無人戰(zhàn)斗機縮比訓(xùn)練機氣動特性計算分析

王允良，劉湘一，劉書巖，郁大照

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

無人戰(zhàn)斗機縮比訓(xùn)練機氣動特性計算分析

王允良，劉湘一，劉書巖，郁大照

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

針對無人戰(zhàn)斗機系統(tǒng)維護和飛行訓(xùn)練耗費巨大的問題，借鑒縮比模型驗證機飛行試驗的思路，研制具有相同飛行性能和操縱特性的縮比訓(xùn)練機。應(yīng)用相似性原理，通過相似參數(shù)分析獲得了縮比機與全尺寸原型機的飛行范圍。在縮比機幾何外形的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Gridgen軟件創(chuàng)建機體周圍流場的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。通過Fluent軟件，計算了縮比機縱向氣動特性。根據(jù)俯仰力矩系數(shù)估算出全機氣動中心位置，為縮比機的操縱性穩(wěn)定性研究和控制率設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

無人戰(zhàn)斗機；縮比機；相似理論；氣動特性計算

隨著航空工程技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力持續(xù)提高，無人戰(zhàn)斗機（UCAV）將成為未來?？諔?zhàn)的主力，擔負起壓制敵防空系統(tǒng)、對面攻擊、空中格斗等任務(wù)。無人機戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)簡單、配置多樣、機動性強，在氣動布局的選擇方面具有較大靈活性[1-2]。無人機系統(tǒng)造價昂貴，維修維護費用較高。為了高效地完成日常使用維護訓(xùn)練、模擬飛行、原理教學(xué)以及操作人員培訓(xùn)等任務(wù)，針對現(xiàn)有無人機系統(tǒng)研制具有相同飛行性能和操縱特點的縮比訓(xùn)練機，在大幅節(jié)省無人機系統(tǒng)維護保障經(jīng)費同時，亦可達到培訓(xùn)和訓(xùn)練目的，提高無人機裝備的保障能力和作戰(zhàn)使用能力。

縮比模型驗證機飛行試驗是在飛行器設(shè)計階段驗證氣動數(shù)值計算和風洞實驗數(shù)據(jù)的有效方式，為預(yù)測飛行特性、設(shè)計控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[3-4]。隨著控制技術(shù)、材料科學(xué)、通信技術(shù)的進步，滿足科研需求的小型化數(shù)據(jù)采集設(shè)備、小型動力裝置、輕型化結(jié)構(gòu)、可靠的數(shù)據(jù)鏈、微小型飛行控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件的逐漸普及，縮比模型驗證機飛行試驗成為降低新機研制成本和風險、縮短了研制周期的有效技術(shù)途徑[5-6]。通過縮比模型飛行試驗，可以獲得失速/尾旋試驗數(shù)據(jù)，研究飛機失速特性及改出方法，驗證理論計算和風洞試驗結(jié)果，為飛行員從事新機試飛提供正確的操縱參考，確保飛行安全[7]。對飛翼這樣的新型氣動布局飛行器，針對其舵效低、靜不穩(wěn)定裕度強、耦合嚴重等不利因素，以縮比模型機為控制對象，分析其氣動特性，對縱向和橫航向進行增穩(wěn)回路設(shè)計，完成了全流程飛行控制律的設(shè)計[8]。變穩(wěn)飛機通過采用相似性匹配技術(shù)，模擬目標飛機的飛行動態(tài)響應(yīng)，使駕駛員感受到目標飛機的飛行品質(zhì)，提高飛行模擬的逼真度[9]。本文針對無人戰(zhàn)斗機飛行訓(xùn)練問題，在相似性原理的基礎(chǔ)上，給出了其縮比訓(xùn)練機的飛行高度范圍。應(yīng)用計算流體力學(xué)（CFD）方法，計算并分析縮比機的縱向氣動特性，為進一步的飛行性能分析和控制率設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 相似性原理

縮比訓(xùn)練機不僅要與全尺寸原型機滿足幾何相似，并按一定比例縮小，而且應(yīng)滿足氣動力相似。這樣才能確?？s比機與原型機具有相同空氣動力特性和飛行性能[10-11]。

設(shè)有流經(jīng)2個不同物體的流場，如果滿足以下條件，則稱這2個流場是動力相似的[12]：

1）流譜幾何相似；

3）物體的氣動力系數(shù)相同。

確保2個流場動力相似的條件為：①物體及其他邊界幾何相似；②2個流場具有相同的相似參數(shù)，即馬赫數(shù)Ma、雷諾數(shù)Re。

縮比模型試飛可以實現(xiàn)完全相似條件下的流動模擬。由于大氣密度隨高度而變化，通過組合飛行高度、速度和縮尺比例可以實現(xiàn)與全尺寸原型機相同的馬赫數(shù)與雷諾數(shù)[13-14]。

飛機相對來流的馬赫數(shù)Ma∞與雷諾數(shù)Re∞定義表達式分別為：

式（1）、（2）中：V∞為飛行器飛行速度；a∞、ρ∞、μ∞、ν∞分別為飛行器相對來流，即飛行高度上的大氣參數(shù)（聲速、密度、動力粘性系數(shù)和運動粘性系數(shù)）；L為參考長度，對于飛行器而言，一般取為機翼的平均氣動弦長cA。

根據(jù)相似性原理，要保證縮比機和全尺寸原型機流場的動力相似，需滿足：

式（3）中：M代表縮比機；F代表全尺寸原型機。

根據(jù)馬赫數(shù)與雷諾數(shù)定義表達式，有

由于縮比機尺寸小于全尺寸原型機，則

因此，

結(jié)合圖1所示大氣聲速與運動粘度之比的變化規(guī)律，由式（6）可以看出，在保證飛行器氣動特性相同的前提下，縮比機可以在更低的飛行高度上，模擬全尺寸原型機的氣動特性。

2 縮比訓(xùn)練機氣動布局

根據(jù)任務(wù)使命要求，無人戰(zhàn)斗機應(yīng)具有大升力、高升阻比、機動性強的特點。鴨式布局配平阻力較小，鴨翼與主機翼間的近距耦合可獲得較大的渦升力，鴨翼因不受主機翼尾流干擾操縱效能較高。因此，無人戰(zhàn)斗機采用鴨式布局是適宜的。

縮比訓(xùn)練機氣動布局如圖2所示，沿機身軸線由機頭指向機尾定義為x軸，y軸位于機體對稱面內(nèi)垂直于x軸向上，z軸由x軸和y軸根據(jù)右手定則確定。在該坐標系下，建立機體CAD模型，為氣動特性計算奠定基礎(chǔ)?？s比機主機翼翼展b=3 m。半模機翼參考面積Sref=2.103 6 m2；機翼平均氣動弦長為cA=0.727 9 m。

3 氣動力特性計算分析

在縮比機CAD模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Gridgen軟件對機體周圍空氣流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分[15]。為了分析縮比機縱向氣動特性，可建立如圖3所示的半模網(wǎng)格。

流場區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行離散化。與縮比機對稱面重合的網(wǎng)格表面定義為“對稱面”邊界，縮比機外表面定義為“物面”邊界，遠離“物面”的網(wǎng)格外表面定義為“速度入口”邊界。

將機體外部流場網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件，使用基于密度的求解器，Roe格式離散算法、S-A湍流模型，選擇一階迎風離散格式[16-18]。參考面積取半模機翼參考面積Sref，參考長度取機翼平均氣動弦長cA。

計算縮比機在海平面標準大氣條件下，低速飛行時氣動力隨迎角的變化規(guī)律，如圖4所示。

計算數(shù)據(jù)表明，縮比機臨界迎角約為35°，超過該迎角后，進入失速狀態(tài)，升力系數(shù)明顯下降。鴨翼自由渦對主機翼邊界層的加速作用，使縮比機臨界迎角較大，可以獲得較大的升力。在小迎角狀態(tài)下，縮比機阻力系數(shù)較小，此時摩擦阻力占主導(dǎo)；隨著迎角逐漸增大，升力系數(shù)增大導(dǎo)致誘導(dǎo)阻力增大；當接近并超過臨界迎角后，機體表面邊界層分離導(dǎo)致壓差阻力大幅增加。因此，隨著迎角逐漸增大，縮比機阻力系數(shù)增大的幅度越來越大。在迎角α=4°的狀態(tài)下，縮比機的升阻比達到了最大值12，確保優(yōu)越的機動性。

縮比機相對于機頭頂點的俯仰力矩系數(shù)Cm隨迎角α的變化趨勢如圖5所示。

根據(jù)俯仰力矩系數(shù)隨迎角的變化規(guī)律，應(yīng)用下式進行差分計算：

式（7）中：ˉref為俯仰力矩參考點位置；ˉac為焦點位置系數(shù)；CL為升力系數(shù)；Cmα為俯仰力矩系數(shù)對迎角的導(dǎo)數(shù)。

可以算得在中小迎角范圍內(nèi)縮比機氣動中心到機頭的距離為1.758 m，如圖6所示。氣動中心的位置決定了全機靜穩(wěn)定裕度，是分析操穩(wěn)特性、設(shè)計控制率的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文通過流場相似參數(shù)分析，得出了縮比訓(xùn)練機與全尺寸原型機飛行范圍的差別。應(yīng)用CFD方法計算了縮比機升力系數(shù)、阻力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)隨飛行迎角的變化規(guī)律，并估算了全機氣動中心位置，為后續(xù)的操穩(wěn)特性分析和控制率設(shè)計奠定了基礎(chǔ)?？s比訓(xùn)練機的研制對強化無人機系統(tǒng)的飛行操作和使用維護訓(xùn)練，節(jié)省無人機系統(tǒng)維護保障經(jīng)費具有重要意義。

[1]WOOLVIN S J.UCAV configurationamp;performance trade-offs[C]//44thAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，Nevada：AIAA，2006：1-14.

[2]LEE D S，GONZALEZ L F，SRINIVAS K，ET AL.Robust evolutionary algorithms for UAV/UCAV aerodynamic and RCS design optimization[J].Computers and Fluids，2008，37（5）：547-564.

[3]王海峰，楊朝旭，王成良.先進戰(zhàn)斗機大迎角運動特性分析和試驗[J].飛行力學(xué)，2006，24（2）：5-8.WANG HAIFENG，YANG CHAOXU，WANG CHENGLIANG.High angles of attack character analysis and test for an advanced fighter[J].Flight Dynamics，2006，24（2）：5-8.（in Chinese）

[4]王斑，詹浩.遙控縮比驗證模型及其飛控系統(tǒng)設(shè)計準則[J].計算機仿真，2014，31（6）：108-110.WANG BAN，ZHAN HAO.Design criteria of remotely controlled dynamically similar model（DSM） and its flight control systems（FCS）[J].Computer Simulation，2014，31（6）：108-110.（in Chinese）

[5]張煒，郭慶，張怡哲.縮比模型遙控飛行驗證技術(shù)的研究及展望[J].航空工程進展，2011，2（1）：43-47.ZHANG WEI，GUO QING，ZHANG YIZHE.Study and evolvement on flight test technique of remotely piloted subscale model[J].Advances in Aeronautical Science and Engineering，2011，2（1）：43-47.（in Chinese）

[6]宋磊，黃俊.無人機縮比驗證機動力選型研究[J].飛機設(shè)計，2010，30（6）：38-42.SONG LEI，HUANG JUN.The study of engine system selection for sub-scaled UCAV f1ight test model[J].Aircraft Design，2010，30（6）：38-42.（in Chinese）

[7]何紅麗，楊廷梧，左益宏，等.某型飛機模型失速/尾旋飛行試驗技術(shù)[J].計算機工程，2009，35（23）：232-233.HE HONGLI，YANG TINGWU，ZUO YIHONG，et al.Flight test technique for certain model airplane’s stall/spin motion[J].Computer Engineering，2009，35（23）：232-233.（in Chinese）

[8]馬雯，張寧，馬蓉，等.小型飛翼布局無人機控制律設(shè)計與試飛驗證[J].兵工自動化，2015，34（12）：42-48.MA WEN，ZHANG NING，MA RONG，et al.Flight control law design and flight test for small flying wing aircraft[J].Ordnance Industry Automation，2015，34（12）：42-48.（in Chinese）

[9]方威，李德尚，田福禮，等.變穩(wěn)飛機飛行模擬中的相似性匹配技術(shù)[J].飛行力學(xué)，2016，34（3）：81-85.FANG WEI，LI DESHANG，TIAN FULI，et al.Similarity matching technology in VSA flight simulation[J].Flight Dynamics，2016，34（3）：81-85.（in Chinese）

[10]陳孟鋼，高金源.縮比模型飛機及其飛控系統(tǒng)與原型機的相似關(guān)系[J].飛行力學(xué)，2003，21（2）：34-37.CHEN MENGGANG，GAO JINYUAN.Similarity relationships between scaled-model aircraft with its flight control system and prototype aircraft[J].Flight Dynamics，2003，21（2）：34-37.（in Chinese）

[11]郭林亮，祝明紅，孔鵬，等.風洞虛擬飛行模型機與原型機動力學(xué)特性分析[J].航空學(xué)報，2016，37（8）：2583-2593.GUO LINLIANG，ZHU MINGHONG，KONG PENG，et al.Analysis of dynamic characteristics between prototype aircraft and scaled-model of virtual flight test in wind tun-nel[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2016，37（8）：2583-2593.（in Chinese）

[12]ANDERSON J D.Fundamentals of aerodynamics，fourth edition[M].New York：McGraw-Hill Book Company，2007：30-36.

[13]MUNSON B R，YOUNG D F，OKIISHI T H，et al.Fundamentals of fluid mechanics，sixth edition[M].New Jersey：John Wileyamp;Sons，Inc.，2009：354-356.

[14]OWENS D B，COX D E，MORELLI E A.Development of a low-cost sub-scale aircraft for flight research：the FASER project[C]//25thAIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference.San Francisco，California：AIAA，2006：1-11.

[15]Gridgen Version 15 User Manual[S].Pointwise，Inc，2006.

[16]王允良，高永，侯志強.無人飛行器外形布局設(shè)計及其氣動特性計算分析[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2011，26（4）：361-364.WANG YUNLIANG，GAO YONG，HOU ZHIQIANG.Configuration design and aerodynamic performance analysis of an unmanned aerial vehicle[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2011，26（4）：361-364.（in Chinese）

[17]于方圓，高永，王允良，等.小型無人機翼型優(yōu)化設(shè)計[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2013，28（3）：307-310.YU FANGYUAN，GAO YONG，WANG YUNLIANG，et al.Optimization design for Mini-UAV airfoil[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2013，28（3）：307-310.（in Chinese）

[18]于方圓，高永，王允良，等.基于Kriging模型機翼平面外形氣動優(yōu)化設(shè)計[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2013，28（5）：515-520.YU FANGYUAN，GAO YONG，WANG YUNLIANG，et al.Optimization design of wings planform configuration based on Kriging model[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2013，28（5）：515-520.（in Chinese）

Aerodynamic Performance Computation Analysis of the Subscale UCAV for Training

WANG Yunliang,LIU Xiangyi,LIU Shuyan,YU Dazhao
（Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China）

In order to decrease the maintenance and flight training cost of UCAV,a subscale model for training with the same flight performance and controlling characteristic as full scale prototype vehicle ass developed referring to the flight test of subscale model during the process of aircraft design.According to similar parameters analysis with the similarity theory,the flight alitude of subscale model was compared to the full scale prototype vehicle.The geometry of the subscale model was imported to Gridgen soft to build the flow field around the model with unstructured grid.The longitudinal aerodynamic performances of the subscale model were computed by Fluent soft.The position of aerodynamic center was estimated with pitch moment coefficient data.It prepares for the further work at controllability/stability investigation and control law design.

UCAV;subscale aircraft;similarity theory;aerodynamic performance computation

V279；V221

A

1673-1522（2017）05-0473-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.05.011

2017-02-14；

2017-07-22

王允良（1977-），男，講師，博士。