固定翼微型飞行器展弦比对气动特性的影响

2021-06-02余春锦

南昌航空大学学报（自然科学版） 2021年1期

王芳，余春锦

（南昌航空大学飞行器工程学院，南昌 330063）

引言

MAV（Micro Aerial Vehicle微型飞行器）是20世纪90年代中期源自军事目的而发展起来的一种新型飞行器[1]，至今方兴未艾[2]。1992年，美国兰德公司在提交给美国DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency国防高级研究计划局）的一份关于未来科技与军事的研究报告中第一次提出了MAV的概念。此后，麻省理工学院的林肯实验室和美国海军研究实验室对MAV的可行性进行了更加深入的评估，并制定了一项旨在发展微型飞行器的计划。根据DARPA提出的要求，一般认为微型飞行器的基本指标是[3-4]：飞行器各项最大尺寸不超过15 cm，最大航程1～10 km，续航时间20～60 min，质量10～100 g，巡航速度约30～60 km/h。在DARPA的资助下，美国Aero Environment（航空环境）公司研制的“黑寡妇”微型飞行器[5]为满足飞行器尺寸限制在15 cm的要求选择了盘形布局，使其机翼面积最大；其形状象个圆盘，飞行速度为48 km/h，飞行时间为22 min。真正可以适合于军用系统的微型飞行器应该具有下述要求[6]：首先能携带全天候的近距离成像系统，且发送目标区域内的重要细节且能让操纵人员分辨；其次具有准确定位能力；再次能够放在士兵的背包里，以便携带，故要求重量轻、坚固耐用；最后不易被敌人发现，造价得到控制。

许多单位的研究者在固定翼微型飞行器的布局研究方面也做了不少工作，取得了一定的研究成果。西北工业大学李占科教授[7]在柔性翼抗风能力，增加飞行器稳定性、固定翼的布局研究等方面进行了相当的研究工作。南京航空航天大学[8]、上海大学[9-10]近些年也对微型飞行器做了大量的研究工作，固定翼方面也取得了相当的成就。比如采用梯形为平面形状加下置翼尖端板的“翠鸟”MAV，反齐莫曼为平面形状上置翼尖端板的“云雀”MAV。但是专注于研究升力体展弦比对MAV气动特性影响的工作比较少见，本文主要致力于分析MAV展弦比对其气动特性与操纵性的研究工作。

1 计算方法

对飞行器气动外形进行设计时，需要精确的计算飞行器所在流场的流动特性。与高雷诺数常规飞行器相比，MAV在该雷诺数范围内气动特性和流场结构明显不同。随着Horton[11]、Mueller[12-14]、Selig[15]对低雷诺数范围内翼型气特性和流场机理的一系列相关试验研究，人们对低雷诺数气动特性有了初步的认识和掌握。对低雷诺数来说，即使在不强的逆压梯度作用下，流动也会发生层流分离并转捩至湍流形成层流分离泡。文中的计算网格都是采用了点对点对接的结构块网格形式和求解耦合S-A湍流模型的雷诺平均N-S方程的方法，同时分析了不同网格疏密程度对计算精度的影响。

对于粘性绕流，物面边界条件的处理相对简单，仅要求各速度分量在物面上都为零。对于粘性绕流，在物面处，数值计算中使用无滑移、绝热壁条件：

其中，xt,yt,zt为物面运动速度，由物体运动规律给定，当研究定常绕流时，xt=yt=zt=0。边界上的压强通过从计算域线性插值给出。考虑到理想气体状态方程p=ρRT，压力和温度均满足法向零梯度的条件，因此，密度在物面也满足法向零梯度条件：

2 计算模型

MAV翼面形状以目前国内外普遍使用的反齐莫曼形为本文研究基础。根据微型飞行器的调研结果，总结归纳出国内外绝大多弦长是15 cm的微型飞行器的展弦比都在0.5～2之间，故将展弦比分为0.5、1、1.5、2四种进行分别对比分析研究，翼型采用NACA4415。本文涉及的网格均为结构网格转换成非结构网格进行计算，拓扑结构是“O”型。网格的大小是120*100*57，共计网格有684 000个单元。网格示意图如下图1所示（以AR = 1.5为例）。计算条件是飞行速度为10 m/s，无限远处的压强为标准大气压，雷诺数为1.02 × 105。

图1 展弦比是1.5的反齐莫曼形网格图

图1为展弦比是1.5的反齐莫曼形的气动网格的对称面和机体表面的网格，能够较为清晰的反映网格疏密程度。

将上述4种展弦比的几何模型按上图所示进行网格划分，分别计算攻角−4°～22°，中间以2°作为梯度。

3 计算结果

展弦比对于微型飞行器来说比对常规飞行器的影响更大，也更复杂。这主要是由于展弦比直接影响翼尖涡的大小及作用范围。经计算得出下面四种展弦比的气动特性曲线，如图2～图4所示。

图2 升力特性曲线

从图2可以看出，在小攻角的情况下，展弦比大具有绝对优异的升力性能；但是在大攻角下，AR=2模型升力性能就下降得比较明显。在攻角为10°到22°，AR= 2模型升力系数就开始低于AR=1.5模型，甚至比AR= 1模型还要差。AR= 0.5模型升力特性虽然一直在增加但是其升力系数始终没能大于其他构型。总体看来，AR= 1.5模型既能保持大展弦比的高升力又能较好地避免大攻角时的气流分离带来的不利影响。图3中可以看出AR=1.5和AR= 2的模型在攻角小于10°时，升阻比相当，但到大攻角时，AR= 2的气动性能下降明显，而AR= 1.5的模型就有大的优势。从图4中知道，纵向力矩系数的绝对值和升力系数成正比，并且斜率大代表纵向力矩系数随着攻角变化明显，即对攻角变化较为敏感，舵面的灵敏度较高。

图3 升阻比特性曲线

图4 纵向力矩特性曲线

图5～图8为4种展弦比在攻角为8°时上翼面压力云图。

从图5～图8可以看出：展弦比小的构型上翼面高压区所占比例较大，不适合作为MAV设计选择；展弦比较大构型的上翼面低压区较大，高压区相对较小，从而有利于升力特性。展弦比较小还会因机翼面积过小导致翼尖涡影响太大，从而降低气动特性。为了得出翼尖涡的影响范围，同时为了进一步验证得出的结论，图9～图12显示了4种展弦比的翼尖截面速度矢量图。

图5 AR = 0.5模型上翼面压力分布图(α = 8°)

图6 AR = 1模型上翼面压力分布图(α = 8°)

图7 AR = 1.5模型上翼面压力分布图(α = 8°）

图8 AR = 2模型上翼面压力分布图(α = 8°)

图9 AR = 0.5模型翼尖涡速度矢量图(α = 8°)

图10 AR = 1模型翼尖涡速度矢量图(α = 8°)

从图9～图12而得知展弦比为0.5和1时在翼尖处产生的涡强度较强，影响范围很大。而到了AR= 2时，就可以明显看出，翼尖涡影响的范围就减少了许多；展弦比小，翼尖涡影响较大。

AR= 0.5模型被翼尖涡影响较大，致使下翼面出现大面积低压区。展弦比较大，影响的范围较小。从而可知展弦比对微型飞行器来说较为敏感，主要是由于展弦比虽然不能完全决定翼尖涡的大小，但是可以影响翼尖涡作用的范围。

图11 AR = 1.5模型翼尖涡速度矢量图(α = 8°)

图12 AR = 2模型翼尖涡速度矢量图(α = 8°)

4 网格疏密对计算结果的影响

考虑到网格疏密程度与网格质量对计算结果精度的影响，最后从15 cm固定翼微型飞行器气动分析常用的网格数量范围50～100万数量级区间中选出50万、70万与100万3种网格数量分析同一飞行器升力体的升力系数、升阻比以及俯仰力矩系数的区别。网格质量主要是Skewness等参数，划分网格时基本保证在同一水平，网格数量对计算精度的影响如图13所示。