常规飞艇与组合式飞艇升阻特性研究

李 琦,薛松海,李大鹏

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230088)

常规飞艇与组合式飞艇升阻特性研究

李 琦,薛松海,李大鹏

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230088)

对常规飞艇和日益受到重视的组合式飞艇升阻特性进行了研究，总结了飞艇升阻特性的主要影响参数及一般规律，为飞艇早期布局形式确定提供了依据。以某飞翼式飞艇为例，与常规飞艇的升阻特性进行了对比分析，得到了两种飞艇升阻特性的特点和高升阻比区域。该分析方法也适用于其它组合式飞艇。

常规飞艇；组合式飞艇；升阻特性

0 引言

主要依靠空气浮力克服自身重力的航空器称为飞艇。飞艇具有技术相对简单和低能耗的特点[1]。飞艇按照升力源可分为常规飞艇和组合式飞艇。组合式飞艇[2]将动力飞行器和静力飞行器的优点组合在一起，以几何尺寸增加不多的情况下获得比常规飞艇更大的运载能力。

升阻比是关系飞艇运输能力的重要属性[3]，与飞行器的最大飞行速度、航程和运载能力直接相关。由于飞机的升力和阻力均是由气动力产生，因此升阻比主要取决于飞机气动布局和飞行姿态角。飞艇的升阻比不但与飞艇相对空气运动受到的空气动力有关，还与飞艇浸没在空气中受到的静浮力有关。本文通过公式推导分析了常规飞艇与组合式飞艇的升阻特性，并分析了影响升阻比地主要因素。以一种飞翼式飞艇为例，计算了该飞艇的气动特性，分析了升阻特性与飞艇体积和飞行速度之间的关系，最后给出了飞艇设计中保持高升阻比的建议。

1 组合式飞艇升阻特性分析

1.1 常规飞艇升阻特性分析

常规飞艇升力即是飞艇的平衡重量，等于飞艇总浮力与囊体内的气体重量之差，是表征飞艇全部携带能力的物理量；阻力由飞艇受到的空气动力产生。常规飞艇升力和阻力的表达式如下：

FL0=V0·pH0·(ρA-ρH)g

(1)

(2)

(3)

由此(3)式可知，常规飞艇升阻比随着体积增大而增大，随着飞行速度增加而减小。这一特点与飞机不同，外形相同的飞机，体积和飞行速度与升阻比没有直接关系。

1.2 组合式飞艇升阻特性分析

组合式飞艇能够提供的升力除了由浮力产生的平衡重量之外还有气动升力；阻力完全由飞艇受到的空气动力产生。组合式飞艇升力和阻力表达式为：

(4)

(5)

其中，V1为飞艇囊体体积，pH1设计工作高度主气囊内浮升气体与囊体的体积比例，ρA和ρH分别为空气和氦气的密度，v为飞艇空速，CD1为飞艇阻力系数，CL1为飞艇升力系数。因此，组合式飞艇的升阻比：

(6)

式中，K1=CL1/CD1，为飞艇的气动升阻比。由两种飞艇升阻比公式(3)和(6)可以看出，组合式飞艇的升阻比由常规飞艇升阻比和飞艇空气动力升阻比两项组成。

1.3 两种飞艇升阻特性比较

不论是常规飞艇还是组合式飞艇，都追求增升减阻达到节能和长航时的目的。换句话说，飞艇在提供相同的升力情况下受到的阻力更小，或者是在相同阻力情况下能够提供更高的升力为优。由于阻力的表达式相对比较简单，因此下文比较在相同阻力情况下两种飞艇可提供的更大的升力。

相同工作环境下，空气密度、飞行速度相同的情况下，由两者阻力相同(FD0=FD1)可得：

(7)

(8)

式中，K1=CL1/CD1为组合式飞艇气动升阻比。当k>1时，组合式飞艇能够提供更大升力；当k=1时，二者能够提供相同的升力；当k<1时，常规飞艇能够提供更大的升力。k越大，组合式飞艇优势越大；反之，常规飞艇优势越大。

由上式可知：

(1)k与飞艇的气动力系数、飞行速度和体积有关；

(2)飞行空速越大，组合式飞艇比常规飞艇有更好的升阻比；

(3)飞艇体积越大，常规飞艇比组合式飞艇有更好的升阻比。

2 案例分析

下面以一个飞翼式飞艇为例对组合式飞艇与常规飞艇效率进行对比分析。飞艇主体为软式充气结构，具备常规飞艇重量分布均匀性好、易于折叠和运输的优点，几何外形如图1所示。此外，相对于常规飞艇，该飞艇具有上下表面比较平坦，易于布置太阳能电池或者雷达阵列天线。

图1 组合型飞艇几何外形

使用ICEMCFD划分多块结构网格，求解器采用基于有限体积法求解N-S方程的CFD软件Fluent[4]。压力速度耦合采用基于压力的SIMPLE算法；湍流模型采用适用于具有大分离和逆压梯度的SSTk-omega[5]湍流模型。计算得到飞艇基本纵向气动力如表1和图2所示。

表1 飞翼式飞艇气动力系数

图2 飞翼式飞艇纵向气动特性曲线

在本案例中，常规飞艇的阻力系数CD0取0.03，主气囊体积比pH0取0.9，重力加速度g取9.8。迎角是飞翼式飞艇产生最大升阻比的迎角，为16°。此时，由式(7)可知组合式飞艇体积只有常规飞艇的3.1%。

图3是组合式飞艇与常规飞艇升力比值k随飞艇体积和空速变化关系图。由图中可以看出：

(1)随着空速增加，比值k增大，组合式飞艇升阻特性更好。飞行速度25m/s以下组合式飞艇效率不如常规式飞艇；

(2)随着飞艇体积增大，比值k减小，组合式飞艇升阻特性优势减小，甚至不如常规飞艇。

图3 两种飞艇升力比与体积、速度关系

图4 两种飞艇效率优势区域图

图4是两种飞艇升阻比优势区域图。图中曲线为临界曲线。在临界曲线下方，常规飞艇能够提供更大的升阻比；在临界曲线上方组合式飞艇能够提供更大的升阻比；在临界曲线上两种飞艇在升阻比相同。

在飞艇设计时，除了要考虑飞艇能够提供的升力外，还应综合考虑两种飞艇结构重量的区别以及两种飞艇布局各自的综合优势(例如飞翼式飞艇具有更小的体积、容易布太阳能电池板，但是比常规飞艇更难维持外形)。在离临界曲线较远的区域一般要采用升阻特性优势明显的飞艇布局形式。

3 结语

本文讨论了组合式飞艇与常规飞艇升阻特性的区别，得到了影响两种飞艇升阻特性的参数。以飞翼式飞艇为例，探讨了两种飞艇保持高升阻比的条件，为飞艇早期设计确定方案提供了参考依据。该分析方法也适用于其它形式的组合式飞艇。如果进一步细化设计，则需要考虑飞艇的结构重量、能源方式、操作性等多种因素。

[1] 甘晓华，郭颖.飞艇技术概论[M].北京：国防工业出版社，2005:1-2.

[2] 曲东才，何宝民.飞艇的研制现状、技术水平及其发展前景[J].飞航导弹，2000 (11)：23-27.

[3] 艾俊强.典型高升阻比飞机气动布局及其发展[J].航空科学技术，2013 (4)：1-5.

[4] 张丹，郭雪岩.平流层双轴椭球体飞艇绕流场的数值分析[J].力学季刊，2008，29(4)：556-564．

[5] 张丽芬，刘振侠，吕亚国.S弯扩压器中四种湍流模型的比较[J].航空动力学报，2008，23(10)：1888-1891.

[责任编辑、校对：张朋毅]

Research on Lift-Drag Characteristics of ConventionalAirship and Hybrid Airship

LIQi,XUESong-hai,LIDa-peng

(Aero plat form Department No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

The lift-drag characteristics of the conventional airship and hybrid airship that are taken increasingly seriously are studied in this paper, the main influencing parameter and the general laws of lift-drag characteristics are summarized, and basis for confirmation of the layout form is provided for the airship design during the early stage.With a flying wing type airship as an example, it is compared with the lift-drag characteristics of conventional airship to obtain the lift-drag characteristics and high lift-drag ratio region.The analysis method is also applicable to other hybrid airships.

conventional airship; hybrid airship; lift-drag characteristics

2015-02-10

李琦(1982-)，男，江苏丰县人，工程师，从事浮空器气动与总体设计工作。

V

A

1008-9233(2015)03-0024-03