地效翼艇三维组合翼气动特性计算分析

叶新苗 刘 毅 钱智声

1南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京210016 2同济大学 航空航天与力学学院，上海200092

地效翼艇三维组合翼气动特性计算分析

叶新苗1刘 毅2钱智声2

1南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京210016 2同济大学 航空航天与力学学院，上海200092

地效翼布局和翼型选择在很大程度上决定地效翼艇的性能和效能，对地效翼艇的设计至关重要。文章根据地效翼布局和翼型的特点，采用基于升力面理论的镜像法计算三维组合地效翼和简单地效翼在地效区和超出地效区的纵向气动特性参数，分析布局型式和外形参数对地效翼气动特性的影响。得到的组合翼在地效区内外比简单地效翼具有更好的升阻特性的结果，表明组合翼布局适合于掠海高飞型地效翼艇，研究也为地效翼布局型式、外形参数选择以及吹风模型制作提供了依据。

组合翼；气动特性；升力面理论；镜像法；地效翼艇

1 引言

地效翼艇是一种利用地面效应在贴近水面的地效区内快速航行的高性能船舶，能够在水面上安全起降，航行速度比普通船舶快十几倍，既具有水上运输低成本、大运载量、安全可靠的优点，又具有空运的速度，用途十分广泛。具有掠海高飞能力的C类地效翼艇为兼顾地效区和非地效区的气动和操稳特性，气动布局上常采用主翼、端板加辅助翼的组合翼布局型式，保证其既能在地效区内高效稳定航行，又能在地效区外长时间飞行，大大提高了其环境适应能力和应用范围［1］。近年来世界各国掀起了一场发展地效翼艇的热潮，目前公布的型号大多数具有掠海高飞的能力，典型代表如美国波音公司发展的 “鹈鹕”超大型地效飞行器，最大起飞重量约2 700 t，有效载荷达1 270 t，地效区飞行高度为6 m左右，最大飞高可达6 000 m。

由于地效翼艇设计理论尚不完善，地效翼艇的设计基本借鉴飞机和船舶设计的理论和方法。飞机概念设计过程中通常采用大量的经验和半经验公式，以及统计数据来估算机翼的外形参数和气动参数，然后通过风洞试验进行验证和优化。由于地效翼艇在地效区内气动特性随高度和攻角呈非线性剧烈变化，周围流场复杂，目前尚无足够的统计数据和经验公式用于估算地效翼外形参数、气动和性能参数，很难初步选定其外形参数用于制作吹风模型；又加上同时考虑攻角和高度变化对气动特性的影响，风洞试验测量点较多，所需吹风时间长，成本很高，因此按设计要求初步给出地效翼外形参数及比较合理的吹风模型显得十分重要，可以大幅度减小吹风时间。随着计算机技术的发展，数值模拟计算在地效翼外形参数选择和气动特性分析中发挥着越来越重要的作用，主要的气动计算方法有基于升力面理论的镜像法、求解N－S方程的有限体积法、基于势流的BEM、基于基本解叠加的面元法等，这些方法各有特点和适用范围，能够快速预报地效翼的气动特性［2，3］。本文采用基于升力面理论的镜像法计算三维组合地效翼和简单地效翼在地效区和超出地效区的纵向气动特性参数，能够根据气动要求对地效翼外形参数进行初步验证，为外形参数优化以及制作较为精确的吹风模型提供一定的依据，以减少风洞试验时间，缩短研制周期，降低研制成本。

2 地效翼型式和翼型

2.1 地效翼型式

在总体设计阶段，首先需要根据总体技术指标和设计要求初步选择地效翼艇布局型式。与普通飞机相比，地效翼艇一般选择大安装角小展弦比地效翼，多采用T型尾翼，发动机置于船身背部，船型艇身无起落架布局。地效翼布局型式主要有两大类：简单型和组合型。简单型大体上又分为两种，第一种是宽矩形翼两侧加端板的布局，端板与下翼面、水面之间形成高压腔，阻止翼下高压气体在翼尖处流向上翼面，使升阻比增加，采用下反翼也有相同效果，大攻角贴表面飞行时地效作用明显，如俄罗斯的“里海怪物”、“雌鹞”和“小鹰”号等都是这种布局；另一种是前缘平直、后缘前掠的小展弦比倒三角翼布局，同时有较大的下反角和几何扭转，在下翼面和水面之间形成高压腔，地效作用明显，且压心位置靠前，有利于纵向稳定，如德国FS－8、我国的“信天翁”系列等［4］。组合型地效翼一般采用小展弦比矩形翼加端板，端板兼作浮舟，外侧再加一对展弦比稍大、具有一定上反角的梯形辅助翼，有的还在辅助翼端部加翼尖小翼；在地效区飞行时，主要由主翼和端板的组合在较强的地效作用下产生升力，辅助翼也产生小部分升力，同时改善地效翼气流绕流特性和气动品质，起到横侧稳定性作用，当超出地效区时，小展弦比主翼产生的升力迅速下降，无法满足长时间高飞的需求，这时辅助翼对总升力的贡献变大，保证地效飞行器能长时间高飞。组合翼布局兼顾了地效航行和高飞的需要，在地效区航行时能产生较强的地效作用，长时间高飞时性能也很好［5］。

2.2 地效翼型

地效翼的翼型选择和研究应注重以下几个因素：

1）地面效应强；

2）压心和焦点随相对飞高变化的移动量小；

3）与水动力配合协调性好；

4）考虑动力增升的需要。

由于地效翼气动特性随相对飞行高度呈非线性变化，飞高越小，非线性越明显，所以一般采用独特的反S形翼型，其上翼面能产生较强的负压，下翼面能产生较强的正压，中线为反S形，后缘附近区域升力向下，产生抬头力矩。与飞机上大量使用的NACA翼型相比，该翼型压力中心较靠近前缘，且压心位置Xcp和焦点位置Xac随飞高变化较小，分别在地效区航行和高飞时，全艇的俯仰力矩变化不会太大，有利于纵向稳定［5］。

3 气动计算模型

本文采用基于升力面理论的镜像法计算地效翼的气动特性，图1所示为典型地效翼艇的组合翼和艇身中段的布局型式，飞行高度为主翼后缘最低处距离水面的高度，相对飞高为飞行高度与主翼弦长的比值。

建立右半地效翼几何模型，采用非平面涡格法，分别在主翼、辅助翼的中弧面上进行网格划分，弦向采用等角法划分，展向采用等间隔法划分［6，7］；将端板简化为一平面，网格划分与主翼中弧面合拍，端板超出主翼前缘部分长度为LB，采用等间隔法划分网格。主翼沿展向划分为SN列，沿弦向划分为CN行，共有NN＝SN×CN个网格，端板共有NB＝SB×CB个网格，辅助翼共有NW＝SW×CW个网格，故右半翼共有N＝NN＋NB＋NW个网格。右半翼通过纵向对称面镜像出左半翼，地面效应通过左、右地效翼对地面的镜像来模拟。如图2所示。

图1 典型组合翼和艇身布局型式

图2 组合翼网格划分和机翼镜像

在每个四边形网格上布置一个四边形常值涡环，其前缘布置在网格1／4弦长处，相邻涡环的边缘重合在一起，控制点取在网格3／4弦长处的中点上，在尾迹上也布置常值涡环，则共有N′＝N＋SN＋SB＋SW个涡环。建立气流坐标系，OX轴指向气流方向，OZ轴位于纵向对称面内，垂直于OX轴；OY轴垂直于OXZ平面，指向右，XOY平面与水面重合。理想不可压势流场中，各点都满足Laplace方程：

式中，Φ＝φ∞＋φ；φ∞为来流速度势，φ为诱导速度势［6，7］。右半翼上第j个涡环对第i个网格控制点的诱导速度为：

Qj表示第j个涡环四个角点的坐标，第i个网格控制点受到右半翼的诱导速度为：

通过纵向对称面对网格的镜像，得到左半翼第j个涡环对右半翼第i个网格控制点的诱导速度：

则左半翼对右半翼第i点的诱导速度：

有地效作用时，通过地面对网格的镜像，得镜像翼对右半翼第i个控制点的诱导速度［7，8］：

则第i点的总诱导速度为：

在物面上满足不可穿透条件：▽2Φ·＝0，即（ui，，得N个方程；在后缘处满足库塔条件γT.E.＝0，得SN＋SB＋SW个方程；则方程组封闭可解，得Γi，i＝1，2，…，N。分别计算主翼和辅助翼每一网格的升力、诱导阻力和力矩，m为网格弦向序号，n为网格展向序号。根据Kutta定理得：

则主翼的升力、诱导阻力和力矩是：

同理可计算出辅助翼的升力LW、诱导阻力DW和力矩MW等。则组合翼的升力、诱导阻力和力矩分别是：

攻角焦点和高度焦点位置分别是：

攻角焦点和高度焦点的位置和变化范围是影响全艇稳定性的重要参数。

编写程序计算采用Glenn Martine 21翼型、展弦比为1.0的地效翼，相对飞高为0.176时的升力系数，与文献［9］中的试验数据相比较，如图3中的曲线所示。结果比较接近，该程序可用于地效翼艇总体设计阶段的纵向气动特性估算。

图3 升力系数比较

4 算例

采用该方法计算组合翼和简单地效翼的气动特性参数，右半翼平面图如图4所示。主翼、辅助翼均采用相对厚度为9%、最大弯度为4%的反S翼型；主翼弦长CN＝2.0 m，半翼展长BN＝1.5 m，无下反；端板高度hB＝0.16 m，伸出主翼前缘长度LB＝0.4 m；辅助翼根弦长CW1＝1.2 m，翼稍弦长CW2＝0.6 m，半翼展长BW＝1.8 m，前缘后掠9.46°，无上反；辅助翼翼根前缘和主翼翼尖前缘之间的距离L1分别为0.0 m和0.4 m。

图4 组合翼右半机翼平面形状

计算结果如图5（a）～（i）所示，表明主翼加端板后增加了有效展弦比，比单独主翼有明显增加，诱导阻力系数减小，同时高度焦点和攻角焦点前移，飞高越低、攻角越大时，变化的幅度越大。在端板外侧加辅助翼后，CL，C增大，尤其是大飞高时增加明显，诱导阻力系数变化不大，表明采用组合翼布局的地效翼艇具有良好的掠海高飞能力；同时高度焦点和攻角焦点位置有显著变化，这与辅助翼的前后位置有关，辅助翼越靠后，越大，焦点越向后移动。

图5 各种布局型式的纵向气动特性

5 结论

本文采用基于升力面理论的镜像法计算简单地效翼和组合地效翼的纵向气动特性，结果表明：与单独主翼的地效翼型式相比，主翼加端板的布局型式具有更好的升阻特性，而且飞高焦点和攻角焦点位置更靠前，对纵向稳定性更有利。与前二者相比，采用组合翼型式的地效翼艇在地效区和地效区外都具有前二者不及的升阻特性，掠海高飞性能突出，但其飞高焦点和攻角焦点位置会随辅助翼相对主翼的前后位置发生显著变化，辅助翼位置越靠前，组合翼的焦点位置越靠前，反之则组合翼焦点位置越靠后，因此，辅助翼的前后位置对纵向稳定性有很大的影响。由于气动特性在地效区内变化剧烈，风洞试验繁琐复杂，成本很高，在缺乏统计数据和经验公式的情况下选择组合翼外形参数十分困难，因此在总体设计阶段，采用基于升力面理论的镜像法，能够在一定程度上快速预报地效翼在地效区和地效区外的纵向气动特性。在此基础上，根据设计要求对地效翼外形参数进行修正和优化，为地效翼艇总体设计阶段选择地效翼布局型式、优化外形参数、位置参数以及制作吹风模型提供一定的依据。

［1］GADALOV V V，GAPPOEV M A，KUTEYNIKOV M A.Wing－In－Ground（WIG）craft（Ekranoplan）.Practical Aspects of the Classification and Survey According to RS instruments［C］.Ninth International Conference on Fast Sea Transportation.Shanghai：CSSRC，2007：76－79.

［2］杜莉，杨向晖，叶恒奎，等.二维地效翼气动性能计算研究［J］.中国舰船研究，2008，3（4）：50－53.

［3］张亮，陈荫荫，吴德铭，等.二维地效翼气动力的计算和性能研究［J］.船舶力学，2000，4（2）：1－5.

［4］叶永林.地效翼船总体性能设计技术 ［J］.船舶力学，2002，6（5）：95－103.

［5］曾锐，昂海松.“天使鸟”号地效翼艇的设计与试航［J］.兵工学报，2006，27（2）：380－384.

［6］钱翼稷.空气动力学［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［7］KATZ J，PLOTKINA.Low－speed Aerodynamics［M］.Second edition.Cambridge：Cambridge University Press，2001.

［8］CHO J，HAN C，MOON Y，et al.Aerodynamic analysis and design of an aero－levitation electric vehicle［R］.AIAA 2001－2435，2001.

［9］PARK K，HONG C H，KIM K S，et al.Effect of endplate shape on performance and stability of wings－in－ground（WIG）craft［J］.Proceedings of World Academy of Science，Engineering and Technology，2008，30（7）：913－919.

Computational Analysis on the Aerodynamic Characteristics of Combined Wing of WIG Craft

Ye Xin－miao1Liu Yi2Qian Zhi－sheng2
1 College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China 2 College of Aerospace Engineering and Mechanics，Tongji University，Shanghai 200092，China

The layout and airfoil play an important role in WIG craft design for their great effect on the performance and effectiveness.Taking into account of the characteristics of the airfoils and configuration layouts of the wings of WIG craft，the longitudinal aerodynamic characteristics in and out of ground effect of combined and simple wings were calculated based on the lifting－surface solution and the ground effect was simulated with a mirror image wing，and the effect of the layout and geometric parameters on the longitudinal aerodynamic characteristics of wings of WIG craft was analyzed.The results show that the lift and drag characteristics of combined wings are better than simple wings both in and out of ground effect，and that the combined wings are fit for sea－skimming and high－flying WIG craft.The study also provides the basis for the selection of layout and geometric parameters of wings and the wind tunnel models for WIG craft.

combined wing；aerodynamic characteristics；lifting－surface solution；mirror image wing；WIG craft

U674.77

A

1673－3185（2009）04－22－06

2009-03-19

叶新苗（1983－），男，硕士研究生。研究方向：飞行器总体设计。E-mail：yxm831113＠yahoo.com.cn

刘 毅（1965－），男，教授，博士生导师。研究方向：飞行器一体化设计、材料与结构设计、可靠性工程。E-mail：liuyi.chine＠126.com

钱智声（1936－），男，教授。研究方向：飞行器总体设计，地效翼艇总体设计。E-mail：qianzs＠263.net