流后出口；
吸气时，1为气流出口，4为气流前入口，5为气流后入口。
以吹气为例：
气流入口有两个，位于环形气腔连接段前端，以密封螺纹孔形式与环形气腔相通，通过沿尾撑杆进入模型内部的软管与外部气源相连，且与气流出口成45°夹角(沿艇身中心轴线看)，使气流在环形气腔内有一定的缓存空间，避免其进入气腔后立即流出。
环形气腔由两条相同尺寸的环形凹槽拼接而成，前半条位于气腔连接段后端，后半条位于艇身通气段前端，二者以均布式螺栓相连。环形气腔能缓冲并混合气流，维持一个相对稳定的内压，使得气流出口速度或动量系数在试验时间段内变动微弱。
气流通道为矩形截面的槽道，一部分位于艇身通气段内，另一部分由出口盖板和高度调整块组合而成，连通环形气腔和各个气流出口。气流通道的截面尺寸与气流出口相匹配，避免流经面积出现急剧变化。
气流出口是吹吸气流动控制的关键参数，其位置、数量、面积、方向等选择对流动控制效果产生重大影响。根据飞艇的对称性，在两个轴向位置(以前、后区分)沿艇身表面周向各布置上、下、左、右四组出口，每个出口截面弧长固定、高度可变，法线方向与艇身中心轴线平行，能实现不同吹吸气位置、数量及速度的流动控制风洞试验。
高度调整块为一系列与出口位置相对应的、相同外形的可拆卸方块，不同厚度的高度块与出口盖板配合，能改变出口截面高度，达到改变出口流量或速度的目的。
出口盖板符合该位置处的艇身表面外形，是气流通道与出口的外约束边界，其有两种形式：一是开口盖板，保持出口吹吸气通道；二是堵块盖板，禁止出口吹吸气，二者可以互换拆装，能根据试验要求控制各个气流出口是否进行吹吸气流动控制。
密封垫圈位于环形气腔、气流通道的连接缝隙之间，保证模型内部整个气流流经区域的密封性。
此外，在气流后出口位置设有静压测量孔，结合外部气源压力可以近似计算出口速度。环形气腔连接段也进行减重设计，在后端的气腔壁上有一圈均布式凹槽。
本发明已应用于某预研课题上，该课题的吹吸气流动控制组件设有0.7mm、1mm、1.5mm共3个出口高度，对应3套高度调整块，试验中对各个气流出口位置、数量、高度及速度进行组合，对比分析吹吸气控制参数的影响规律，选择出最佳的减阻方案。
本发明利用吹吸气流动控制组件模拟了飞艇的吹吸气流动控制，填补了飞艇风洞模型无法进行吹吸气流动控制试验的空白，掌握了飞艇流动控制试验技术，验证了主动流动控制技术对飞艇的减阻效能，丰富了飞艇的减阻设计方法。
本发明已应用于某飞艇课题上，取得了良好的效果，吹吸气流动控制在小迎角范围内最大减阻约12.6％。本发明还可应用于其它型号、课题的浮空飞行器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述模型包括：艇身、尾翼、天平安装组件以及吹吸气流动控制组件；
所述尾翼通过螺栓固定连接在艇身的尾部，所述天平安装组件通过螺栓固定连接在艇身中前部，作为艇身与测力天平之间的传力结构，所述吹吸气流动控制组件通过螺栓固定连接在艇身中后部；
所述艇身由前往后依次包括：艇身前段、艇身中段、艇身通气段、艇身中后段以及艇身尾段；在所述艇身中段和艇身通气段之间设置有环形气腔连接段，所述环形气腔连接段后端的气腔壁上设置有一圈均布式凹槽；
所述吹吸气流动控制组件设置在所述环形气腔连接段与艇身通气段内，包括：气流入口、环形气腔连接段、环形气腔、气流通道、气流出口、高度调整块、出口盖板；
所述气流入口位于所述环形气腔连接段前端，以密封螺纹孔形式与环形气腔相通，通过沿尾撑杆进入模型内部的软管与外部气源相连，且与气流出口成45°夹角；
所述环形气腔由两条相同尺寸的环形凹槽拼接而成，前半条位于环形气腔连接段后端，后半条位于艇身通气段前端，两者以均布式螺栓相连；
所述气流通道为矩形截面的槽道，一部分位于艇身通气段内，另一部分由出口盖板和高度调整块组合而成，连通环形气腔和气流出口。
2.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述气流出口沿艇身表面周向各布置上、下、左、右四组，每组包含两个气流出口，记为气流前出口和气流后出口；每个气流出口截面弧长固定、高度可变，法线方向与艇身中心轴线平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述高度调整块为与气流出口位置相对应的、相同外形的可拆卸方块，不同厚度的高度调整块与出口盖板配合，用于改变气流出口截面高度，从而改变气流出口的流量或速度。
4.根据权利要求3所述的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述出口盖板与其安装位置处的艇身表面外形配合，是气流通道与气流出口的外约束边界，所述出口盖板包含：开口盖板，用于保持气流出口吹吸气通道；堵块盖板，用于禁止气流出口吹吸气。
5.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述吹吸气流动控制组件还包括：密封垫圈，所述密封垫圈位于环形气腔和气流通道的连接缝隙之间，保证内部气流流经区域的密封性。
6.根据权利要求1所述的一种基于吹吸气流动控制的飞艇风洞试验模型，其特征在于，所述吹吸气流动控制组件还包括：静压测量孔，设置在气流后出口位置处。
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