无人飞行器总体方案设计及系统特性研究_航空航天

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引言

本书是以航空航天、飞行器设计、工程实践等国家重大科技需求热点问题为撰写支撑材料，依托计算流体力学和空气动力学课程教学内容，并适当考虑北京理工大学专业性质和教学改

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第1章　各种布局的气动特性数值模拟与分析

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1.1　引言

本章主要针对无人机的几种折叠方案，进行了几何建模，通过数值模拟的方法，对各种布局的气动特性逐一进行分析和研究。(https://www.daowen.com)

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1.2　CFD方法准确性的验证

NACA0012翼型的计算区域网格如图1.1所示。图1.1　NACA0012翼型的计算区域网格（a）计算网格区域整体图；（b）翼型周围的C-型网格(htt

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1.3　正常式布局与V形尾翼布局的气动特性数值模拟与分析

现代战争日趋复杂，各国在努力提高飞机本身的灵活性和机动性的同时，一些新颖的气动布局和外形更是越来越受到人们的极大重视（图1.3、图1.4）。尤其是目前新发展起来

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1.3.1　尺寸函数与边界条件的设置

在整机建模中，网格生成的质量和尺寸往往会直接影响到实验结果的精度性要求，而影响网格质量和限制生成网格数量的关键技术在于网格尺寸的控制与把握。基于此，在布置机翼和

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1.3.2　结果与分析

1.四种尾翼布局对全机纵向气动性能的影响从实验中得出全机在配置4种不同尾翼的情形下（机翼无上反），全机的最大升力系数Cy 均在2.49～2.5之间，并且均在2

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1.4　串翼布局的气动特性数值模拟与分析

最新发展起来的串置翼布局飞机，以其结构和质量方面的优势，以及在理论上通过改变机翼之间的升力分布而使飞机的诱导阻力大大减小等诸多方面的优势，受到了设计者的青睐。国

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1.4.1　CFD与Daniel F.Scharpf风洞实验的对比验证

图1.11（a）为Daniel F.Scharpf的风洞实验模型，而在本次模拟中，我们采用了Daniel F.Scharpf风洞实验相同的参数设置，主翼和鸭翼选

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1.4.2　翼差角度对串置翼升阻特性的影响

从图1.12和图1.13可以看出单独机翼在攻角达到16°时失速，但是当引入鸭翼时，主翼的升力系数会有所降低，但同时也延长了主翼的失速边界，这一方面是由于主翼处在

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1.4.3　水平、垂直相对位置对串置翼升阻特性的影响

模拟中采用了分区网格生成技术，在主翼和鸭翼的近物面布置非结构网格，并实施加密，区域外布置结构网格，在模拟计算时，由于压强值较大，因此一律采用相对压强，温度300

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1.5　前掠翼鸭式布局的气动特性数值模拟与分析

随着航空新技术的不断发展，现代战机良好的气动特性越来越受到人们的重视，甚至过载失速机动能力已经成为新一代战机的基本特征。而自 20 世纪 60 年代中期瑞典的B

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1.5.1　几何模型及边界条件的设置

如图1.17所示，模拟中对整机进行了局部的网格加密（不改变全机的网络拓扑结构），外流场径向尺寸取机身截面的30倍，将计算域划分为24个子区域，分别生成结构网格和

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1.5.2　实验结果及分析

1.后掠鸭翼纵向位置对气动特性的影响由图1.18可以看出，与无鸭翼布局（1#）相比，后掠鸭式布局（2#、3#）的纵向气动特性有了明显的改善。最大升力系数分别提

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1.6　本章小结

（1）本章通过对不同尾翼布局的飞机模型进行了并行数值模拟计算，得出了下列结论。 ① 尾翼的不同布局形式对全机的最大升力系数及其斜率，以及零升阻力系数均没有明显影

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习题1

1.1　什么是流线、迹线？流线和迹线有什么区别？ 1.2　直角坐标系中，流场速度分量的分布为vx =2xy2，vy =2x2y，试求过点（1，7）的流线方程。

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第2章　三维副翼铰链力矩计算

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2.1　引言

作用在各种飞行器操纵机构（舵面、副翼等）上的空气动力，对其转轴产生的力矩称为铰链力矩。虽然铰链力矩不会很明显地显示在飞行器的运动方程中，但它对有控飞行特性有着十

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2.2　铰链力矩及其影响因素

铰链力矩的产生机理如图2.1所示。图2.1　铰链力矩的产生机理操纵面的铰链力矩为无量纲系数时，采用式（2.1）：式中，Sr为舵面的面积；bA.r为舵面

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2.3　铰链力矩的补偿方法

铰链力矩的补偿方法一般有两种：一种是通过气动补偿；另一种是通过控制调整片补偿。(https://www.daowen.com)

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2.3.1　气动补偿

气动补偿的关键在于减小舵面上气动力合力作用点到铰链轴之间的距离。这可通过改变气动力合力作用点或调整铰链轴前后位置来实现。常见的补偿形式有以下几种。（1）移轴补

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2.3.2　调整片

实际飞行中，只要操纵面上有铰链力矩，操纵面后缘通常都附有可供控制系统操纵的调整片。调整片的作用就是使铰链力矩为零或说是配平杆力。按飞行品质要求，调整片的设计应能

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2.4　ONERA-M6机翼风洞实验及数值模拟

图2.2为ONERA-M6机翼风洞实验的实物安装图，在本次模拟中采用了分区布置结构化网格的方法。由于左右机翼的布局对称性，本次模拟中只建立了右侧机翼的三维模型，

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2.5　铰链力矩的数值方法与计算网格

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2.5.1　副翼为机翼后缘直接切割

如图2.8所示，由于现实中弦长为 95 mm 的凹凸薄翼型后缘厚度太薄，在工艺上很难加工成翼型舵，在弹载无人机气动布局初步研制试飞阶段，为了节省加工时间，降低成

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2.5.2　铰链力矩的数值模拟方法

在上面的基础上，就可以研究副翼偏转引起的铰链力矩的问题了，本章中为了结果的准确性，直接对ONERA-M6机翼进行了切割，舵面缝隙为2.4%C（C为翼根弦长），舵

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2.6　计算结果分析

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2.6.1　不同攻角和舵偏角对副翼铰链力矩的影响

由图2.12可以看出：对于舵偏角为-5°而言，在α≤5°时，来流作用在舵面产生的是一个向下偏转的正的抬头力矩，随着攻角的增加，舵面垂直于来流方向的投影面积不断地

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2.6.2　不同马赫数对铰链力矩的影响

从图2.15可以看出当来流为超声速气流时，副翼偏转所产生的铰链力矩要明显大于亚声速来流情况，并且当副翼处在亚声速气流当中时，雷诺数较低，流速较为缓慢，并且低雷诺

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《无人飞行器总体方案设计及系统特性研究》简介

引言

目录

第1章　各种布局的气动特性数值模拟与分析

1.1　引言

1.2　CFD方法准确性的验证

1.3　正常式布局与V形尾翼布局的气动特性数值模拟与分析

1.3.1　尺寸函数与边界条件的设置

1.3.2　结果与分析

1.4　串翼布局的气动特性数值模拟与分析

1.4.1　CFD与Daniel F.Scharpf风洞实验的对比验证

1.4.2　翼差角度对串置翼升阻特性的影响

1.4.3　水平、垂直相对位置对串置翼升阻特性的影响

1.5　前掠翼鸭式布局的气动特性数值模拟与分析

1.5.1　几何模型及边界条件的设置

1.5.2　实验结果及分析

1.6　本章小结

习题1

第2章　三维副翼铰链力矩计算

2.1　引言

2.2　铰链力矩及其影响因素

2.3　铰链力矩的补偿方法

2.3.1　气动补偿

2.3.2　调整片

2.4　ONERA-M6机翼风洞实验及数值模拟

2.5　铰链力矩的数值方法与计算网格

2.5.1　副翼为机翼后缘直接切割

2.5.2　铰链力矩的数值模拟方法

2.6　计算结果分析

2.6.1　不同攻角和舵偏角对副翼铰链力矩的影响

2.6.2　不同马赫数对铰链力矩的影响