乘波體組合高壓捕獲翼構(gòu)型的性能分析

李廣利+崔凱+胡守超+屈志朋

摘要： 針對(duì)高速飛行器大容積、高升力、低阻力和高升阻比的設(shè)計(jì)需求，提出高壓捕獲翼（High pressure zone Capture Wing，HCW）的概念.在高速巡航條件下，合理配置HCW可以充分利用來(lái)流壓縮產(chǎn)生的高壓氣體，從而提高飛行器升力；HCW采用與來(lái)流平行的薄板裝置，其附加阻力較小，可以大幅提高升阻比.采用CFD分析工具，比較不同容積的乘波體構(gòu)型與HCW組合前后的氣動(dòng)性能.結(jié)果表明，在不同容積構(gòu)型下升阻比均有明顯提高，最小提升量可達(dá)10%.此外，容積越大，升力和升阻比增加效果越明顯.

關(guān)鍵詞： 高速飛行器； 乘波體； 高壓捕獲翼； 升阻比

中圖分類(lèi)號(hào)： V423.8；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： As to the design requirements of large capacity， high lift， low drag and high lifttodrag ratio for high speed aircrafts， the concept of High pressure zone Capture Wing（HCW） is proposed. Under the high speed cruise conditions， the rational configuration enables the HCW to make full use of the high pressure gas of inflow to improve the aircraft lift； the HCW is a thin plate device paralleled to the inflow， the additional drag generated by the HCW is small and the lifttodrag ratio can be improved greatly. As to the waverider configurations with different volume， a CFD analysis tool is used to compare the aerodynamic performance before and after the HCW is combined. The results show that the lifttodrag ratio is significantly improved for different volume configurations and the minimum improvement rate reaches 10%. In addition， the volume is larger， the lift and the lifttodrag ratio increase more.

Key words： high speed aircraft； waverider； high pressure zone capture wing； lifttodrag ratio

0引言

對(duì)于高升阻比的追求一直是高速飛行器設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題.然而，飛行器在高速來(lái)流，尤其是高超聲速來(lái)流下，其激波阻力和摩擦阻力會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致升阻比性能急劇降低，氣動(dòng)性能典型表現(xiàn)為遭遇所謂“升阻比屏障”[1]，即飛行器的極限升阻比與飛行馬赫數(shù)大致關(guān)系為（L/D）max=4M∞+3M∞（1）式中：M∞為來(lái)流馬赫數(shù).

目前高速飛行器的氣動(dòng)構(gòu)型主要包括翼身組合體、翼身融合體和乘波體等.文獻(xiàn)[2]給出一種典型的翼身組合體構(gòu)型，美國(guó)的HTV2高超聲速驗(yàn)證飛行器[3]為一種典型的翼身融合體，這2種構(gòu)型的主要特點(diǎn)是：下表面對(duì)來(lái)流進(jìn)行壓縮為機(jī)體提供升力，上表面適當(dāng)拱起滿(mǎn)足容積需求.乘波體是目前公認(rèn)的氣動(dòng)性能較好的構(gòu)型[4]，該構(gòu)型在設(shè)計(jì)條件下（給定來(lái)流馬赫數(shù)和攻角等）高速飛行時(shí)產(chǎn)生的弓形激波附著于飛行器的前緣，激波后的高壓區(qū)完全包裹于飛行器的下表面，使飛行器獲得較大的升力和升阻比.

然而，從研究現(xiàn)狀來(lái)看，乘波體在實(shí)用化方面還面臨很大困難.標(biāo)準(zhǔn)乘波體上表面一般與自由來(lái)流平行或采用弱膨脹面設(shè)計(jì)，因此其厚度相對(duì)較小，容積率小.提高乘波體容積率的一種做法是對(duì)其下表面進(jìn)行修改.但研究表明，通過(guò)改變基準(zhǔn)流場(chǎng)僅能在很小的范圍內(nèi)緩解升阻比與容積之間的矛盾.[5]文獻(xiàn)[6]以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主要工具，計(jì)算分析壓縮面變化對(duì)乘波體氣動(dòng)/容積性能的影響，基于修正量參數(shù)化方法和微分演化算法對(duì)尖/鈍前緣乘波體進(jìn)行優(yōu)化和分析，其結(jié)果表明乘波體的升阻比不僅與容積存在矛盾，同時(shí)也與升力存在矛盾，即乘波體高升阻比建立在阻力減小的基礎(chǔ)上，但同時(shí)升力也相應(yīng)減小，這難以滿(mǎn)足飛行器的升重匹配.此外，以乘波體為基礎(chǔ)，增加容積的另一種方法是將上表面從自由來(lái)流面或弱膨脹面修改為壓縮面.[7]但是，這將使其上表面產(chǎn)生較大的阻力及負(fù)升力，因此氣動(dòng)性能大幅下降.盡管調(diào)整巡航飛行攻角可改善氣動(dòng)性能，但這又使乘波體偏離其設(shè)計(jì)點(diǎn)，乘波特點(diǎn)大為減弱.

文獻(xiàn)[8]提出高壓捕獲翼（High pressure zone Capture Wing， HCW）的概念.針對(duì)上表面具有一定壓縮作用的飛行器，添加HCW可以大幅提高升力和升阻比，并且乘波體構(gòu)型可以充分利用下表面對(duì)來(lái)流的壓縮作用，使飛行器獲得較大的升力和升阻比.基于乘波體和HCW的特點(diǎn)，本文將其以一定的裝配攻角組合，設(shè)計(jì)3種具有不同容積的飛行器構(gòu)型，用CFD分析工具比較添加HCW前后的氣動(dòng)性能.一方面再次驗(yàn)證HCW的可行性，另一方面比較分析不同容積的乘波體構(gòu)型在添加HCW后氣動(dòng)性能的變化規(guī)律.

1構(gòu)型外形設(shè)計(jì)

對(duì)于容積較大的構(gòu)型，上表面的壓縮作用增強(qiáng)導(dǎo)致升力的增加值較大.相應(yīng)地，其升阻比在相同容積條件下也有明顯提升，并且容積越大的構(gòu)型升阻比增加越明顯，也證實(shí)HCW在大容積條件下升力補(bǔ)償?shù)奶匦?

對(duì)于具有不同容積的構(gòu)型，在容積增加時(shí)，對(duì)升力起主要作用的乘波體和HCW上的升力都大幅增加，故構(gòu)型的升力隨機(jī)體容積的增加而增加.此外，流向的投影面積和壓強(qiáng)都增加，構(gòu)型總的阻力同樣隨機(jī)體容積的增加而增加.以Case 1為例，r=0.6 m時(shí)相對(duì)r=0.4 m時(shí)的升力增加比為1.39，阻力增加比為2.05，r=0.7 m相對(duì)r=0.6 m升力增加比為1.13，阻力增加比為1.43.升力增加比均小于阻力增加比，故構(gòu)型的升阻比會(huì)隨容積的增加大幅減小.添加HCW只是對(duì)其升力進(jìn)行補(bǔ)償，其規(guī)律并沒(méi)有改變.尾部半徑r=0.4 m的構(gòu)型升阻比獲得最大值，然而其容積和升力均比較小，在設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡各方面的需求進(jìn)行選擇.

4結(jié)論

針對(duì)不同容積的乘波體構(gòu)型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比添加HCW前、后的氣動(dòng)參數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于大容積需求的高速飛行器，添加HCW可以有效提升升力和升阻比.

（2）未添加HCW的傳統(tǒng)構(gòu)型升阻比會(huì)隨容積的增加急劇降低，HCW的添加可有效抑制這一趨勢(shì)，升阻比會(huì)隨容積的增加緩慢減小.

（3）隨容積的增加，HCW對(duì)飛行器升阻比的提高更加明顯，說(shuō)明HCW對(duì)升力的補(bǔ)償作用.

參考文獻(xiàn)：

[1]KUCHEMANN D. The aerodynamic design of aircraft[M]. Oxford： Pergamon， 1978.

[2]葉友達(dá). 近空間高速飛行器氣動(dòng)特性研究與布局設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 力學(xué)進(jìn)展， 2009， 39（6）： 683694.

[3]WALKER S H， SHERK J， SHELL D， et al. The DARPA/AF falcon program： the hypersonic technology vehicle #2 （HTV2） flight demonstration phase[C]//Proc 15th AIAA Int Space Planes & Hypersonic Systems & Tech Conf， AIAA20082539. Dayton， 2008.

[4]NONWEILER T R F. Delta wings of shapes amenable to exact shockwave theory[J]. J Royal Aeronautical Soc， 1963（67）： 3940.

[5]CUI K， YANG G W. The effect of conical flowfields on the performance of waveriders at Mach 6[J]. Chin Sci Bull， 2007， 52（1）： 5164.

[6]崔凱， 胡守超， 李廣利， 等. 尖/鈍化前緣乘波體壓縮面優(yōu)化分析[C]// 高超聲速專(zhuān)題研討會(huì)暨第五屆全國(guó)高超聲速科學(xué)技術(shù)會(huì)議論文集， CSTAM2012B030305. 桂林： 中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)， 2012.

[7]MANOR D， JOHNSON D B. Landing the waverider： challenges and solutions[J]// Proc AIAA/CIRA 13th Int Space Planes & Hypersonic Systems & Tech Conf， AIAA20053201. Dayton， 2005.

[8]崔凱， 李廣利，胡守超，等. 高速飛行器高壓捕獲翼氣動(dòng)布局概念研究[J]. 中國(guó)科學(xué)： 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)， 2013， 43（5）： 652661.

對(duì)于具有不同容積的構(gòu)型，在容積增加時(shí)，對(duì)升力起主要作用的乘波體和HCW上的升力都大幅增加，故構(gòu)型的升力隨機(jī)體容積的增加而增加.此外，流向的投影面積和壓強(qiáng)都增加，構(gòu)型總的阻力同樣隨機(jī)體容積的增加而增加.以Case 1為例，r=0.6 m時(shí)相對(duì)r=0.4 m時(shí)的升力增加比為1.39，阻力增加比為2.05，r=0.7 m相對(duì)r=0.6 m升力增加比為1.13，阻力增加比為1.43.升力增加比均小于阻力增加比，故構(gòu)型的升阻比會(huì)隨容積的增加大幅減小.添加HCW只是對(duì)其升力進(jìn)行補(bǔ)償，其規(guī)律并沒(méi)有改變.尾部半徑r=0.4 m的構(gòu)型升阻比獲得最大值，然而其容積和升力均比較小，在設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡各方面的需求進(jìn)行選擇.

4結(jié)論

針對(duì)不同容積的乘波體構(gòu)型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比添加HCW前、后的氣動(dòng)參數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于大容積需求的高速飛行器，添加HCW可以有效提升升力和升阻比.

（2）未添加HCW的傳統(tǒng)構(gòu)型升阻比會(huì)隨容積的增加急劇降低，HCW的添加可有效抑制這一趨勢(shì)，升阻比會(huì)隨容積的增加緩慢減小.

（3）隨容積的增加，HCW對(duì)飛行器升阻比的提高更加明顯，說(shuō)明HCW對(duì)升力的補(bǔ)償作用.

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[1]KUCHEMANN D. The aerodynamic design of aircraft[M]. Oxford： Pergamon， 1978.

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對(duì)于具有不同容積的構(gòu)型，在容積增加時(shí)，對(duì)升力起主要作用的乘波體和HCW上的升力都大幅增加，故構(gòu)型的升力隨機(jī)體容積的增加而增加.此外，流向的投影面積和壓強(qiáng)都增加，構(gòu)型總的阻力同樣隨機(jī)體容積的增加而增加.以Case 1為例，r=0.6 m時(shí)相對(duì)r=0.4 m時(shí)的升力增加比為1.39，阻力增加比為2.05，r=0.7 m相對(duì)r=0.6 m升力增加比為1.13，阻力增加比為1.43.升力增加比均小于阻力增加比，故構(gòu)型的升阻比會(huì)隨容積的增加大幅減小.添加HCW只是對(duì)其升力進(jìn)行補(bǔ)償，其規(guī)律并沒(méi)有改變.尾部半徑r=0.4 m的構(gòu)型升阻比獲得最大值，然而其容積和升力均比較小，在設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡各方面的需求進(jìn)行選擇.

4結(jié)論

針對(duì)不同容積的乘波體構(gòu)型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比添加HCW前、后的氣動(dòng)參數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于大容積需求的高速飛行器，添加HCW可以有效提升升力和升阻比.

（2）未添加HCW的傳統(tǒng)構(gòu)型升阻比會(huì)隨容積的增加急劇降低，HCW的添加可有效抑制這一趨勢(shì)，升阻比會(huì)隨容積的增加緩慢減小.

（3）隨容積的增加，HCW對(duì)飛行器升阻比的提高更加明顯，說(shuō)明HCW對(duì)升力的補(bǔ)償作用.

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[7]MANOR D， JOHNSON D B. Landing the waverider： challenges and solutions[J]// Proc AIAA/CIRA 13th Int Space Planes & Hypersonic Systems & Tech Conf， AIAA20053201. Dayton， 2005.

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