開(kāi)裂式方向舵在變前掠翼布局中的操縱性能研究

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252013V01．34No．4741—749ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn開(kāi)裂式方向舵在變前掠翼布局中的操縱性能研究王旭1*，于沖1’2，蘇新兵1，陳鵬11．空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西西安7100382．中國(guó)人民解放軍93286部隊(duì)，遼寧沈陽(yáng)110141摘要：針對(duì)變前掠翼(VFSW)無(wú)尾布局的橫航向操縱，設(shè)計(jì)了開(kāi)裂式方向舵(SR)操縱面，采用Nav

2、ier—Stokes控制方程的有限體積離散方法以及剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型，計(jì)算了變前掠翼中平直翼和典型的前掠翼布局開(kāi)裂式方向舵的操縱性能，并對(duì)其操縱效率進(jìn)行了比較，分析了其流場(chǎng)形態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明：右側(cè)開(kāi)裂式方向舵打開(kāi)后，平直翼時(shí)迎角對(duì)偏航力矩的影響較小，而舵偏量對(duì)偏航影響顯著，利于偏航；前掠翼的偏航力矩隨迎角的增加有所波動(dòng)，但在小迎角時(shí)較為穩(wěn)定，偏航作用隨舵偏量增加而增強(qiáng)；右側(cè)滑對(duì)滾轉(zhuǎn)作用強(qiáng)于左側(cè)滑，偏航作用低于左側(cè)滑。經(jīng)比較，平直翼的偏航作用明顯強(qiáng)于前掠翼，平直翼和前掠翼的滾轉(zhuǎn)和偏航作用均具有耦合性，但平直翼的耦合效

3、應(yīng)弱于前掠翼。關(guān)鍵詞：變前掠翼；開(kāi)裂式方向舵；數(shù)值模擬；操縱性能；流場(chǎng)中圖分類號(hào)：V212．12—8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2013)04—0741—09變后掠翼的概念出現(xiàn)較早，即通過(guò)在飛行中改變后掠角，來(lái)解決高速飛機(jī)的低速問(wèn)題。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了變后掠翼飛機(jī)，隨著飛行控制技術(shù)的發(fā)展，變后掠翼越來(lái)越多地應(yīng)用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。隨著對(duì)前掠翼認(rèn)識(shí)的加深[1]，加裝近距耦合鴨翼可改善其根部流動(dòng)分離狀況[2]，也可顯著提高前掠翼大迎角時(shí)的升力系數(shù)[3]，而且鴨翼位置逐漸增高可使前掠翼獲得更好的氣動(dòng)特性[43；但是，前

4、掠翼也存在著機(jī)翼氣動(dòng)彈性發(fā)散的不足。近年來(lái)，隨著氣動(dòng)彈性發(fā)散問(wèn)題解決方法的不斷改進(jìn)，變前掠翼(VariableForwardSweptWing，VFSW)布局良好的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)得到了新的認(rèn)識(shí)。關(guān)于變前掠翼布局，國(guó)外的研究資料很少，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究報(bào)道更少。1999年，美國(guó)NorthropGrumman公司的專利[53研究了一種變前掠翼轟炸機(jī)，名為Switchblade，旨在取代過(guò)于陳舊的F一111；2005年，美國(guó)另一份專利口]也研究了該種變前掠翼轟炸機(jī)，其研究重點(diǎn)是完全前掠狀態(tài)下可大大減小超聲速飛行的轟鳴聲和激波阻力。文獻(xiàn)[7]～

5、文獻(xiàn)[9]提出了一種新的變前掠翼布局，該變前掠翼在起降與巡航狀態(tài)采用平直翼構(gòu)型，能充分利用直機(jī)翼在亞聲速階段的高升阻比特性；在空中格斗時(shí)機(jī)翼前掠轉(zhuǎn)換為前掠翼構(gòu)型，能充分利用前掠翼在亞聲速階段緩失速、大迎角機(jī)動(dòng)的優(yōu)良飛行品質(zhì)。該布局為無(wú)尾式布局，并經(jīng)優(yōu)化后大大降低了雷達(dá)反射截面積，由此卻帶來(lái)了橫航向操縱的新問(wèn)題，變前掠翼無(wú)法通過(guò)常規(guī)方向舵的側(cè)力實(shí)現(xiàn)偏航操縱，同時(shí)常規(guī)方向舵的操縱存在超聲速條件下操縱效率迅速降低，并隨迎角的增加操縱效率也迅速降低的問(wèn)題[10

6、。1993年，美國(guó)針對(duì)高機(jī)動(dòng)無(wú)尾飛機(jī)進(jìn)行了收稿日期：2012．05．14；

7、退修El期：2012—06-25；錄用El期：2012—07-26；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012-08-3014：30網(wǎng)絡(luò)出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120830．1430．017．hlmI基金項(xiàng)目：空氣動(dòng)力學(xué)預(yù)研基金(090251313058)*通訊作者．Tel．：029-84787505E-mall：wanxuJ@yahoocom引用褡武tWangX．YuC．SuXB。ela1．Studyofcontrolcharacteristicsforsplitrudderinvar

8、iableforwardsweptwingconfiguration．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013。34(4)：74I-749÷I旭．f沖，蘇新兵．等，開(kāi)裂武方向舵在變韻掠翼布局中的操縱性能研究．航空學(xué)報(bào)，2013，34(4)：74I-749．742航空學(xué)報(bào)Apr．252013V01．34No．4“創(chuàng)新控制裝置(ICE)”項(xiàng)目研究口1‘12]，使人們對(duì)多舵面配合問(wèn)題有了深入的認(rèn)識(shí)。ICE項(xiàng)目的第二階段對(duì)前景較好的控制裝置進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算，主要包括全動(dòng)翼尖和開(kāi)裂式方向舵(Sp

9、litRudder，SR)等。開(kāi)裂式方向舵通常安裝在翼尖處，通過(guò)上下舵面的偏轉(zhuǎn)在機(jī)翼外段產(chǎn)生阻力，引起機(jī)體兩側(cè)阻力不對(duì)稱而產(chǎn)生偏航作用。對(duì)于無(wú)尾布局，較小的阻力就能產(chǎn)生足夠的偏轉(zhuǎn)力矩[13

10、。文獻(xiàn)[14]研究了開(kāi)裂式方向舵在大后掠角飛翼布局中的氣動(dòng)特性，其對(duì)縱向俯仰力矩系數(shù)的