垂直起降飞机新型气动布局设计分析

２０１７年４月

第３５卷第２期

西北工业大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ａｐｒ．Ｖｏｌ．３５２０１７

Ｎｏ．２

收稿日期：２０１６?１０?１０

作者简介：王红波（１９８６ ），西北工业大学博士研究生，主要从事垂直起降无人机总体气动设计研究三通信作者：周洲（１９６６ ），西北工业大学教授二博士生导师，主要从事无人机设计研究三

垂直起降飞机新型气动布局设计分析

王红波１，２，祝小平２，周洲１，２，张阳１，２

（１．西北工业大学航空学院，陕西西安一７１００７２；２．西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安一７１００６５）

摘一要：针对常规垂直起降飞机起飞阶段存在的不足，基于螺旋桨滑流诱导增升的设计思路，提出了翼上螺旋桨布局和耦合动力的双层翼布局以提高全机在巡航二悬停二垂直起飞状态下的气动性能三采用ＣＦＤ数值模拟方法研究分析了在二维流动情况下不同布局参数对２种新型布局气动力的影响规律三计算结果表明：通过合理利用螺旋桨滑流，２种布局的升力系数相比于常规拉力螺旋桨布局均有明显的提升，最大升力系数增量可达１４．８％，而阻力系数则急剧减小并出现了负阻力值三在零来流速度条件下，耦合动力的双层翼布局依靠螺旋桨滑流的加速效应能够对翼面诱导出升力，从而可最终减小全机在悬停二垂直起飞阶段的功率需求，这一结果证明了利用滑流诱导增升的思路是可行的三关一键一词：垂直起降；滑流增升；翼上螺旋桨布局；耦合动力双层翼布局；负阻力；诱导升力中图分类号：Ｖ２１１一一一文献标志码：Ａ一一一文章编号：１０００?２７５８（２０１７）０２?０１８９?０８一一垂直起降技术兴起于上世纪五六十年代，美国二前苏联二英国等军事强国都对垂直起降战斗机进行了大量的研究与设计，但由于技术难度较大，真正设

计定型的型号十分稀少三随着无人机技术的迅速发展，将垂直起降技术与无人机技术相结合则逐渐成为一种趋势，尤其是在２０１４年美国国防部正式启动了＂垂直起降试验飞机＂研究计划之后，垂直起降技术在无人机上的应用再次引起了人们的极大兴趣，其中最具代表性的为美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）的ＧＬ?１０［１?２］和ＪｏｂｙＳ２［３］垂直起降无人机三

对于垂直起降飞机的设计，综合国内外［４?８］的研究工作来看，其类型主要有尾座式二倾转机翼式二倾转动力式二升推组合式三然而现有垂直起降无人机的缺点在于：在零来流速度下，全机气动力几乎为零，起飞和降落的完成几乎完全依靠发动机的推力或升力三这一方式将使垂直起降阶段的起飞功率随全机重量的增加而显著增大；而在巡航阶段，全机平飞功率则又明显减小，所以，现有的垂直起降飞行器都存在发动机功率过剩二结构死重大二留空时间短二任务半径小等一系列问题三

本文针对常规垂直起降方式的不足，提出了耦

合动力的新型气动布局，其动力以螺旋桨作为推进装置，通过充分利用螺旋桨滑流进一步提高巡航阶段全机的气动效率，同时，借助于螺旋桨滑流的有利干扰，使其在零来流速度条件下的悬停二垂直起飞阶段仍然能够对机翼诱导出一定的升力，从而最终减小全机起飞二悬停状态所需要的功率三基于这一设计思想，本文使用ＣＦＤ数值模拟方法对提出的新型气动布局进行了详细的二维流动数值模拟，研究分析了布局参数对相应布局气动力的影响规律，从而为三维气动构型设计提供参考三

１　计算方法

在二维气动布局的数值模拟中，复杂的螺旋桨几何模型可由一条直线代替，同时采用基于动量理论的激励盘模型［９?１１］来模拟螺旋桨滑流的影响三激励盘模型的原理是在流场中添加压力源项，使得流场的压力分布在激励盘处产生一个压力阶跃，而压力阶跃的分布也即桨盘前后的压力差则由真实螺旋桨模型的计算结果得到三需要说明的是，对于二维

万方数据