張思煜，聶 宏,2，魏小輝,2，黃精琦

(1.南京航空航天大學飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210016)(2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

對于接近地面或水面飛行的飛行器而言，由翼尖渦流引起的下洗速度將會降低，從而使由翼尖渦流誘導速度引起的誘導阻力減少，同時機翼下表面與地面之間的流動阻塞使得機翼下表面壓力增大從而使升力增加，這種現(xiàn)象被稱為地面效應[1]。地效飛行器就是一種利用地面效應進行低空掠海飛行的海上平臺，是一種介于常規(guī)飛機和船舶之間的新型運載工具，兼具飛機的高速飛行能力和船舶的高承載能力。地效飛行器的升阻比高、耗油率低，具有較高的巡航速度和較長的續(xù)航時間。

地效飛行器在地效區(qū)內飛行時升阻比高，而超出地效區(qū)時飛行效率非常低。地效區(qū)的高度范圍與飛行器本身的特征尺寸(一般指機翼的平均氣動弦長)有關。普通地效飛行器需要降低巡航高度以充分利用地面效應，但在海上飛行時很容易受到惡劣海況的影響，因此地效飛行器要發(fā)揮地面效應的優(yōu)勢進入軍事領域，大型化是其發(fā)展的必然趨勢[2]。超巨型地效飛行器具有高效、快速及大裝載量的優(yōu)點，有很大的民用和軍用潛力。

飛機在概念設計階段，通常需要使用大量的經驗公式和數據。但關于超巨型地效飛行器的研制，國內外的相關資料與案例較少。1966年，“里海怪物”KM號[3]在高爾基市附近的海軍造船廠完成建造，該地效飛行器總長為92.3 m，最大寬度為37.6 m，最大高度為22.0 m，質量為544 t，KM號可搭載900名士兵，以最高470 km/h的速度飛行在4～14 m的最佳高度上，并能跨越3 m高的波浪，但此后由于資金問題，俄羅斯地效飛行器的大型化沒有進一步的發(fā)展。美國對地效飛行器的研制開發(fā)晚于蘇聯(lián)，2002年9月初，美國波音公司公布了一種巨型運輸機的設計概念，并將其稱為“鵜鶘” 超大型運輸機(Pelican ultra large transport aircraft)，該機的機身長度為109 m，翼展達152 m，機翼面積超過4 050 m2[4]，但“鵜鶘”始終未真正面世。中國在20世紀60年代后期才開始地效飛行器的研究[5]，但到目前為止，尚未對大型地效飛行器進行開發(fā)研制。

由于地面效應的存在，飛行器的氣動特性和飛行性能與自由空間飛行狀態(tài)相比有較大的區(qū)別。借助風洞試驗研究地效飛行器的氣動特性是較為穩(wěn)妥的方法，但由于風洞試驗測驗點較多、吹風時間長、成本較高，因此可借助數值模擬計算進行地效飛行器外形參數選擇和氣動特性分析。目前主要的氣動計算方法包括基于升力面理論的鏡像法、基于勢流的邊界元法、基于基本解疊加的面元法和求解N-S方程的有限體積法[6]。本文采用有限體積法求解定?？蓧嚎s流動的質量加權平均N-S方程和Standard-Allmaras湍流模型[7]模擬氣流場,通過分析端板尺寸、安裝角、巡航高度、飛行迎角等因素對氣動特性的影響，研究超巨型地效飛行器巡航狀態(tài)的氣動性能。

1 地效翼氣動設計

1.1 端板高度的影響

目前地效翼主要有簡單式和復合式兩種[8]。本文的地效翼由小展弦比主翼與置于端板外側的附加外翼組合而成。主翼與端板的結合使機翼與水面形成封閉的空腔，使高動能的氣流流動受到阻滯，變成靜壓高的氣流，從而產生大的附加墊升升力。本文將研究端板的高度對地效特性的影響。

1.2 地效翼安裝角的選擇

地效飛行器在地效區(qū)巡航飛行時，由于機翼下表面與水面之間的流動阻塞使機翼下表面壓力增大，從而使升力增加。但當迎角為負時，前方來流不能重復進入到機翼下面，不利于地效飛行器對地面效應的充分利用[7]，因而地效翼一般需要一個比較大的安裝角，以提高氣動力品質。本文通過研究氣動特性隨機翼安裝角的變化情況，確定地效飛行器能夠充分利用地面效應時對應的機翼安裝角。

2 計算模型

2.1 幾何模型

利用CATIA對超巨型地效飛行器進行三維建模，具體參數見表1。

表1 超巨型地效飛行器參數

超巨型地效飛行器的總體布局形式為：水機型機身，復合型機翼，T型尾翼，采用墊升發(fā)動機和巡航發(fā)動機相結合的動力裝置。采用相同高度不同厚度的端板進行分析。地效翼外形如圖1所示。

圖1 地效翼外形

2.2 網格劃分

利用ICEM軟件生成計算網格。計算域為長方體，如圖2所示。機身長度方向尺寸為機身長度的10倍，展向尺寸為機翼半展長的6倍，由于地效飛行器飛行高度較低，因此調整計算域的下邊界與地效飛行器機翼下翼面的距離為實際的巡航高度即可。

圖2 計算域

網格劃分一般是由線到面、由面到體[10]。在進行線網格劃分時，對于如機翼前后緣處氣流變化劇烈的部位要加密網格，以保證計算結果的可靠性。地效飛行器幾何外形復雜，曲面形狀不規(guī)整，在對整個飛行器表面進行面網格劃分時，曲率較為復雜處不必為了過于強求網格與模型的重合度而使網格密度過高，以免影響到周圍網格數量。應時常檢查已經生成的網格質量，必要時可以調整對應線上的網格節(jié)點，重新劃分或者調整面網格。

本文氣動分析采用N-S方程，考慮到計算結果的精確性，體網格要求有附面層。選取第一層附面層高度為0.004 28 mm，共取10層。網格劃分完成后面網格總數約為44萬個，體網格總數約為926萬個。復合型地效飛行器體網格劃分如圖 3所示。

圖3 復合型地效翼地效飛行器體網格

2.3 邊界條件的確定

1)物面邊界條件。

地效飛行器表面設置為物面邊界條件(wall)，該邊界條件保證飛行器表面氣流無滑移且不可穿透。

2)壓力遠場邊界條件。

本文分析計算的是地效飛行器巡航狀態(tài)的氣動特性，巡航馬赫數Ma=0.45，流體的壓縮性不可忽略，需要按可壓流來處理，壓力遠場條件(pressure far-field)適用于給定可壓縮流的自由流邊界條件。因此，對計算域距離地效飛行器較遠的4個平面(計算域前面、側面、上面、后面)選用壓力遠場邊界條件。

3)對稱邊界條件。

本文只研究地效飛行器的縱向特性，不考慮側滑、滾轉等情況，故使用半模型進行分析，只需將計算域的對稱面設定為對稱邊界條件(symmetry)。

4)地面邊界條件。

地效飛行器是利用地面效應實現(xiàn)掠海高速飛行的運載工具，地面設置為移動壁面邊界，移動速度為來流速度[9]。

2.4 求解方法設定

本文采用有限體積法求解定?？蓧嚎s流的質量加權平均N-S方程和Standard-Allmaras湍流模型進行模擬。由于流體壓縮性不可忽略，因此選擇基于密度的Implicit隱式及Roe-FDS求解算法[10]。

3 氣動特性分析

3.1 地效翼安裝角及端板高度研究

在地效區(qū)內，給定飛行迎角，以主翼平均氣動弦長c為基準，選取不同端板高度(地效飛行器水平放置時端板底面距離主翼1/4弦長的高度)，研究其對地效飛行器氣動特性的影響，結果見表2。

表2 不同端板高度氣動特性對比

從表可以看出，地效飛行器在地效區(qū)內飛行時，端板能有效增大升力、減小阻力，端板高度越大，升阻比越大。但在地效區(qū)外，端板對升阻力系數影響很小，可以忽略。

圖4～圖6為給定飛行高度和迎角的情況下，超巨型地效飛行器氣動參數隨主翼安裝角的變化情況。

圖4 升力系數隨安裝角變化

圖5 阻力系數隨安裝角變化

圖6 升阻比隨安裝角變化

由圖4～圖6可以看出，超巨型地效飛行器升力系數和阻力系數均隨主翼安裝角的增大而增大，升阻比在機翼安裝角i0為3°～5.5°的范圍內呈線性增大的趨勢，此后增幅降低，至8°左右基本不變。綜合分析，本文選擇主翼安裝角為6°，此時飛行器具有較好的氣動特性。

3.2 巡航飛行高度研究

(1)

式中：H為地效翼翼尖高出海平面的高度[5]。

圖7～圖9是在飛行迎角α=0°的情況下相對飛高對超巨型地效飛行器氣動特性的影響。

圖7 升力系數隨相對飛高變化

由圖 7可以看出，超巨型地效飛行器的升力系數隨相對飛高的增大而不斷降低，且相對飛高越大，升力系數的變化越慢。由圖 8可以看出，阻力系數隨相對飛高的增加而有所增大，但變化不明顯，說明相對飛高的變化對總阻力的影響不大。由圖 9可以看出，升阻比隨相對飛高的增加而減小，當巡航高度超出地效區(qū)以后，升阻比的變化很小，幾乎可以忽略。

圖8 阻力系數隨相對飛高變化

圖9 升阻比隨相對飛高變化

綜合考慮地面效應以及海況對飛行器的影響，本文超巨型地效飛行器的最佳巡航高度為5～30 m。

3.3 飛行迎角研究

常規(guī)飛機通常會研究其氣動性能與飛行迎角之間的關系，因此本文選取飛行迎角為變量，研究地效飛行器氣動特性隨飛行迎角變化的情況。但是由于超巨型地效飛行器巡航高度低而機身長度長，迎角的變化會對整機產生較大的影響，故本文選取的迎角變化范圍較小，以避免在近水面巡航時，海面波浪對機身和地效翼產生較大的影響。選擇特定的巡航高度，對地效飛行器不同迎角下的氣動特性進行分析計算。

由圖10～圖11可以看出，當迎角增大時，地效飛行器的升力系數呈近似線性增大趨勢，阻力系數隨迎角增大而增大。

圖10 升力系數隨迎角變化

圖11 阻力系數隨迎角變化

圖12所示為不同巡航高度下升阻比隨飛行迎角變化的情況。從圖中可以看出，不同的巡航高度，最大升阻比均出現(xiàn)在迎角為2°附近。當巡航高度超出地效區(qū)高度時，升阻比隨巡航高度的變化不大。

圖12 不同巡航高度下升阻比隨迎角變化

4 結論

本文通過對超巨型地效飛行器地效翼布局形式及巡航狀態(tài)的氣動特性分析，得到以下幾點主要結論：

1)在地效區(qū)內，端板能有效提高飛行器的升阻特性，且端板高度越大，升阻比越大。地效飛行器的升阻比隨主翼安裝角的增大而增大，綜合分析，主翼安裝角為6°時飛行器具有較好的氣動特性。

2)超巨型地效飛行器的升力系數隨相對飛高的增大而不斷降低，越接近水面升力系數增加得越快。相對高度的變化對總阻力的影響不大。升阻比隨相對飛高的增加而減小，當巡航高度超出地效區(qū)后，升阻比變化不大，最佳巡航高度為5～30 m。

3)地效飛行器升力系數隨迎角增加呈近似線性增大趨勢，阻力系數隨迎角增大而增大。不同的巡航高度，最大升阻比均出現(xiàn)在迎角為2°附近。