無尾布局縱向操縱的嵌入式舵面概念研究

孫靜，張彬乾，楊廣珺，2

(1.西北工業大學航空學院，陜西 西安 710072;2.西北工業大學無人機特種技術重點實驗室，陜西西安 710065)

引言

無尾布局設計的最大挑戰是尋求全新的飛行操縱控制方式，代替被取消的垂尾和平尾，以產生足夠的飛行控制力矩。目前，國內外有關無尾布局操縱方式的研究集中在推力矢量、主動控制變形機翼、新型氣動操縱舵面三個方面。對注重成本的無尾布局而言，實用有效的飛行操縱方式是發展全新的綜合氣動操縱舵面［1］。

國內外根據無尾布局本身的氣動特點，圍繞其操縱控制模式開展了大量的研究工作，提出了多種可在無尾布局中應用的新型復合式氣動操縱舵面概念［2-5］，如全動翼梢、擾流板、分布襟翼和阻力舵等。

W型無尾翼身融合布局［6-7］是課題組自主設計的創新平臺。為滿足縱向俯仰平衡操縱的需要，基于該布局的外形特點，在遠離重心的機體兩端設計了鴨面和尾舵作為基本縱向控制舵面。然而，大迎角時，兩種舵面的操縱效率均有所降低。為解決這一問題，需進一步探索新型的縱向控制舵面。本文提出的機身下表面嵌入式舵面(LSP)，旨在對升阻影響盡可能小的情況下，獲得縱向控制力矩。采用數值模擬方法，分別探討了機身下表面嵌入式舵面的位置及幾何參數對縱向控制的影響，對嵌入式舵面的縱向控制能力進行了概念性研究。

1 數值計算方法

本文采用數值計算軟件CFX進行氣動力分析，所采用的控制方程為N-S方程，湍流模型采用標準k-ε模型，利用有限體積法將控制方程離散，對流項采用二階迎風差分格式進行推進求解。計算采用貼體結構網格，由ICEM軟件生成。計算中，物面為無滑移條件，遠場為自由流條件，計算殘差收斂精度為10－5。

2 嵌入式舵面設計方案

嵌入式舵面的設計思想來源于W型無尾布局扁平的機身下表面，易于布置嵌入機體表面的操縱面，期望舵面打開后對機身下表面流動產生較大的影響區域，改善布局的流動特性、獲得縱向操縱控制能力。

圖1 機身下表面嵌入式舵面及偏轉示意圖

機身下表面嵌入式舵面及偏轉情況如圖1所示。按照舵面在機身上的位置和舵面弦長共構成四種方案:舵面在機身上的位置分別位于機身長度(x/l)的50%(位置Ⅰ)和70%(位置Ⅱ)處;舵面弦長分別取長和短兩種;舵偏角度分別為15°，30°，45°，60°。

3 結果分析

采用數值模擬方法研究了四種嵌入式舵面構型對基本構型的縱向特性影響，計算狀態為:Ma=0.3，α = －2°～32°，Re=3.0 ×106。

3.1 縱向氣動特性

圖2和圖3分別給出位置Ⅰ、位置Ⅱ處的嵌入式舵面構型與基本構型的縱向氣動特性曲線。圖中，“長”和“短”分別表示嵌入式舵面弦長分別取長和短兩種;數字15，30，45，60分別表示舵偏角度為15°，30°，45°，60°。

分析圖2和圖3可知，在研究迎角范圍內，舵面布置于位置Ⅰ和位置Ⅱ均可提供較大的低頭力矩增量。對氣動性能的影響如下:

(1)位置Ⅰ和位置Ⅱ的兩種舵面，隨舵面偏度的增大阻力增加，但對升力的影響均較小，其阻力增量主要來自于舵面偏轉所帶來的型阻。

圖2 位置Ⅰ處的縱向特性曲線

(2)位置Ⅰ和位置Ⅱ的兩種舵面，偏度小于45°，隨偏度增加，低頭力矩增加;偏度60°時，低頭力矩反而減小，且減小量較大。

(3)兩個位置的短舵面控制效率均比長舵面效率高，且一直保持到大迎角狀態。位置Ⅰ處提供最大低頭力矩增量為“短－45”狀態，此時，縱向平衡迎角約為10°;位置Ⅱ處為“短－45”狀態，此時，平衡迎角約為9.5°。

(4)對于相同形狀舵面，處于機身較前的位置Ⅰ提供的力矩增量高于位置Ⅱ。

(5)嵌入式舵面可提供約10°迎角的平衡操縱力矩，該力矩值在大迎角狀態仍幾乎不變，因此，可作為無尾布局大迎角俯仰操縱的補充措施。

3.2 流動作用機理

圖4給出了位置Ⅱ嵌入式短舵面偏轉時的表面壓力分布和縱向典型剖面的流態。

由圖4可見，嵌入式舵面偏轉后對機身下表面流動產生了明顯的影響。首先，流動在舵面前的迎風區形成高壓，舵面后的背風區形成低壓旋渦分離泡，這種流動現象形成了以壓差阻力為主的阻力增量，會產生低頭力矩;其次，下表面嵌入式舵面打開后，舵面后形成較大的旋渦分離泡，改變了后體流動形態，使后體有效彎度增加，也提供了部分低頭力矩增量。

圖4 基本流態與壓力分布(α=16°，短－45)

4 結論

機身下表面嵌入式舵面四種方案對無尾布局縱向氣動性能和流動機理的影響表明，下表面嵌入式舵面可作為無尾布局大迎角俯仰操縱的有效補充措施，主要結論如下:

(1)在兩個位置處，不同弦長的舵面均可提供較大的低頭力矩增量，且一直保持到大迎角狀態;短舵面優于長舵面，短舵面45°舵偏時低頭力矩增量最大。

(2)相同形狀舵面，位置較前的舵面提供低頭力矩增量較大。

(3)嵌入式舵面對升力的影響較小，但會產生型阻式阻力增量。

(4)嵌入式舵面提供低頭力矩增量的作用原理是:舵面打開形成較大的旋渦分離泡，改變后體下表面流動形態，產生了阻力與升力共同作用的低頭力矩增量。

(5)嵌入式舵面可提供約10°迎角的平衡操縱力矩，該力矩值在大迎角狀態仍幾乎不變，因此，可作為無尾布局大迎角俯仰操縱的補充措施。

［1］ John A B，Dieter M，Siva S B.Challenges and opportunities in tailless aircraft stability and control［R］.AIAA 97-3830，1997.

［2］ Richard M W，Steven X SB.Advanced aerodynamic control effectors［R］.AIAA 99-5619，1999.

［3］ James M S，William B B，Dieter M.Control concepts for a vertical tailless fighter［R］.AIAA 93-4000，1993.

［4］ William JG，Kenneth M D.Directional control for tailless aircraft using all moving wing tips［R］.AIAA 97-3487，1997.

［5］ Gloria S，Ulf R.Lateral stability and control of a tailless aircraft configuration ［J］.Journal of Aircraft，2009，46(6):2161-2163.

［6］ 孫靜，張彬乾，周洲，等.W型無尾氣動布局研究［J］.西北工業大學學報，2004，22(3):265-268.

［7］ Sun Jing，Zhang Bin-qian，Yang Guang-jun.Concept investigation ofW tailless configuration［R］.AIAA-2005-4602，2005.