【最新录用】编委吴杰教授团队|高超声速折叠翼飞行器气动特性分析
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科技
2024-07-04 10:25
陕西
文章亮点：在执行任务时，高超声速飞行器面临外部环境的复杂性，需应对多种任务挑战。常规固定翼飞行器在特定工况下的最佳气动性能有限，而变体飞行器能够通过改变气动外形，控制其飞行特性，以适应不同的任务环境。采用数值模拟方法，分析高超声速折叠翼飞行器在机翼折叠前后的气动特性变化，阐明机翼折叠是如何影响这些特性的；同时，探讨机翼折叠过程中，机翼的气动弹性对飞行器气动特性的影响。结果表明：机翼的折叠过程对阻力系数的影响较小，但对升力系数与升阻比产生较大的影响；此外，由于翼尖激波的存在，应力主要集中在这些区域，导致气动弹性对飞行器的气动特性影响较小。
研究背景：自从莱特兄弟发明飞机以来，它在交通运输和空中作战中一直扮演着极其重要的角色。在20世纪美苏冷战期间，对飞机性能的要求逐渐提高，从最初的喷气式飞机逐步发展到集成了隐身、超声速巡航、超机动性和超态势感知等综合性能的现代飞机。目前，大部分飞机是固定翼飞机，其最佳性能单一，无法满足多任务性能需求 。受到鸟类飞行的启发，人们提出了变形翼的概念，通过改变机翼气动外形来控制飞机的气动性能，以满足多任务需要。变形机翼主要分为三种类型：变后掠翼、伸缩机翼和折叠机翼 。其中，折叠机翼通过折叠和展开机翼，最多可实现 200% 的机翼面积变化。这种机翼面积的改变使得飞机的气动特性得以改变，能够更加有效的完成任务。如何准确测定由于气动外形变化引起的气动特性改变，是当前研究的一个重要课题。
Scarlett 等综合多体动力学、空气动力学和控制理论，建立了机翼折叠的柔性多体动力学模型，分析了机翼在不同工况下的气动弹性特性；徐孝武等对折叠翼飞行器的非对称变形控制方案及其操纵效率进行了研究，通过仿真计算，确定了飞行器非对称变形控制的最大有效范围；单继祥等采用数值模拟方法研究了在低速条件下火箭弹折叠翼的气动特性，并分析了其展开运动的过程，结果表明，随着机翼折叠角度的变化，折叠翼所受气动力呈现先增大后减小的趋势；Abdessemed 等在动态网格划分方案中引入瞬态变形，分析了变形翼型的气动特性；Huang Y 等在文献的基础上采用计算流体力学方法和动态网格划分方法研究了Z形折叠机翼在不同折叠速度下的气动特性；Xu H 等采用模拟升降面法对折叠翼变形过程进行模拟，并将其结果与 CFD 的结果进行对比，以降低在大角度折叠情况下对计算网格质量的严格要求。
综上所述，关于折叠翼飞行器的研究主要集中在低速条件下的飞行性能及其数学模型的建立。然而，针对高超声速条件下折叠翼飞行器气动特性的研究却相对较少。因此，本文旨在探讨某折叠翼飞行器在高超声速环境中的气动响应，和其在机翼折叠过程中气动特性的变化情况。
结 论：
1）高超声速飞行器在飞行时，会在翼尖产生激波，应力主要集中在飞行器头部与翼尖部分。
2）折叠机翼能够有效地改变飞行器的飞行特性。折叠过程对升力系数、力矩系数均有较大影响，但对阻力系数影响较小。且当折叠角度超过75°时，气动系数随折叠角度的变化较小。
3）气动弹性对飞行器的气动性能有一定的影响，且随着折叠角度的增大逐渐增大。
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吴杰，南京航空航天大学教授、博导。中国空气动力学会理事，计算空气动力学专业委员会委员，Advances in Applied Mathematics and Mechanics和Advances in Aerodynamics期刊编委。主要研究方向包括：动边界及流动控制、多相流问题数值模和研究、高效高精度程序开发、飞行器减阻和流动控制。在Journal of Fluid Mechanics, Journal of Computational Physics, Physics of Fluids等国际期刊上发表SCI学术论文100余篇，授权发明专利9项。出版专著《仿生扑翼运动的非定常流体力学》和《高精度离散玻尔兹曼数值方法》。
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