全動水平尾翼轉軸后掠角對鉸鏈力矩的影響

唐小波 王國鑌 胡勇軍 凡小軍 姜彰能

摘? 要：根據某型機高速風洞測壓實驗結果，對不同轉軸后掠角的全動水平尾翼在不同飛行迎角、馬赫數和平尾偏度下的鉸鏈力矩進行了計算，著重研究了全動水平尾翼轉軸后掠角對鉸鏈力矩的影響，對平尾偏度、飛行馬赫數和攻角的影響也進行了分析。計算結果表明，轉軸后掠角對鉸鏈力矩有較大影響，選擇合適的轉軸后掠角對全動平尾設計至關重要。通過比較，當轉軸后掠角在53°～54°范圍鉸鏈力矩為最小。

關鍵詞：全動平尾;轉軸后掠角;鉸鏈力矩

中圖分類號：TJ410? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

在滿足平尾使用技術條件下，盡量降低全動平尾的鉸鏈力矩，是全動平尾設計的關鍵技術之一。[1]某型機設計采用斜軸式全動平尾 ，為了滿足全機協調設計，提出過多種平尾設計方案，根據現有的高速測壓結果，對同一平面外形不同后掠角轉軸的全動水平尾翼在不同飛行迎角、馬赫數和平尾偏度下的鉸鏈力矩進行了計算，分析研究了轉軸后掠角χ、平尾偏度δz、飛行迎角α和M數等對平尾鉸鏈力矩的影響，為平尾轉軸位置的選定提供了參考依據。

1 平尾外形及計算模型

1.1 平尾外形

平尾平面外形如圖1所示。

1.2 計算坐標及模型

采用局部坐標系。在機身左側距飛機對稱面適當處作一平行于對稱面的平面，取左平尾與該平面的交點為左平尾局部坐標系的原點。局部坐標系的X軸向后為正，Y軸向上為正，Z軸向左為正。

為了計算平尾鉸鏈力矩，需建立計算模型。以左平尾為例，沿平尾弦向劃分為m塊，沿展向劃分為n列，將平尾共劃分為m×n個面元塊（見圖2）。嚴格說來，面元塊劃分越多則計算的鉸鏈力矩越準確，實際上面元塊的劃分數量與模型測壓點分布有很大關系，劃分時要根據具體情況而定。

2 計算狀態及方法

2.1 計算狀態

飛行馬赫數：M=0.6， 1.15，1.5。

飛行迎角：

α=-4°，0°，4°，6°，8°，10°，12°，16°， 20°（M=0.6）;

α=-4°，0°，4°，8°，10°，12° （M=1.15）;

α=0°，4°，8° （M=1.5）。

平尾偏度：= -5°， -10°，-20°。

平尾轉軸后掠角：χ=56°，54°， 53°， 52°，51°， 50°。

2.2 計算方法

根據風洞測壓實驗數據，采用插值、積分方法進行計算，計算采用的基本公式如下：

其中為鉸鏈力矩系數， 為壓力系數，為各小塊的面積，為各小塊形心位置到轉軸的距離，為參考面積，為 參考長度，為弦向壓心坐標，為展向壓心坐標。

3 計算結果分析

3.1 轉軸后掠角影響

圖3給出了M=0.6、1.15和1.5，平尾偏度= -10°時平尾轉軸后掠角χ對平尾鉸鏈力矩mj的影響曲線。從圖（a）可以看出，鉸鏈力矩mj隨轉軸后掠角χ增大而不斷增大，χ=50°時，鉸鏈力矩mj最小;圖（b）中，鉸鏈力矩mj隨轉軸后掠角χ增大而增大，χ<51°以后，壓心逐漸向轉軸后移動，mj向負方向增大，最小鉸鏈力矩mj介于χ=50°～51°之間。圖（c）表明，χ<51°，壓心位置幾乎位于轉軸后，mj絕對值隨轉軸后掠角χ減小，最小鉸鏈力矩mj介于χ=53°～54°之間。

3.2 平尾偏度影響

（a） M=0.6，= -10°

（b） M=1.15，= -10°

（c） M=1.5，= -10°

圖4給出了M=0.6、1.15和1.5，平尾轉軸后掠角χ=50°時，平尾偏度對鉸鏈力矩mj的影響曲線。從圖（a）可以看出，在= -5°～-10°范圍，鉸鏈力矩mj隨轉軸后掠角χ增大而不斷增大，當= -20°、α<10°時，壓力中心急劇移向平尾轉軸后，鉸鏈力矩mj反向。從圖 （b）、（c）看出，鉸鏈力矩mj隨平尾偏角 增大而向負方向增大。

3.3 飛行馬赫數影響

圖5給出了χ=50°、= -5°、-10°、-20°時，M對鉸鏈力矩mj的影響曲線。從圖看出，= -5°時，鉸鏈力矩mj隨M增大而減小，壓力中心逐漸靠近轉軸，當> -5°時，鉸鏈力矩mj隨M增大而向負方向增大，壓力中心移至轉軸后。

3.4 飛行迎角影響

從圖3可見，在一定平尾偏度下，在亞聲速時，各后掠角χ下的鉸鏈力矩mj隨α增大而減小。跨聲速時，χ≥56°，除α=-4°外，鉸鏈力矩mj隨α增大而下降。χ<56°，在α=0°～-4°，鉸鏈力矩mj隨α而增大，0°<α≤8°，鉸鏈力矩mj隨α增大而下降。當α>8°、χ<53°，鉸鏈力矩mj隨α增大而逐步回升。超聲速時，α<4°、χ<53°，鉸鏈力矩mj隨α增大而負值增大，α>4°，鉸鏈力矩mj隨α增大而減小。

（a） M=0.6，χ=50°

（b） M=1.15，χ=50°

（c） M=1.5，χ=50°

（a） χ=50°，= -5°

（b） χ=50°，= -10°

（c） χ=50°，= -20°

4 結論

本文根據風洞測壓實驗結果，對同一平面外形不同后掠角轉軸的全動水平尾翼，在不同飛行迎角、馬赫數和平尾偏度下的鉸鏈力矩進行了計算，分析研究了轉軸后掠角χ、平尾偏度δz、飛行迎角α和M數等對平尾鉸鏈力矩的影響，為平尾轉軸位置的選定提供了參考依據。結果表明，后掠角對鉸鏈力矩影響較大，該平尾轉軸位置適宜在后掠角χ=53°～54°范圍，此時產生的平尾鉸鏈力矩為最小。

參考文獻

[1] 《航空氣動力手冊》編寫組.航空氣動力手冊：第一冊[M].北京：國防工業出版社，1983.6.

[2] 《航空氣動力手冊》編寫組.航空氣動力手冊：第二冊[M].北京：國防工業出版社，1983.6.

[3] 孔德永，吳桂馥.舵面鉸力矩的估算[J].空氣動力學學報，2005，23（2）：263-266.

收稿日期：2019-11-28

作者簡介：唐小波（1979—），男，四川綿陽人，碩士，高級工程師，研究方向：飛機總體設計。

圖已經改到最清楚了，作者回復先這樣排