无尾布局纵向操纵的嵌入式舵面概念研究

孙静，张彬乾，杨广珺，2

(1.西北工业大学航空学院，陕西 西安 710072;2.西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安 710065)

引言

无尾布局设计的最大挑战是寻求全新的飞行操纵控制方式，代替被取消的垂尾和平尾，以产生足够的飞行控制力矩。目前，国内外有关无尾布局操纵方式的研究集中在推力矢量、主动控制变形机翼、新型气动操纵舵面三个方面。对注重成本的无尾布局而言，实用有效的飞行操纵方式是发展全新的综合气动操纵舵面［1］。

国内外根据无尾布局本身的气动特点，围绕其操纵控制模式开展了大量的研究工作，提出了多种可在无尾布局中应用的新型复合式气动操纵舵面概念［2-5］，如全动翼梢、扰流板、分布襟翼和阻力舵等。

W型无尾翼身融合布局［6-7］是课题组自主设计的创新平台。为满足纵向俯仰平衡操纵的需要，基于该布局的外形特点，在远离重心的机体两端设计了鸭面和尾舵作为基本纵向控制舵面。然而，大迎角时，两种舵面的操纵效率均有所降低。为解决这一问题，需进一步探索新型的纵向控制舵面。本文提出的机身下表面嵌入式舵面(LSP)，旨在对升阻影响尽可能小的情况下，获得纵向控制力矩。采用数值模拟方法，分别探讨了机身下表面嵌入式舵面的位置及几何参数对纵向控制的影响，对嵌入式舵面的纵向控制能力进行了概念性研究。

1 数值计算方法

本文采用数值计算软件CFX进行气动力分析，所采用的控制方程为N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型，利用有限体积法将控制方程离散，对流项采用二阶迎风差分格式进行推进求解。计算采用贴体结构网格，由ICEM软件生成。计算中，物面为无滑移条件，远场为自由流条件，计算残差收敛精度为10－5。

2 嵌入式舵面设计方案

嵌入式舵面的设计思想来源于W型无尾布局扁平的机身下表面，易于布置嵌入机体表面的操纵面，期望舵面打开后对机身下表面流动产生较大的影响区域，改善布局的流动特性、获得纵向操纵控制能力。

图1 机身下表面嵌入式舵面及偏转示意图

机身下表面嵌入式舵面及偏转情况如图1所示。按照舵面在机身上的位置和舵面弦长共构成四种方案:舵面在机身上的位置分别位于机身长度(x/l)的50%(位置Ⅰ)和70%(位置Ⅱ)处;舵面弦长分别取长和短两种;舵偏角度分别为15°，30°，45°，60°。

3 结果分析

采用数值模拟方法研究了四种嵌入式舵面构型对基本构型的纵向特性影响，计算状态为:Ma=0.3，α = －2°～32°，Re=3.0 ×106。

3.1 纵向气动特性

图2和图3分别给出位置Ⅰ、位置Ⅱ处的嵌入式舵面构型与基本构型的纵向气动特性曲线。图中，“长”和“短”分别表示嵌入式舵面弦长分别取长和短两种;数字15，30，45，60分别表示舵偏角度为15°，30°，45°，60°。

分析图2和图3可知，在研究迎角范围内，舵面布置于位置Ⅰ和位置Ⅱ均可提供较大的低头力矩增量。对气动性能的影响如下:

(1)位置Ⅰ和位置Ⅱ的两种舵面，随舵面偏度的增大阻力增加，但对升力的影响均较小，其阻力增量主要来自于舵面偏转所带来的型阻。

图2 位置Ⅰ处的纵向特性曲线

(2)位置Ⅰ和位置Ⅱ的两种舵面，偏度小于45°，随偏度增加，低头力矩增加;偏度60°时，低头力矩反而减小，且减小量较大。

(3)两个位置的短舵面控制效率均比长舵面效率高，且一直保持到大迎角状态。位置Ⅰ处提供最大低头力矩增量为“短－45”状态，此时，纵向平衡迎角约为10°;位置Ⅱ处为“短－45”状态，此时，平衡迎角约为9.5°。

(4)对于相同形状舵面，处于机身较前的位置Ⅰ提供的力矩增量高于位置Ⅱ。

(5)嵌入式舵面可提供约10°迎角的平衡操纵力矩，该力矩值在大迎角状态仍几乎不变，因此，可作为无尾布局大迎角俯仰操纵的补充措施。

3.2 流动作用机理

图4给出了位置Ⅱ嵌入式短舵面偏转时的表面压力分布和纵向典型剖面的流态。

由图4可见，嵌入式舵面偏转后对机身下表面流动产生了明显的影响。首先，流动在舵面前的迎风区形成高压，舵面后的背风区形成低压旋涡分离泡，这种流动现象形成了以压差阻力为主的阻力增量，会产生低头力矩;其次，下表面嵌入式舵面打开后，舵面后形成较大的旋涡分离泡，改变了后体流动形态，使后体有效弯度增加，也提供了部分低头力矩增量。

图4 基本流态与压力分布(α=16°，短－45)

4 结论

机身下表面嵌入式舵面四种方案对无尾布局纵向气动性能和流动机理的影响表明，下表面嵌入式舵面可作为无尾布局大迎角俯仰操纵的有效补充措施，主要结论如下:

(1)在两个位置处，不同弦长的舵面均可提供较大的低头力矩增量，且一直保持到大迎角状态;短舵面优于长舵面，短舵面45°舵偏时低头力矩增量最大。

(2)相同形状舵面，位置较前的舵面提供低头力矩增量较大。

(3)嵌入式舵面对升力的影响较小，但会产生型阻式阻力增量。

(4)嵌入式舵面提供低头力矩增量的作用原理是:舵面打开形成较大的旋涡分离泡，改变后体下表面流动形态，产生了阻力与升力共同作用的低头力矩增量。

(5)嵌入式舵面可提供约10°迎角的平衡操纵力矩，该力矩值在大迎角状态仍几乎不变，因此，可作为无尾布局大迎角俯仰操纵的补充措施。

［1］ John A B，Dieter M，Siva S B.Challenges and opportunities in tailless aircraft stability and control［R］.AIAA 97-3830，1997.

［2］ Richard M W，Steven X SB.Advanced aerodynamic control effectors［R］.AIAA 99-5619，1999.

［3］ James M S，William B B，Dieter M.Control concepts for a vertical tailless fighter［R］.AIAA 93-4000，1993.

［4］ William JG，Kenneth M D.Directional control for tailless aircraft using all moving wing tips［R］.AIAA 97-3487，1997.

［5］ Gloria S，Ulf R.Lateral stability and control of a tailless aircraft configuration ［J］.Journal of Aircraft，2009，46(6):2161-2163.

［6］ 孙静，张彬乾，周洲，等.W型无尾气动布局研究［J］.西北工业大学学报，2004，22(3):265-268.

［7］ Sun Jing，Zhang Bin-qian，Yang Guang-jun.Concept investigation ofW tailless configuration［R］.AIAA-2005-4602，2005.