常規(guī)飛艇與組合式飛艇升阻特性研究

李 琦,薛松海,李大鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230088)

常規(guī)飛艇與組合式飛艇升阻特性研究

李 琦,薛松海,李大鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺部，安徽 合肥 230088)

對常規(guī)飛艇和日益受到重視的組合式飛艇升阻特性進(jìn)行了研究，總結(jié)了飛艇升阻特性的主要影響參數(shù)及一般規(guī)律，為飛艇早期布局形式確定提供了依據(jù)。以某飛翼式飛艇為例，與常規(guī)飛艇的升阻特性進(jìn)行了對比分析，得到了兩種飛艇升阻特性的特點(diǎn)和高升阻比區(qū)域。該分析方法也適用于其它組合式飛艇。

常規(guī)飛艇；組合式飛艇；升阻特性

0 引言

主要依靠空氣浮力克服自身重力的航空器稱為飛艇。飛艇具有技術(shù)相對簡單和低能耗的特點(diǎn)[1]。飛艇按照升力源可分為常規(guī)飛艇和組合式飛艇。組合式飛艇[2]將動力飛行器和靜力飛行器的優(yōu)點(diǎn)組合在一起，以幾何尺寸增加不多的情況下獲得比常規(guī)飛艇更大的運(yùn)載能力。

升阻比是關(guān)系飛艇運(yùn)輸能力的重要屬性[3]，與飛行器的最大飛行速度、航程和運(yùn)載能力直接相關(guān)。由于飛機(jī)的升力和阻力均是由氣動力產(chǎn)生，因此升阻比主要取決于飛機(jī)氣動布局和飛行姿態(tài)角。飛艇的升阻比不但與飛艇相對空氣運(yùn)動受到的空氣動力有關(guān)，還與飛艇浸沒在空氣中受到的靜浮力有關(guān)。本文通過公式推導(dǎo)分析了常規(guī)飛艇與組合式飛艇的升阻特性，并分析了影響升阻比地主要因素。以一種飛翼式飛艇為例，計(jì)算了該飛艇的氣動特性，分析了升阻特性與飛艇體積和飛行速度之間的關(guān)系，最后給出了飛艇設(shè)計(jì)中保持高升阻比的建議。

1 組合式飛艇升阻特性分析

1.1 常規(guī)飛艇升阻特性分析

常規(guī)飛艇升力即是飛艇的平衡重量，等于飛艇總浮力與囊體內(nèi)的氣體重量之差，是表征飛艇全部攜帶能力的物理量；阻力由飛艇受到的空氣動力產(chǎn)生。常規(guī)飛艇升力和阻力的表達(dá)式如下：

FL0=V0·pH0·(ρA-ρH)g

(1)

(2)

(3)

由此(3)式可知，常規(guī)飛艇升阻比隨著體積增大而增大，隨著飛行速度增加而減小。這一特點(diǎn)與飛機(jī)不同，外形相同的飛機(jī)，體積和飛行速度與升阻比沒有直接關(guān)系。

1.2 組合式飛艇升阻特性分析

組合式飛艇能夠提供的升力除了由浮力產(chǎn)生的平衡重量之外還有氣動升力；阻力完全由飛艇受到的空氣動力產(chǎn)生。組合式飛艇升力和阻力表達(dá)式為：

(4)

(5)

其中，V1為飛艇囊體體積，pH1設(shè)計(jì)工作高度主氣囊內(nèi)浮升氣體與囊體的體積比例，ρA和ρH分別為空氣和氦氣的密度，v為飛艇空速，CD1為飛艇阻力系數(shù)，CL1為飛艇升力系數(shù)。因此，組合式飛艇的升阻比：

(6)

式中，K1=CL1/CD1，為飛艇的氣動升阻比。由兩種飛艇升阻比公式(3)和(6)可以看出，組合式飛艇的升阻比由常規(guī)飛艇升阻比和飛艇空氣動力升阻比兩項(xiàng)組成。

1.3 兩種飛艇升阻特性比較

不論是常規(guī)飛艇還是組合式飛艇，都追求增升減阻達(dá)到節(jié)能和長航時的目的。換句話說，飛艇在提供相同的升力情況下受到的阻力更小，或者是在相同阻力情況下能夠提供更高的升力為優(yōu)。由于阻力的表達(dá)式相對比較簡單，因此下文比較在相同阻力情況下兩種飛艇可提供的更大的升力。

相同工作環(huán)境下，空氣密度、飛行速度相同的情況下，由兩者阻力相同(FD0=FD1)可得：

(7)

(8)

式中，K1=CL1/CD1為組合式飛艇氣動升阻比。當(dāng)k>1時，組合式飛艇能夠提供更大升力；當(dāng)k=1時，二者能夠提供相同的升力；當(dāng)k<1時，常規(guī)飛艇能夠提供更大的升力。k越大，組合式飛艇優(yōu)勢越大；反之，常規(guī)飛艇優(yōu)勢越大。

由上式可知：

(1)k與飛艇的氣動力系數(shù)、飛行速度和體積有關(guān)；

(2)飛行空速越大，組合式飛艇比常規(guī)飛艇有更好的升阻比；

(3)飛艇體積越大，常規(guī)飛艇比組合式飛艇有更好的升阻比。

2 案例分析

下面以一個飛翼式飛艇為例對組合式飛艇與常規(guī)飛艇效率進(jìn)行對比分析。飛艇主體為軟式充氣結(jié)構(gòu)，具備常規(guī)飛艇重量分布均勻性好、易于折疊和運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，幾何外形如圖1所示。此外，相對于常規(guī)飛艇，該飛艇具有上下表面比較平坦，易于布置太陽能電池或者雷達(dá)陣列天線。

圖1 組合型飛艇幾何外形

使用ICEMCFD劃分多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，求解器采用基于有限體積法求解N-S方程的CFD軟件Fluent[4]。壓力速度耦合采用基于壓力的SIMPLE算法；湍流模型采用適用于具有大分離和逆壓梯度的SSTk-omega[5]湍流模型。計(jì)算得到飛艇基本縱向氣動力如表1和圖2所示。

表1 飛翼式飛艇氣動力系數(shù)

圖2 飛翼式飛艇縱向氣動特性曲線

在本案例中，常規(guī)飛艇的阻力系數(shù)CD0取0.03，主氣囊體積比pH0取0.9，重力加速度g取9.8。迎角是飛翼式飛艇產(chǎn)生最大升阻比的迎角，為16°。此時，由式(7)可知組合式飛艇體積只有常規(guī)飛艇的3.1%。

圖3是組合式飛艇與常規(guī)飛艇升力比值k隨飛艇體積和空速變化關(guān)系圖。由圖中可以看出：

(1)隨著空速增加，比值k增大，組合式飛艇升阻特性更好。飛行速度25m/s以下組合式飛艇效率不如常規(guī)式飛艇；

(2)隨著飛艇體積增大，比值k減小，組合式飛艇升阻特性優(yōu)勢減小，甚至不如常規(guī)飛艇。

圖3 兩種飛艇升力比與體積、速度關(guān)系

圖4 兩種飛艇效率優(yōu)勢區(qū)域圖

圖4是兩種飛艇升阻比優(yōu)勢區(qū)域圖。圖中曲線為臨界曲線。在臨界曲線下方，常規(guī)飛艇能夠提供更大的升阻比；在臨界曲線上方組合式飛艇能夠提供更大的升阻比；在臨界曲線上兩種飛艇在升阻比相同。

在飛艇設(shè)計(jì)時，除了要考慮飛艇能夠提供的升力外，還應(yīng)綜合考慮兩種飛艇結(jié)構(gòu)重量的區(qū)別以及兩種飛艇布局各自的綜合優(yōu)勢(例如飛翼式飛艇具有更小的體積、容易布太陽能電池板，但是比常規(guī)飛艇更難維持外形)。在離臨界曲線較遠(yuǎn)的區(qū)域一般要采用升阻特性優(yōu)勢明顯的飛艇布局形式。

3 結(jié)語

本文討論了組合式飛艇與常規(guī)飛艇升阻特性的區(qū)別，得到了影響兩種飛艇升阻特性的參數(shù)。以飛翼式飛艇為例，探討了兩種飛艇保持高升阻比的條件，為飛艇早期設(shè)計(jì)確定方案提供了參考依據(jù)。該分析方法也適用于其它形式的組合式飛艇。如果進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，則需要考慮飛艇的結(jié)構(gòu)重量、能源方式、操作性等多種因素。

[1] 甘曉華，郭穎.飛艇技術(shù)概論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005:1-2.

[2] 曲東才，何寶民.飛艇的研制現(xiàn)狀、技術(shù)水平及其發(fā)展前景[J].飛航導(dǎo)彈，2000 (11)：23-27.

[3] 艾俊強(qiáng).典型高升阻比飛機(jī)氣動布局及其發(fā)展[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013 (4)：1-5.

[4] 張丹，郭雪巖.平流層雙軸橢球體飛艇繞流場的數(shù)值分析[J].力學(xué)季刊，2008，29(4)：556-564．

[5] 張麗芬，劉振俠，呂亞國.S彎擴(kuò)壓器中四種湍流模型的比較[J].航空動力學(xué)報(bào)，2008，23(10)：1888-1891.

[責(zé)任編輯、校對：張朋毅]

Research on Lift-Drag Characteristics of ConventionalAirship and Hybrid Airship

LIQi,XUESong-hai,LIDa-peng

(Aero plat form Department No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

The lift-drag characteristics of the conventional airship and hybrid airship that are taken increasingly seriously are studied in this paper, the main influencing parameter and the general laws of lift-drag characteristics are summarized, and basis for confirmation of the layout form is provided for the airship design during the early stage.With a flying wing type airship as an example, it is compared with the lift-drag characteristics of conventional airship to obtain the lift-drag characteristics and high lift-drag ratio region.The analysis method is also applicable to other hybrid airships.

conventional airship; hybrid airship; lift-drag characteristics

2015-02-10

李琦(1982-)，男，江蘇豐縣人，工程師，從事浮空器氣動與總體設(shè)計(jì)工作。

V

A

1008-9233(2015)03-0024-03