《新型超音速巡航运输机气动布局研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型超音速巡航运输机气动布局研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、新 型 超 音 速 巡 航 运 输 机 气 动 布 局 研 究黄 声 寅 昂 海 松(南京航空航天大学飞行器设计系, 南京, 210016)摘 要 : 飞 行 器 在 高 亚 音 速 飞 行 时, 就 会 产 生 了 局 部 激 波 , 并 且 激 波 阻 力 随 着 飞 行 马 赫 数 的 增 加 而 快 速 增 加, 从 而极大地降低了飞机的升阻比 K , 对于超音速飞行的飞机更影响更大 , 因此, 要 使 得 飞 行 器 具 备 良 好 的 超 音 速 巡 航 气动特性 , 其中的一个关键的设计要点就是降低飞行器超音速飞行时的激波阻力 。 本 文 经 过 对 飞 行 器 设 计 理 论的
2、研究 , 以及参考了国外的超音速巡航的客机 , 在此基础上探索新型超音速巡航运 输 机 的 气 动 布 局 方 案 , 并 通 过 软件进行数值模拟 , 通过算例验证表明本设计思路具有一定的可行性 。关键词 : 运输机 ; 激波阻力 ; 超音速巡航112 缺点(1) 由于超 音 速 巡 航 时 激 波 阻 力 的 存 在 , 升 阻引 言随着飞机设计技术的提高, 现代的亚音速运输 比 K 较之亚音速巡航降低幅度较大 ;(2) 超音速 巡 航 状 态 耗 油 量 比 较 大 、 安 全 性 较机已经能够以高达 0185 的 巡 航 马 赫 数 飞 行 很 远 的距 离, 例如 , 波音 7472
3、400 最大航程超过 7000 海里 。 然 而 , 这 一 距 离 需 要 飞 机 在 空 中 飞 行 大 约 15 h , 如 果 是 更 远 的 距 离 , 例 如 从 纽 约 到 澳 大 利 亚 的 悉 尼 ,则 需要 18 h 之多 。 这对于民航客机的乘客来说, 是 十分疲惫的 。 为实现超音速巡 航 , 各航空大国进行 了不懈的努力 。 1960 年, 英法两国合作研制超音速 客 机 “协 和 ”式 飞 机 , 同 期 , 俄 罗 斯 研 制 了 超 音 速 客机 图 144。 2010 年, 美国洛克希德 . 马丁公 司 为 美 国 国 家 航 空 航 天 局 (N A SA
4、) 设 计 了 一 架 名 为 “绿色超音波” 的飞机 。 可见世界各航空大国对超 音速巡航客机的青睐 。本 文 的 主 要 工 作 是 深 刻 理 解 超 音 速 飞 行 器 气 动特性 , 参考国外已有的和正在进行设计的超音速 巡 航 飞 机, 在 此 基 础 上, 探 索 超 音 速 巡 航 飞 机 的 气 动布 局 方 案, 并 且 通 过 求 解 三 维 E u le r 方 程 对 飞 机 进行气动分析, 主要包括 : 起飞着陆状态 、 高亚音速 状态 、 超音速巡航状态的升力特性 、 阻力特性 、 升阻 比特性和纵向稳定性分析 。差 、 废 气 污 染 严 重 、 气 动 噪 声
5、 较 大 以 及 穿 过 音 障 时产生强烈的音爆难以达到环境标准 ;(3) 为 实 现 超 音 速 巡 航 而 采 取 的 一 些 有 利 于 超 音 速 巡 航 的 措 施 , 使 得 起 飞 着 陆 状 态 的 低 速 性 能 较 差 ;(4) 对于大 型 的 超 音 速 巡 航 运 输 机 , 对 材 料 的 结构强度要求较高 ;(5) 对于巡 航 马 赫 数 较 高 的 运 输 机 , 气 动 防 热 和机舱内保持气压稳定是难以解决的问题 。2 飞 机 建 模 与 网 格 划 分211 飞机模型的建立本文使用 CA T IA 软件对超音速巡航飞机进行 建 模 , 为 大 型 运 输
6、机 , 最 大 起 飞 重 量 610 t, 全 机 长143 m , 为 减 少 超 音 速 巡 航 时 的 激 波 阻 力 , 将 机 身 设 计 成 铅 笔 型 的 细 长 机 身 , 长 细 比 为 1717, 最 大 直径 为 8 m 。 选 用 超 音 速 气 动 特 性 较 好 、 结 构 强 度 也2较 好 的 梯 形 机 翼 , 机 翼 参 考 约 面 积 800 m , 展 弦 比约 为 1, 根 梢 比 约 为 313, 四 台 环 保 的 液 氢 弯 嘴 引 擎 分别安装于翼梢和机翼中部, 在机头处安装一对后掠 角 很 大 的 小 鸭 翼 , 较 小 的 单 垂 尾 安
7、 装 于 机 身 后 部 。 本文在探索气动布局过程中主要考虑翼型 、 机1 超 音 速 巡 航 运 输 机 的 优 缺 点111 优点超音速巡航能力, 是指飞机具有在发动机不开 加 力的情况下, 能在 M 115 以上做超过 30 m in 的超音速飞行 。 对于一般的飞机只能进行超音速飞行 ,并且耗油量会成倍增加 。 超音速巡航飞机能在超音 速巡航速度带来最经济的燃油消耗, 这是超音速巡航的最大优点 。翼 后 掠 角 对 气 动 特 性 的 影 响, 因 而 使 用 CA T IA 软件设计了两个超音速巡航运输机的模型, 并分别命名为初始气动外形和改进气动外形 。 初始外形机翼 选用超音速
8、飞机常用的对称翼 型 N A CA 662006, 前缘 后 掠 角 大 约 是 10; 改 进 外 形 机 翼 则 改 为 相 对 厚度更小的对称翼型 N A CA 662003, 前缘后掠 角 改 为45。 模型分别如图 1 所示 。12 江 苏 航 空 2011 增刊图 1 初始外形和改进外形模型图212 网格划分在 CA T IA 里面建模完成后, 然 后 导 入 Gam b it中进行网格划分, 本文所设飞机已经按比例缩小为 实 际 模 型 的 1% 。 本 文 飞 机 设 定 巡 航 高 度 为30 000 m 高 空 , 相 应 的 空 气 密 度 为 01018 41 k g
9、m 3 ,并且属于超音速飞行 , 空气粘性阻力占总阻力比例 很 小 , 可 以 做 无 粘 假 设 。 所 以 , 在 划 分 体 网 格 的 时候, 不 做 附 面 层 网 格 划 分 , 而 选 用 适 应 性 强 的 非 结构网格 。 为能提高计算精确度 , 在生成网格时候使 用 S ize fu c t io n 进 行 网 格 生 成 控 制 , 在 气 流 变 化 剧 烈的地方适当地加密网格, 而其他气流变化缓慢的 地方则让网格变稀疏 。 这样的网格质量较高 。 为进 一 步 提 高 网 格 质 量, 提 高 计 算 精 确 度 , 在 F lu en t 软 件 中 计 算 的
10、时 候, 采 用 软 件 自 带 的 自 适 应 网 格 功 能, 让软件在计算过程中能在压强梯度变化大的地 方自动进行网格加密 , 而压强梯度变化小的地方自动 变 稀 疏, 这 样 的 网 格 能 更 精 确 地 捕 捉 到 激 波, 计 算的激波阻力更准确 。 图 2 5 是 按 照 上 面 所 述 方 法划分好的改进外形的飞机网格 , 初始外形的飞机 网格图同样方法划分 , 在此不做累赘描述 。图 3 改进外形全机表面网格图 4 改进外形机翼表面网格图 2 改进外形的整体网格 改进外形距离机身 011 m 处机翼切面的网格图 53 控 制 方 程311 控制方程本文进行数值模拟计算的时候
11、, 在起飞着陆状态 考 虑 空 气 粘 性 作 用, 求 解 N 2S 方 程, 选 用 S2A 湍流模型 , 在高亚音速状态以及超音速巡航状态不考 虑空气粘性作用, 做无粘处理 。 求解 E u le r 方程, 对2011 增刊 黄声寅 , 等 : 新型超音速巡航运输机气动布局研究 13于 一个一般任意的控制体积 V , 其表面积 S , 外法向量 n , 积分形式的 E u le r 方程可写成下面形式数 学 适 定 性 , 又 要 具 有 物 理 意 义 。 本 文 采 用 的 是J am e so n 的 远 场 无 反 射 边 界 条 件 (扰 动 波 不 反 射 回 流场 )。
12、55t F dv + E r n ds = (1)0v s 4411算 例 分 析 比 较算例在 Gam b it 软 件 中 划 分 好 网 格 之 后 , 将 网 格 文式中F T = , u , v , , eq(2)u q +v q + q + h qp exp eyp ez件 导 入 F lu en t 软 件 中 进 行 求 解, 本 算 例 模 拟 飞 行器 巡 航 状 态, 设 定 巡 航 马 赫 数 415, 巡 航 速 度1 3571142 m s, 巡航高度为 30 000 m , 对应密度 为01018 41 k g m 3 , 气压 1 197 P a, 声音速度为
13、30117 m s, 温 度 为 22615 K。 初 始 外 形 设 定 距 离 机 头0173 m 的 机 身 处 为 重 心 , 参 考 面 积 为 机 翼 面 积0108 m 2; 考 虑 到 后 掠 角 变 大 后 , 重 心 会 后 移 , 所 以 改进 外 形 设 定 距 离 机 头 0175 m 的 机 身 处 为 重 心 , 参 考面积仍然是机翼面积 0108 m 2。 对两个模型分别 计 算 在 不 同 的 迎 角 下 的 纵 向 力 矩 系 数 、 升 力 系数 、 阻力系数 , 并计算相应的升阻 比 , 如表 1 所示 。(3)E =312 边界条件(1) 物 面 边
14、界 条 件 E u le r 方 程 假 设 流 场 无 粘 ,屋面边界条件就采用无穿透边界条件, 也就是物面 上流动的法向速度为零 。(2) 远场边界条件 在求 解 问 题 的 过 程 中 , 选 取 适 当 的 远 场 边 界 条 件 对 取 得 正 确 的 解 起 着 至 关 重 要的作用 。 边界条件不是任意给定的 , 它既要具有表 1 两个模型巡航状态条件下的升力系数 、 阻力系数及升阻比对比角度 - 3 - 1 0 1 5 8 10 14 16升力 初始 - 6179E -系数 改进 - 6168E -02 - 1118E -02 - 1131E -02 1158E -02 113
15、4E -02 4136E -02 4104E -02 2113E -02 1150E -01 2143E -01 2137E -01 3107E -01 2199E -01 4150E -01 4137E -01 5130E -01 5113E -01012188E -1157E -2158E -1123E -2155E -1122E -02 2165E -02 1130E -02 3198E -02 2164E -02 6115E -02 4181E -02 8127E -02 6190E -02 1145E -02 1129E -01 1187E -01 1169E -阻力 初始系数 改进
16、020202020101- 21357- 41255- 01457 36- 1106501619 61109811645 23110831894 47 31951 21 31712 2124133331103 4483138821834 22431036升阻 初始比 改进 51682 41927表 2 在不同迎角下纵向力矩系数角度 - 3 - 1 0 1 5 8 10 14 16初始 2106E -改进 2191E -02 1152E -02 1174E -02 1127E -02 1118E -02 1105E -02 5199E -0203 -7148E -1127E -0302 -1107E -2113E -0202 -1133E -2165E -0202 -7143E -4185E -03 - 1173E -6164E -030202 -根 据 表 1 的 数 据 , 利 用 tecp lo t 软 件 绘
