劉志濤,蔣永,聶博文,岑飛,徐圣
1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710072
2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所,綿陽 621000
3. 國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,長沙 410073
飛翼布局飛行器以其先進(jìn)的氣動特性、突出的隱身性能在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,也是未來飛機(jī)布局的一個重要發(fā)展方向,如著名的B2轟炸機(jī)以及具有卓越性能的X47B無人機(jī)均采用飛翼布局形式[1]。無尾飛翼布局飛機(jī)能夠有效減小雷達(dá)反射信號,具有良好的隱身性能,并可以減少飛機(jī)的重量、降低全機(jī)阻力、增加飛機(jī)航程[2]。但是,取消垂尾也會帶來嚴(yán)重的航向穩(wěn)定性和航向控制方面的問題[3-5]。
實現(xiàn)航向增穩(wěn)和控制,已成為飛翼布局飛機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一,需要尋找新的控制舵面或新的控制方式來實現(xiàn)傳統(tǒng)垂尾和方向舵的功能。國內(nèi)外有關(guān)飛翼布局航向控制舵面的研究主要集中在開裂式方向舵[6-9]、嵌入式阻力舵[7,10-11]以及全動翼尖等阻力類舵面[12-14],也有采用氣動舵面[15]和推力矢量[5]方式來實現(xiàn)航向控制。氣動舵面和推力矢量都依靠發(fā)動機(jī)噴流實現(xiàn)航向操縱能力,這對發(fā)動機(jī)性能要求較高,操縱時會帶來部分推力損失,在高速階段,其操縱效率也會大幅下降,飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也變得更加復(fù)雜,因此該方案較少采用。阻力類方向舵利用離軸阻力實現(xiàn)偏航,隨著迎角的增加阻力增強(qiáng),并且在超聲速下偏轉(zhuǎn)同樣有較大的激波阻力,操縱效率仍然較高,同時,舵面具有結(jié)構(gòu)相對簡單、響應(yīng)迅速、維護(hù)方便等優(yōu)點,所以阻力式方向舵被廣泛采用。但是,為實現(xiàn)飛機(jī)航向增穩(wěn),阻力類方向舵雙側(cè)對稱偏轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的附加阻力,并減小升力,導(dǎo)致升阻比下降,全機(jī)氣動效率降低。因此,相比常規(guī)布局飛機(jī),為獲得同樣大小的可控機(jī)動飛行范圍,飛翼布局飛機(jī)對發(fā)動機(jī)要求更高。
為進(jìn)一步研究無尾飛翼布局飛機(jī)的航向增穩(wěn)和控制措施。本文提出一種翼尖可彎折結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無尾飛翼布局飛機(jī)航向增穩(wěn),通過靜態(tài)和動態(tài)試驗研究了翼尖彎折對全機(jī)氣動性能的影響,并分析了試驗結(jié)果。為新飛翼布局氣動設(shè)計提供參考,也為后續(xù)飛翼布局飛機(jī)航向增穩(wěn)控制研究和控制率設(shè)計提供支撐。
研究采用類X-47B的中等展弦比前緣雙后掠飛翼布局飛機(jī),飛機(jī)模型主體結(jié)構(gòu)由碳纖維和鋁等材料制作,模型兼顧風(fēng)洞靜動態(tài)測力、虛擬飛和自由飛試驗,具體如圖1所示,模型參數(shù)如表1所示。其中,升降舵(δe)偏轉(zhuǎn)范圍±30°,同向偏轉(zhuǎn)用于控制飛機(jī)的俯仰運(yùn)動,后緣下偏為正;副翼(δa)偏轉(zhuǎn)范圍±25°,差動偏轉(zhuǎn)用于控制飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動,左副翼上偏(右副翼下偏)為正;在機(jī)翼外側(cè)布置一對前后擾流板,通過前后擾流板聯(lián)動,形成開裂式阻力方向舵,方向舵(δr)開裂角度范圍0°~45°,左方向舵開裂為正。左右兩側(cè)阻力方向舵相互獨(dú)立,控制飛機(jī)的偏航運(yùn)動;飛機(jī)模型左右兩側(cè)翼尖可繞弦線方向折疊偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)范圍±45°,翼尖(δwt)同向上偏轉(zhuǎn)為正;飛機(jī)尾部設(shè)計帶發(fā)動機(jī)推力矢量結(jié)構(gòu),用于實現(xiàn)飛機(jī)機(jī)動模擬。舵面采用自動舵機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)角度偏轉(zhuǎn),輸入程序指令進(jìn)行控制。
圖1 飛翼布局飛機(jī)模型
表1 模型參數(shù)
試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所FL-14風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞為開口式回流風(fēng)洞。試驗段截面為圓形,直徑為3.2 m,試驗段全長為5 m,開口試驗段最高風(fēng)速可達(dá)115 m/s,試驗段中心區(qū)域氣流偏角|Δα|,|Δβ|≤0.5°。試驗風(fēng)速為30 m/s,基于平均氣動弦長為參考長度的雷諾數(shù)為1.3×106。
模型由FL-14風(fēng)洞單自由度動態(tài)試驗裝置支撐,裝置包括滾轉(zhuǎn)/偏航試驗裝置和俯仰振蕩試驗裝置。
滾轉(zhuǎn)/偏航振蕩試驗裝置采用大功率電機(jī),通過高精度減速器直接傳動,轉(zhuǎn)動軸通過一組“背對背”角接觸球軸承固定在轉(zhuǎn)軸座上,限制了其除軸向轉(zhuǎn)動以外的其他自由度,使得電機(jī)的傳動軸通過減速器將運(yùn)動傳遞給振動軸,振動軸通過模型轉(zhuǎn)接頭與模型(天平)固聯(lián)。靜態(tài)試驗和滾轉(zhuǎn)振蕩試驗采用尾撐方式支撐,如圖2所示,靜態(tài)試驗時,采用迎角傳感器測量模型實時迎角,滾轉(zhuǎn)振蕩試驗時,利用電位計測量模型角度信號。偏航振蕩試驗采用腹撐方式支撐模型,如圖3所示。
圖2 靜態(tài)和滾轉(zhuǎn)振蕩試驗
圖3 偏航振蕩試驗
俯仰振蕩試驗裝置為平行四邊形機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)的4個鉸接點分別為減速器轉(zhuǎn)動中心、搖擺桿、尾支桿以及天平套筒上的鉸接點。平行四邊形的4條邊分別為主支桿、尾支桿、搖擺桿和天平套筒。四邊形運(yùn)動實現(xiàn)模型俯仰振蕩,俯仰振蕩試驗時模型采用腹撐方式,具體如圖4所示。
圖4 俯仰振蕩試驗
采用六分量桿式應(yīng)變天平測量模型氣動力,采集系統(tǒng)為FL-14風(fēng)洞測控處理系統(tǒng),該系統(tǒng)以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫為核心的局域網(wǎng)測控處分布式測控系統(tǒng),系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)、測量控制、速壓控制和姿態(tài)角控制4部分。
基于風(fēng)洞飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)模型翼尖偏轉(zhuǎn)和控制,系統(tǒng)包括上位機(jī)、飛控計算機(jī)、舵機(jī)等,具體如圖5所示。飛控計算機(jī)安裝實時操作系統(tǒng)Vxworks與MATLAB/Simulink設(shè)計開發(fā)環(huán)境無縫集成,基于該環(huán)境設(shè)計控制程序,通過A/D、D/A、數(shù)字IO、串口等輸入輸出接口,傳輸控制指令驅(qū)動舵機(jī)實現(xiàn)各個舵面偏轉(zhuǎn)。各個舵面獨(dú)立控制,可實現(xiàn)單個或多個舵面組合舵偏。
圖5 舵面控制系統(tǒng)
飛翼布局飛機(jī)氣動外形上翼身融合,整個飛機(jī)是一個升力面,舵面操縱時,升力面發(fā)生變化,全機(jī)氣動性能也隨之改變。
圖6和表2給出了翼尖偏轉(zhuǎn)不同角度狀態(tài)下全機(jī)縱向氣動特性曲線和氣動特征參數(shù),其中CLα為升力線斜率,CLmax為最大升力系數(shù),αac為臨界迎角,CDmin為最小阻力系數(shù),Kmax為最大升阻比,CmCL為縱向靜穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)。δwt=0°時,飛機(jī)失速迎角α為15°左右,最大升阻比13.41,由Cm-α曲線可以發(fā)現(xiàn),飛機(jī)在小迎角和大迎角狀態(tài)下是縱向靜不穩(wěn)定或者中立穩(wěn)定的,在1.5°≤α≤9°范圍內(nèi),飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定。
圖6 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度狀態(tài)下全機(jī)縱向氣動特性曲線
表2 縱向氣動特征參數(shù)(求導(dǎo)范圍:α=1°~6°)
為更深入分析飛機(jī)氣動特性機(jī)理,以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ),應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(如圖7所示),采用S-A湍流模型,對飛機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算,獲得了飛機(jī)的氣動力、表面壓力和流動特性分布。從圖6可以看出氣動力計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較一致,可以反映飛機(jī)氣動力隨迎角的變化規(guī)律,表明采用的數(shù)值計算方法可行,計算結(jié)果可靠,可以對飛機(jī)氣動特性機(jī)理進(jìn)行分析。
圖7 計算網(wǎng)格
從圖8可以看出翼尖偏轉(zhuǎn)對主翼面的壓力系數(shù)Cp和流動特性分布影響很小,僅對翼尖局部區(qū)域有影響,但翼尖偏轉(zhuǎn)會引起翼尖升力面有效面積減小,所以全機(jī)升力下降;隨著迎角增大,翼尖升力增加,因翼尖偏轉(zhuǎn)帶來的升力損失也增大,所以全機(jī)升力線斜率CLα隨著翼尖偏轉(zhuǎn)角度增加而逐漸減小。對于飛翼布局飛機(jī),其失速特性主要受前緣渦影響,而翼尖置于飛機(jī)的尾部,對前緣渦干擾較小,翼尖偏轉(zhuǎn)全機(jī)的失速迎角并未發(fā)生較大的變化。
圖8 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下飛機(jī)表面壓力和流線分布(α=5°,β=0°)
翼尖偏轉(zhuǎn)減小了全機(jī)的有效升力面積,也減小了飛機(jī)的迎風(fēng)面積,所以全機(jī)阻力隨著偏轉(zhuǎn)角度增加而減小。同時,偏轉(zhuǎn)的翼尖類似于翼尖小翼,從圖9可以看出翼尖偏轉(zhuǎn)能夠有效阻礙機(jī)翼展向流動氣流上翻形成翼尖渦,并減弱渦能量,達(dá)到減小誘導(dǎo)阻力的目的,使全機(jī)阻力減小;翼尖渦減弱使翼展范圍內(nèi)的誘導(dǎo)下洗速度減小,全機(jī)升力也能提高,所以翼尖小翼能夠提高升阻比,增加全機(jī)的氣動效率。對于后掠翼,還存在翼尖效應(yīng),翼尖處剖面吸力主要集中在前部,逆壓梯度大,翼尖處提前出現(xiàn)氣流分離,造成翼尖失速,使阻力增大、升力減小,全機(jī)升阻比減小,而翼尖小翼能夠減弱這一效應(yīng)。試驗結(jié)果表明翼尖偏轉(zhuǎn)能夠提高全機(jī)的最大升阻比Kmax,隨著偏轉(zhuǎn)角度增加Kmax逐漸增大,|δwt|=40°時,Kmax能夠增加3%左右。
圖9 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下的翼尖渦對比(α=5°,β=0°)
飛翼布局飛機(jī)取消了常規(guī)布局的平尾結(jié)構(gòu),縱向靜穩(wěn)定性主要取決于翼型的設(shè)計。試驗飛機(jī)模型翼尖位置在氣動中心后部,翼尖偏轉(zhuǎn)減小了飛機(jī)后部有效升力面面積,使飛機(jī)后部升力減小,當(dāng)飛機(jī)升力為正時,翼尖偏轉(zhuǎn)使全機(jī)俯仰低頭力矩減小,隨著迎角增加,飛機(jī)后部升力損失越大,俯仰低頭力矩越小,所以全機(jī)俯仰靜穩(wěn)定裕量|CmCL|隨翼尖偏轉(zhuǎn)角度增加逐漸減小。從Cm-α曲線上看,在迎角1.5°和9°附近,飛機(jī)俯仰力矩出現(xiàn)了明顯的非線性拐折,表明飛機(jī)表面氣流發(fā)生了較大的突變,從圖8可以看出偏轉(zhuǎn)翼尖對飛機(jī)表面主要的流動特性影響很小,所以飛機(jī)俯仰靜穩(wěn)定迎角區(qū)間范圍和拐點臨界迎角并沒有因翼尖偏轉(zhuǎn)發(fā)生較大變化。
對于常規(guī)布局飛機(jī),垂尾是航向靜穩(wěn)定的主要來源,而穩(wěn)定性較低的飛機(jī),還可以安裝腹鰭改善其航向靜穩(wěn)定性。飛翼布局飛機(jī)翼尖向上、向下偏轉(zhuǎn)類似常規(guī)布局飛機(jī)的垂尾和腹鰭,將有助于提高飛機(jī)的航向穩(wěn)定性。圖10和表3給出了試驗獲得的翼尖偏轉(zhuǎn)不同角度狀態(tài)下全機(jī)橫航向氣動特性曲線和特征參數(shù)。從圖可知,在δwt=0°時,-6°≤α≤14°范圍內(nèi),飛機(jī)呈航向靜不穩(wěn)定;0°≤α≤20°范圍內(nèi),飛機(jī)橫向靜穩(wěn)定。
表3 橫航向氣動特征參數(shù)(平均值:α=-6°~12°)
圖10 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下飛機(jī)橫航向氣動特性曲線
圖11給出了計算獲得的翼尖偏轉(zhuǎn)不同角度狀態(tài)下翼尖表面壓力分布云圖。變側(cè)滑角狀態(tài)下偏轉(zhuǎn)翼尖迎風(fēng)面壓力增加將為飛機(jī)貢獻(xiàn)一個迎風(fēng)方向的側(cè)力,隨著迎角增加,上偏翼尖會受到主機(jī)翼干擾,右側(cè)迎風(fēng)面壓力減小,所以翼尖上、下偏相同的角度,上偏時側(cè)向力更小。
圖11 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下翼尖表面壓力分布(α=5°,β=0°)
從Cn-α曲線也可以看出,翼尖上偏航向增穩(wěn)效果更差,在小迎角范圍內(nèi),上偏翼尖能夠增加飛機(jī)的航向靜穩(wěn)定性,隨著迎角增加,翼尖受到主機(jī)翼遮蔽,迎風(fēng)面壓力減小,航向增穩(wěn)效果急劇惡化,飛機(jī)航向逐漸失穩(wěn)。翼尖下偏類似于為飛機(jī)增加一對腹鰭,變側(cè)滑角狀態(tài)下,偏轉(zhuǎn)翼尖迎風(fēng)面受主機(jī)翼干擾較小,航向增穩(wěn)效果較好,即使在大迎角狀態(tài),飛機(jī)仍具有良好的航向靜穩(wěn)定性,表明翼尖下偏將更有利于飛機(jī)航向增穩(wěn)。
試驗飛機(jī)模型為雙后掠飛翼布局,變側(cè)滑角狀態(tài)下,迎氣流機(jī)翼上自由流速度的垂直分量增加,引起迎氣流機(jī)翼產(chǎn)生更大的升力,相反,背氣流機(jī)翼升力將減小,因此會產(chǎn)生背離側(cè)滑方向的滾轉(zhuǎn),起到與幾何上反一樣的作用,在α>0°時,升力為正,飛機(jī)呈橫向靜穩(wěn)定。翼尖上偏類似于為飛機(jī)增加垂尾,變側(cè)滑角狀態(tài)下,垂尾迎角改變,迎角的這種變化在垂尾上產(chǎn)生升力,而翼尖壓力中心在飛機(jī)重心之上,這個升力將產(chǎn)生背離側(cè)滑方向的滾轉(zhuǎn)力矩,所以翼尖上偏會增加飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性。當(dāng)翼尖下偏時,翼尖壓力中心在飛機(jī)重心之下,正側(cè)滑角狀態(tài)下,翼尖偏轉(zhuǎn)引起正的滾轉(zhuǎn)力矩,這將對飛機(jī)橫向貢獻(xiàn)一個不穩(wěn)定的增量。從Cl-α曲線可以看出,翼尖下偏角度增加會引起飛機(jī)橫向不穩(wěn)定迎角范圍逐漸擴(kuò)大,而翼尖上偏角度增加飛機(jī)橫向穩(wěn)定性呈逐漸增強(qiáng)趨勢,翼尖上偏和下偏將對飛機(jī)橫向穩(wěn)定性起相反的作用。
由以上分析可以看出:翼尖下偏將更有利于提高飛機(jī)航向靜穩(wěn)定性,但也會帶來橫向穩(wěn)定性減弱問題;翼尖上偏在中小迎角范圍能夠幫助增加飛機(jī)的航向靜穩(wěn)定性,同時,也能提高飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性,但大迎角時,航向穩(wěn)定性急劇減弱。
動穩(wěn)定性是表征飛行器動態(tài)氣動特性的關(guān)鍵參數(shù),動穩(wěn)定性一般使用動穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)(動導(dǎo)數(shù))來進(jìn)行表征,本次試驗采用了強(qiáng)迫振蕩方式進(jìn)行動導(dǎo)數(shù)辨識,研究了翼尖偏轉(zhuǎn)對飛翼布局飛機(jī)動導(dǎo)數(shù)的影響。
圖12 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下的俯仰動導(dǎo)數(shù)結(jié)果
圖13 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下的偏航動導(dǎo)數(shù)結(jié)果
從以上分析可以看出:翼尖偏轉(zhuǎn)能夠有效增加飛機(jī)的航向動穩(wěn)定性,但也會帶來部分縱向和橫向動穩(wěn)定性的損失。
從試驗結(jié)果可以看出,翼尖偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi),當(dāng)δwt=-40°時飛機(jī)縱向穩(wěn)定性損失最大,航向穩(wěn)定性最強(qiáng)。為進(jìn)一步分析翼尖偏轉(zhuǎn)對飛機(jī)動力學(xué)特性的影響,選取δwt=-40°為典型狀態(tài)來研究翼尖偏轉(zhuǎn)對飛機(jī)模態(tài)特性的影響。
圖15(a)給出了不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度狀態(tài)下縱向運(yùn)動特征模態(tài)隨迎角的變化情況??梢钥闯觯害膚t=0°時,在縱向靜穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),飛翼布局飛機(jī)具有明顯的短周期和長周期模態(tài);在縱向靜不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),典型的長、短周期模態(tài)消失,出現(xiàn)了第三振蕩模態(tài)(自然頻率和阻尼比與長周期模態(tài)相近),其余兩個極點(離原點較遠(yuǎn))分別位于正、負(fù)實軸。當(dāng)翼尖偏轉(zhuǎn)δwt=-40°時,縱向靜穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),短周期模態(tài)的自然頻率有所降低,阻尼比有所改善,而長周期模態(tài)變化不大;縱向靜不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi),飛機(jī)模態(tài)特性無明顯變化。分析可以看出:隨著迎角的變化,靜穩(wěn)定性變化是引起縱向模態(tài)呈現(xiàn)上述演化特性的主要原因,翼尖偏轉(zhuǎn)未引起縱向靜穩(wěn)定特性發(fā)生較大變化,所以對飛機(jī)縱向動力學(xué)特征影響不大。
圖15 不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度下的運(yùn)動特征模態(tài)
圖15(b)給出了不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度狀態(tài)下橫航向運(yùn)動特征模態(tài)隨迎角的變化情況??梢钥闯觯害膚t=0°、α=0°時,飛機(jī)模態(tài)兩個極點位于負(fù)實軸,一個極點位于正實軸,一個極點在原點附近,飛機(jī)未出現(xiàn)明顯的橫航向模態(tài);隨著迎角增加,極點向原點靠攏,在α>5°時,飛機(jī)具有明顯的橫航向模態(tài),但荷蘭滾模態(tài)阻尼比極低,趨近于零;隨著迎角進(jìn)一步增加,荷蘭滾模態(tài)自然頻率增加,阻尼比未有明顯改善。當(dāng)δwt=-40°、α=0°時,飛機(jī)模態(tài)4個極點在實軸上的分布規(guī)律與δwt=0°時相似;隨著迎角增加,飛機(jī)出現(xiàn)明顯的橫航向模態(tài),與δwt=0°狀態(tài)相比,荷蘭滾模態(tài)自然頻率增加,阻尼比有所改善。結(jié)果表明:翼尖偏轉(zhuǎn)將有助于改善飛翼布局飛機(jī)的荷蘭滾模態(tài),使其更加趨近常規(guī)布局飛機(jī)的橫航向模態(tài)特性,后續(xù)的控制律設(shè)計可以參照常規(guī)布局飛機(jī)控制律設(shè)計方法和經(jīng)驗,降低飛翼布局飛機(jī)橫航向控制律設(shè)計難度。
本文通過對典型飛翼布局飛機(jī)模型不同翼尖偏轉(zhuǎn)角度狀態(tài)的靜態(tài)和動態(tài)風(fēng)洞試驗研究和結(jié)果分析,掌握了飛翼布局飛機(jī)的基本氣動特性和翼尖偏轉(zhuǎn)對全機(jī)氣動性能的影響。飛翼布局飛機(jī)具有航向動穩(wěn)定性較弱、航向呈靜不穩(wěn)定的氣動特點,開展風(fēng)洞虛擬飛和自由飛試驗時,需要考慮航向增穩(wěn)控制;翼尖偏轉(zhuǎn)能夠有效增加飛機(jī)航向靜、動穩(wěn)定性,盡管也會引起縱向靜、動穩(wěn)定性降低,但對縱向模態(tài)特征影響不大,并很好地解決了傳統(tǒng)阻力類舵面航向增穩(wěn)時導(dǎo)致全機(jī)升阻比下降氣動效率降低的問題;飛翼布局飛機(jī)橫航向模態(tài)與常規(guī)布局飛機(jī)顯著不同,特別是荷蘭滾模態(tài)嚴(yán)重惡化甚至消失,翼尖偏轉(zhuǎn)能夠改善橫航向模態(tài)使之趨近于常規(guī)布局飛機(jī)模態(tài),可以簡化飛翼布局飛機(jī)橫航向控制律設(shè)計方法,是一種有效的無尾飛翼布局飛機(jī)航向增穩(wěn)控制策略。本文的研究結(jié)果對飛翼布局飛機(jī)氣動設(shè)計、航向增穩(wěn)控制研究和控制律設(shè)計具有一定參考價值。