李占科 ,牛 文,王 進(jìn)

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,西安 710072)

0 引 言

柔性翼微型飛機(jī)是仿生學(xué)原理與飛機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合的產(chǎn)物,其特點(diǎn)是利用機(jī)翼結(jié)構(gòu)的彈性變形改善微型飛機(jī)的氣動(dòng)特性以及對(duì)突風(fēng)的適應(yīng)能力[1],其原理如圖1所示。不同布局的柔性翼具有不同的柔性,其改變微型飛機(jī)飛行性能的能力也有所差異。

圖1 柔性翼原理Fig.1 Principle of flexible wings

設(shè)計(jì)制作的6種不同結(jié)構(gòu)的柔性翼模型具有不同的柔度。通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,對(duì)6個(gè)柔性翼模型的氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究和分析。

1 柔性翼模型

柔性翼模型采用雙橢圓布局,前后兩個(gè)橢圓共長(zhǎng)軸,翼展 200mm,根弦長(zhǎng)171mm,展弦比 1.49,平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)145.15mm,其外形如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫嫘螤頕ig.2 Planform of the test model

6種不同結(jié)構(gòu)的柔性翼模型如表1所示：模型1為全剛性機(jī)翼;模型2、3為骨架結(jié)構(gòu)柔性翼,骨架沿展向等間距分布;模型4～6為環(huán)形結(jié)構(gòu)柔性翼,不同模型后緣所具有的柔度不同。

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柔性翼模型的機(jī)身和前緣均采用碳纖維-凱芙拉纖維織物鋪設(shè)而成。模型2、3的骨架采用6k碳纖維單向鋪層制作,模型4～6的環(huán)形后緣分別采用3k、9k和15k碳纖維單向鋪層制作。所有復(fù)合材料都是用環(huán)氧樹脂基在圖3所示模具中常溫固化。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍＞逨ig.3 Mold of test models

2 風(fēng)洞試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 升阻特性試驗(yàn)和分析

試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)微型飛機(jī)風(fēng)洞中完成,柔性機(jī)翼模型在風(fēng)洞中安裝見圖4。試驗(yàn)風(fēng)速10m/s(這一風(fēng)速為微型飛機(jī)常用的巡航速度)。試驗(yàn)迎角從0°步進(jìn)到16°,步進(jìn)值為每次2°。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。

圖4 微型飛機(jī)風(fēng)洞中的柔性機(jī)翼模型Fig.4 Test model in MAV wind tunnel

從圖5可以看出模型1～6在風(fēng)速為10m/s的CL曲線,模型5具有最高的CL,其余柔性翼CL曲線均低于剛性翼。原因在于當(dāng)柔性翼產(chǎn)生升力后,其表面的載荷會(huì)使機(jī)翼剖面發(fā)生彈性變形,該趨勢(shì)會(huì)削減一部分升力的產(chǎn)生。

從圖6可以看出模型1～6在風(fēng)速為10m/s的L/D曲線。雙橢圓柔性翼的 L/DMAX出現(xiàn)在4°或 6°迎角,以 6°居多,其中模型4在 4°迎角時(shí) L/DMAX為 6個(gè)模型中的最大值10.976,模型5次之。除模型3外,所有柔性翼的L/D均高于全剛性機(jī)翼,如表2所示。以模型4為例,其L/DMAX與相同布局的剛性翼模型相比高出了29.1%,巡航優(yōu)勢(shì)明顯。

圖5 v=10m/s時(shí)模型1～6的CL曲線Fig.5 CLof Model 1～6 at v=10m/s

圖6 v=10m/s時(shí)模型1～6的L/D曲線Fig.6 L/D of Model 1～6 at v=10m/s

表2 CL和L/DMAX以及對(duì)應(yīng)迎角Table 2 CLand L/DMAXwith corresponding AOA

2.2 風(fēng)速變化適應(yīng)性試驗(yàn)及分析

柔性翼微型飛機(jī)的飛行環(huán)境屬于低雷諾數(shù)環(huán)境,任何的風(fēng)速改變都會(huì)對(duì)流動(dòng)帶來明顯的改變。如從8m/s風(fēng)速變化到12m/s風(fēng)速時(shí),該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)就從79522變化到了119283,變化率50%。而雷諾數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼焦點(diǎn)位置發(fā)生改變,產(chǎn)生額外的低頭或者抬頭力矩,不利于微型飛機(jī)飛行。

為了研究不同布局柔性翼對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性,試驗(yàn)利用離散改變風(fēng)速的方法來模擬分析不同布局柔性翼對(duì)風(fēng)速變化的響應(yīng)特性,隨后利用函數(shù)插值形成連續(xù)風(fēng)速變化的圖表。試驗(yàn)風(fēng)速變化為8→10→12m/s,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 L/DMAX對(duì)風(fēng)速改變的響應(yīng)Fig.7 Sensitivity of L/DMAXto velocity

由圖7可見,模型 1、3和 6的變化趨勢(shì)平緩,其中模型6的L/DMAX曲線數(shù)值最高;模型 2、4和5的曲線變化劇烈,說明模型對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)明顯。

表3為模型1、3和6在3種風(fēng)速下L/DMAX的變化量。結(jié)果表明模型6在具有較高L/DMAX的情況下同時(shí)保持了良好的對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性。

表3 L/DMAX對(duì)風(fēng)速變化的響應(yīng)Table 3 Sensitivity of L/DMAXto velocity

3 結(jié) 論

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,得出以下結(jié)論：

(1)采用柔性翼能夠有效改善機(jī)翼的升阻特性,模型4具有最大的L/DM AX;

(2)模型1、3和6具有較好的對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)能力,其中模型6的升阻特性最好。

[1] A LBERTANI R,STANFORD B,HUBNER P J,et al.Experimental analysis of deformation for flexible-wing micro air vehicles[R].AIAA 2005-2231.

[2] IFJU P,JENKINS A D,ETTINGER S,et al.Flexible-wing-based micro air vehicles[R].AIAA2002-0705.

[3] IFJU P,STANFORD B,SYTSMA M,et al.Analysis of a flexible wing micro air vehicle[R].AIAA 2006-3311.

[4] 熊超,宋筆鋒,袁昌盛,等.微型撲翼飛行器機(jī)翼縱向力矩特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,25(5)：733-736