微小型飞行器气动布局设计与试验验证

微小型飞行器气动布局设计与试验验证

1微小型航天器的研制难点通常，雷诺数为10，这是航空领域的普遍现象。在雷诺数为10由于微小型飞行器飞行速度和风速为同一量级,风速的变化会造成雷诺数的剧烈变化,从而使按先前常规思想设计的飞行器气动性能、稳定性、操纵性急剧恶化,飞行性能受到严重的影响。当前学术界公认的微小型飞行器的研制难点在于以下几个方面:(1)提高飞行器的飞行稳定性;(2)增强抗阵风或突风载荷的干扰能力2小型机翼结构失速抗突风能力分析微小型飞行器在飞行过程中受到突风载荷的作用,由于本身的转动惯量小,飞行器的迎角变化剧烈。抗突风能力在一定程度上取决于飞行器失速迎角的大小,失速迎角越大,其抗突风能力就相对越好。所谓的极端设计要求是指在极端恶劣气候环境(突风载荷作用)下能完成自主航拍任务。具体要求是:(1)失速迎角在30°附近;(2)抗风能力达到抗3～4级风力;(3)稳定性适于航拍。在极端条件下进行飞行的主要核心在于有效提高飞机抗突风能力。图2是本课题组进行小型无人飞行器设计课题研发的整体思路框架示意图。为有效地提高失速迎角,本文采用76/30边条和主翼,如图3所示。这种设计结构可有效减小由于飞行过程中迎角变化对微小型飞行器飞行状态的干扰,进而大幅度改善微小型飞行器的抗风飞行性能,从而保持飞行器的稳定性对于微小型飞行器设计而言,翼型的选择尤为关键从加工工艺角度考虑,相比之下S121012%的二维结构最为复杂;从几何外形考虑,其弯曲且薄的机翼后缘受力状态类似于薄板的边缘加载集中载荷,易受损伤,不易进行加工与后期的维护。取飞行雷诺数Re=10从图4中可以看出:E591与S121012%的升力阻力系数较为相似,而在相同迎角下,S121012%由于其后缘采用的大弯度结构,气流通过机翼下表面滞留时间相对较长,能够获得相对较大的升力系数;然而在失速后,ClarkY翼型仍能保持一定升力,E591与S121012%相比之下过失速升力性能较差。ClarkY翼型的这种特性与设计的基本要求吻合。在阻力气动特性方面,在大于10°迎角情况下,S121012%阻力系数急剧增加,而ClarkY翼型增加幅度较小;在升力气动特性方面,在大于10°迎角情况下,S121012%升力系数的导数趋近于0,不再增长。而E591翼型相比ClarkY翼型来说,阻力系数明显较大,综合考虑本文设计采用ClarkY翼型。3结构网格的数值模拟计算验证根据上文所述,可将飞机的基本设计尺寸确定,但由于低雷诺数的数值计算可靠性较低,本文将数值模拟计算作为设计的初步定性分析工具,以具体的风洞试验作为分析气动性能的定量方法。图5是飞机的结构网格与实际外形。进行气动性能初步验证,为微小型飞行器进行定性的分析。在本次计算中主要采用结构网格,极小部分采用非结构网格进行划分。网格数为300万左右,采用三维单精度计算。所选用雷诺数的大小为1.977×10图6是数值模拟计算出的升力系数和阻力系数的估算结果,可以明显地看出飞机的升阻比在9°附近达到峰值,随着迎角的增大,低头力矩的数值增加。失速迎角的范围为27°～33°,符合本文对于失速迎角范围的设计要求。4不同迎角下升降波的升阻比变化图7是在北航D1风洞中进行吹风的实验模型图,其缩比为0.2。三个舵面均可以变化角度,角度片的大小为0°、±15°、±30°。安装采用侧装式,天平安装在迎风面。在整个实验中,侧滑角的大小被固定,始终为0°。下面是实验的结果及分析。所采用的风洞试验数据经过重复性试验误差在5%以内,符合工程的要求。图8～图11对比的是不同雷诺数下升降舵发生偏转时所对应的升阻比的变化情况。所对应的雷诺数为3.956×10下面定量地比较不同迎角下升阻比相差量值的区别。本文分别以Re=6.59×10通过表2可以得到,当迎角为6°时,下偏升降舵30°升阻比与未偏转时相比增加34.98%,而上偏30°升阻比与未偏转时相比减少63.086%。因此,在Re=6.59×10通过表3可以得到,当迎角为6°时,下偏升降舵30°升阻比与未偏转时相比增加69.76%,而上偏30°升阻比与未偏转时相比减少为55.2%。因此,在Re=7.9×10对比上面两组选定雷诺数下的数据,可以明显地看出尽管飞机本身设计的失速迎角达到30°以上,但由于迎角达到20°以上时,舵面的可操纵性已降低很多,当收到外界影响时恢复状态较为缓慢。5不同面向模型时升阻比的变化图12～图15为是不同雷诺数下副翼发生偏转时,所对应的升阻比的变化情况。当Re=3.95×10通过表4可以看出:当迎角为6°、副翼偏转30°时升阻比与未偏转时相比减少28.63%;而副翼偏转15°时升阻比与未偏转时相比减少24.35%。因此,在Re=6.59×106养成器布局设计通过对微小型飞行器的外形设计与相关的风洞试验分析以及相关的外场实验,本文得出:对于非常规气动布局,在突风载荷作用情况下,提升失速迎角,可使微小型飞行器的