宽速域无尾布局气动焦点变化规律研究

戴旭平 王霄 卢恩巍 张璇 王泽宇

摘要：水平起降、宽速域飞行的高超声速飞机是航空技术的一个重要发展方向。这类飞机常采用无尾布局形式，该布局全速域气动焦点移动范围大，且舵面配平能力有限，纵向稳定性设计是一项关键技术。本文针对典型的宽速域无尾布局概念方案，通过数值仿真方法，研究了不同前体截面形状、边条平面形状和前机身长度的宽速域气动焦点变化规律，并重点关注了高超声速相对低速的焦点前移问题。研究结果表明，前机身长度对高超声速相对低速焦点前移的影响最明显；前机身越长，高超声速相比低速焦点前移趋势越明显。亚、跨和低超声速范围，尖侧缘脊型和下表面平面的半圆形前机身截面相比椭圆截面使焦点小幅前移；高超声速范围前机身截面形状对焦点影响较小。边条平面形状对高超声速相比低速气动焦点前移量影响较小。本文的研究结果可为此类宽速域无尾布局设计提供参考。

关键词：气动焦点；宽速域；高超声速；前機身；边条

中图分类号：V221.3文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.012

水平起降高超声速飞机具有使用灵活、生存力强的优势，近年来成为国外航空航天领域研究重点之一。在此背景下，波音公司和洛克希德-马丁公司分别发布了Manta[1]和SR-72飞机[2]，该类飞机采用并联涡轮基组合循环（TBCC）动力，巡航速度为马赫数6～7，主要用于高超声速情报、监视和侦察（ISR）与打击。这两型飞机采用大后掠小展弦比菱形薄机翼、无尾、机体推进高度一体化的气动布局形式。

该类布局俯仰力矩设计具有如下特点：首先，从亚声速、超声速到高超声速，升力产生机制逐渐由翼面环量升力过渡到全机迎风面压缩/背风面膨胀升力，因此机身尤其是高度一体化的宽扁前体对高超声速范围内气动焦点的影响尤其显著，导致宽速域焦点变化范围大；其次，高超声速机体/推进一体化技术是制约总体性能提升的关键技术[3-4]，而高度一体化的上下非对称推进系统不同工况对零升俯仰力矩影响量大；最后，无尾布局由于俯仰操纵面力臂较短，高超声速翼面/舵面升力线斜率小，俯仰操纵能力较低。因此气动焦点、重心位置、零升俯仰力矩和俯仰操纵能力的匹配设计，是机体推进高度一体化的高超声速无尾气动布局设计的重点之一。

高超声速相对低速气动焦点过于靠后，可能导致高超巡航点纵向静稳定度过大，配平损失过大；高超声速相对低速气动焦点过于靠前，可能存在高超巡航点纵向静不稳定度过大的问题，导致配平损失过大，且难以满足操稳特性要求。因此，气动焦点变化规律对于无尾布局高超声速飞机气动布局设计至关重要。本文重点研究无尾布局宽速域气动焦点变化规律，并分析其主要影响因素。

1背景方案

无尾气动布局相比正常式气动布局，具有跨超声速阻力低的优势[5]，因此国外多型宽速域飞机采用无尾布局，如“幻影”2000、“黑雨燕”、SR-71和XB-70等。

通过文献测绘三面图[6]，并构建初步三维数模，采用数值仿真方法（详情见本文第2节）获得了上述4型飞机Ma0.3～4.0范围小迎角气动焦点，如图1所示。从亚声速到跨声速，上述几型飞机气动焦点随马赫数增加迅速后移，变化规律基本一致；但进入超声速以后，不同布局气动焦点随马赫数增加的变化规律存在显著差异；不同布局高马赫数相比低速气动焦点前移或后移量明显不同。

本文研究对象为大后掠菱形机翼无尾翼身组合体（见图2）。研究前体截面形状、前体长度和边条对气动焦点的影响。

2计算方法及验证

本文采用k-ε湍流模型的雷诺平均N-S方程求解湍流平均流场，即把流场变量分解为平均量和脉动量两部分，代入全N-S方程并取平均，在Morkovin假设下得到关于平均量的方程。空间离散格式采用AUSM格式，采用绝热和无滑移边界条件。

计算采用四面体非结构网格。为模拟边界层内流动，物面采用棱柱层网格，壁面y+值在1.0附近。

为验证数值仿真方法的可靠性，对AGARD-B标模[8]（见图3）开展典型马赫数小迎角数值仿真。

表1对比给出了Ma=0.7、2.0和4.0小迎角范围升力线斜率和气动焦点的数值仿真和风洞试验结果[9-10]。仿真和试验结果差别不大；两者升力线斜率最大偏差0.0011，焦点位置最大偏差1.1%cA，表明计算方法合理可靠。

3前体及边条对气动焦点影响研究

3.1前体截面形状

以翼身组合体非通气模型为对象，研究了5种前体截面形状，分别定义为A、B、C、D和E。前机身截面宽度相同，高度和截面形状不同，详情见图4和表2。

通过数值仿真，获得了不同前体截面形状翼身组合体Ma=0.3～6.0范围气动焦点，如图5所示。A、B和C对比可以看出，前体宽度相同情况下，椭圆形截面宽高比对翼身组合体气动焦点影响不大。宽度和宽高比相同情况下，亚、跨和低超声速，尖侧缘脊型D和下表面平面的半圆形截面E相比椭圆截面B焦点前移1.0%～2.0% cA左右；高超声速不同截面焦点差别不大。

3.2边条平面形状

通过数值仿真，获得不同边条翼身组合体宽速域气动焦点。结果表明：相同马赫数，从S0加长到S3，随着边条相对面积矩增加，焦点前移量基本成线性增加，如图9和图10所示。不同边条方案高超声速相比低速焦点前移量基本一致，在4.0% cA左右。

图11和图12给出了迎角4°，不同边条翼身组合体典型展向截面压力系数分布曲线。Ma0.3时，边条S0截面升力主要来自翼型上表面前段的吸力；边条加长至S3，上表面前段吸力位置前移，从而导致升力增量前移，焦点随之前移，如图11所示。Ma6.0时，边条S0截面升力主要来自翼型下表面前段的激波压缩升力；边条S0加长至S3，下表面前段压缩升力随之前移，从而导致升力增量前移，焦点随之前移，如图12所示。

3.3前机身长度

4风洞试验

为满足宽速域操稳需求，减小高超声速相比低速焦点的前移量，同时兼顾超声速阻力和进气道调节便利性，方案选取前机头H0、边条S3和前机身半圆形截面。采用上述构型的翼身组合体通气模型，在中国航天空气动力技术研究院的FD06和FD07分别开展了优选布局Ma0.4～4.0和Ma5.0～6.0全机测力风洞试验。试验结果表明，数值仿真和风洞试验气动焦点随马赫数变化规律一致，量值相差不大（见图18）；Ma6.0相对Ma0.4焦点前移量为3.2% cA，满足宽速域操稳特性需求。

5结论

本文针对某高超声速大后掠菱形机翼无尾布局通气模型，开展了前体截面形状、边条平面形状和前体机身长度对气动焦点影响的研究，主要结论如下：

（1）亚、跨和低超声速范围，尖侧缘脊型和下表面平面的半圆形前机身截面相比椭圆形截面使焦点小幅前移；高超声速范围前机身截面形状对焦点影响较小。

（2）相同马赫数，焦点前移量与边条相对面积矩基本成正比；不同边条高超声速相比低速焦点前移量差别不大。

（3）增加前体长度，各马赫数焦点前移量与俯视增加面积的相对面积矩基本成正比。相比前机身截面和边条，前机身长度对高超声速相对低速焦点前移的影响最明显；前机身越长，高超声速相比低速焦点前移趋势越明显。

参考文献

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[9]Hartzuiker J P. A Review of measurements on AGARD calibration model B in the Mach number range from 1.4 to 8[R]. NLR Report MP.200，1958.

[10]Coats Jack D. Force tests of on AGARD calibration model B at Ma=2.5 to 6.0[R].AEDC-TN-60-182，1956.（责任编辑王昕）

作者简介

戴旭平（1980-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：飞机气动布局设计。

Tel：18640065010

E-mail：t18640065010@qq.com

王霄（1981-）男，博士研究生，研究员。主要研究方向：飞机气动布局及进排气设计。

Tel：024-26784102E-mail：alenwx@126.com

Investigation on Aerodynamic Center of Tailless Configuration Under the Wide Mach Number Range

Dai Xuping*，Wang Xiao，Lu Enwei，Zhang Xuan，Wang Zeyu

AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China

Abstract： Hypersonic aircraft which could take off and land horizontally and fly at wide-range Mach number is a key development direction in the aviation technology field. Tailless configuration is used for this kind of airplane. This tailless configuration is featured with the wide range movement of aerodynamic center and limitation of pitch balance ability， so the design of longitudinal stability is a critical technology for the aircraft. In this paper， numerical simulation is employed to research the aerodynamic center with different forehead section shapes， forehead length and straws for a tailless configuration of wide-range mach number. The result indicates that the forehead length is crucial for the aerodynamic center forward movement from low speed to hypersonic. The longer the forehead is， the further the aerodynamic center moves forward from low speed to hypersonic. The shape of straw has less impact on the aerodynamic center forward movement from low speed to hypersonic. The study results provide reference for the tailless configuration under wide-range Mach number.

Key Words： aerodynamic center； wide-range mach number； hypersonic； forehead； straw