葉新苗 劉 毅 錢智聲

1南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京210016 2同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092

地效翼艇三維組合翼氣動(dòng)特性計(jì)算分析

葉新苗1劉 毅2錢智聲2

1南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京210016 2同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092

地效翼布局和翼型選擇在很大程度上決定地效翼艇的性能和效能，對(duì)地效翼艇的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。文章根據(jù)地效翼布局和翼型的特點(diǎn)，采用基于升力面理論的鏡像法計(jì)算三維組合地效翼和簡單地效翼在地效區(qū)和超出地效區(qū)的縱向氣動(dòng)特性參數(shù)，分析布局型式和外形參數(shù)對(duì)地效翼氣動(dòng)特性的影響。得到的組合翼在地效區(qū)內(nèi)外比簡單地效翼具有更好的升阻特性的結(jié)果，表明組合翼布局適合于掠海高飛型地效翼艇，研究也為地效翼布局型式、外形參數(shù)選擇以及吹風(fēng)模型制作提供了依據(jù)。

組合翼；氣動(dòng)特性；升力面理論；鏡像法；地效翼艇

1 引言

地效翼艇是一種利用地面效應(yīng)在貼近水面的地效區(qū)內(nèi)快速航行的高性能船舶，能夠在水面上安全起降，航行速度比普通船舶快十幾倍，既具有水上運(yùn)輸?shù)统杀?、大運(yùn)載量、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有空運(yùn)的速度，用途十分廣泛。具有掠海高飛能力的C類地效翼艇為兼顧地效區(qū)和非地效區(qū)的氣動(dòng)和操穩(wěn)特性，氣動(dòng)布局上常采用主翼、端板加輔助翼的組合翼布局型式，保證其既能在地效區(qū)內(nèi)高效穩(wěn)定航行，又能在地效區(qū)外長時(shí)間飛行，大大提高了其環(huán)境適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍［1］。近年來世界各國掀起了一場(chǎng)發(fā)展地效翼艇的熱潮，目前公布的型號(hào)大多數(shù)具有掠海高飛的能力，典型代表如美國波音公司發(fā)展的 “鵜鶘”超大型地效飛行器，最大起飛重量約2 700 t，有效載荷達(dá)1 270 t，地效區(qū)飛行高度為6 m左右，最大飛高可達(dá)6 000 m。

由于地效翼艇設(shè)計(jì)理論尚不完善，地效翼艇的設(shè)計(jì)基本借鑒飛機(jī)和船舶設(shè)計(jì)的理論和方法。飛機(jī)概念設(shè)計(jì)過程中通常采用大量的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來估算機(jī)翼的外形參數(shù)和氣動(dòng)參數(shù)，然后通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。由于地效翼艇在地效區(qū)內(nèi)氣動(dòng)特性隨高度和攻角呈非線性劇烈變化，周圍流場(chǎng)復(fù)雜，目前尚無足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式用于估算地效翼外形參數(shù)、氣動(dòng)和性能參數(shù)，很難初步選定其外形參數(shù)用于制作吹風(fēng)模型；又加上同時(shí)考慮攻角和高度變化對(duì)氣動(dòng)特性的影響，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)較多，所需吹風(fēng)時(shí)間長，成本很高，因此按設(shè)計(jì)要求初步給出地效翼外形參數(shù)及比較合理的吹風(fēng)模型顯得十分重要，可以大幅度減小吹風(fēng)時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算在地效翼外形參數(shù)選擇和氣動(dòng)特性分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，主要的氣動(dòng)計(jì)算方法有基于升力面理論的鏡像法、求解N－S方程的有限體積法、基于勢(shì)流的BEM、基于基本解疊加的面元法等，這些方法各有特點(diǎn)和適用范圍，能夠快速預(yù)報(bào)地效翼的氣動(dòng)特性［2，3］。本文采用基于升力面理論的鏡像法計(jì)算三維組合地效翼和簡單地效翼在地效區(qū)和超出地效區(qū)的縱向氣動(dòng)特性參數(shù)，能夠根據(jù)氣動(dòng)要求對(duì)地效翼外形參數(shù)進(jìn)行初步驗(yàn)證，為外形參數(shù)優(yōu)化以及制作較為精確的吹風(fēng)模型提供一定的依據(jù)，以減少風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間，縮短研制周期，降低研制成本。

2 地效翼型式和翼型

2.1 地效翼型式

在總體設(shè)計(jì)階段，首先需要根據(jù)總體技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求初步選擇地效翼艇布局型式。與普通飛機(jī)相比，地效翼艇一般選擇大安裝角小展弦比地效翼，多采用T型尾翼，發(fā)動(dòng)機(jī)置于船身背部，船型艇身無起落架布局。地效翼布局型式主要有兩大類：簡單型和組合型。簡單型大體上又分為兩種，第一種是寬矩形翼兩側(cè)加端板的布局，端板與下翼面、水面之間形成高壓腔，阻止翼下高壓氣體在翼尖處流向上翼面，使升阻比增加，采用下反翼也有相同效果，大攻角貼表面飛行時(shí)地效作用明顯，如俄羅斯的“里海怪物”、“雌鷂”和“小鷹”號(hào)等都是這種布局；另一種是前緣平直、后緣前掠的小展弦比倒三角翼布局，同時(shí)有較大的下反角和幾何扭轉(zhuǎn)，在下翼面和水面之間形成高壓腔，地效作用明顯，且壓心位置靠前，有利于縱向穩(wěn)定，如德國FS－8、我國的“信天翁”系列等［4］。組合型地效翼一般采用小展弦比矩形翼加端板，端板兼作浮舟，外側(cè)再加一對(duì)展弦比稍大、具有一定上反角的梯形輔助翼，有的還在輔助翼端部加翼尖小翼；在地效區(qū)飛行時(shí)，主要由主翼和端板的組合在較強(qiáng)的地效作用下產(chǎn)生升力，輔助翼也產(chǎn)生小部分升力，同時(shí)改善地效翼氣流繞流特性和氣動(dòng)品質(zhì)，起到橫側(cè)穩(wěn)定性作用，當(dāng)超出地效區(qū)時(shí)，小展弦比主翼產(chǎn)生的升力迅速下降，無法滿足長時(shí)間高飛的需求，這時(shí)輔助翼對(duì)總升力的貢獻(xiàn)變大，保證地效飛行器能長時(shí)間高飛。組合翼布局兼顧了地效航行和高飛的需要，在地效區(qū)航行時(shí)能產(chǎn)生較強(qiáng)的地效作用，長時(shí)間高飛時(shí)性能也很好［5］。

2.2 地效翼型

地效翼的翼型選擇和研究應(yīng)注重以下幾個(gè)因素：

1）地面效應(yīng)強(qiáng)；

2）壓心和焦點(diǎn)隨相對(duì)飛高變化的移動(dòng)量??；

3）與水動(dòng)力配合協(xié)調(diào)性好；

4）考慮動(dòng)力增升的需要。

由于地效翼氣動(dòng)特性隨相對(duì)飛行高度呈非線性變化，飛高越小，非線性越明顯，所以一般采用獨(dú)特的反S形翼型，其上翼面能產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓，下翼面能產(chǎn)生較強(qiáng)的正壓，中線為反S形，后緣附近區(qū)域升力向下，產(chǎn)生抬頭力矩。與飛機(jī)上大量使用的NACA翼型相比，該翼型壓力中心較靠近前緣，且壓心位置Xcp和焦點(diǎn)位置Xac隨飛高變化較小，分別在地效區(qū)航行和高飛時(shí)，全艇的俯仰力矩變化不會(huì)太大，有利于縱向穩(wěn)定［5］。

3 氣動(dòng)計(jì)算模型

本文采用基于升力面理論的鏡像法計(jì)算地效翼的氣動(dòng)特性，圖1所示為典型地效翼艇的組合翼和艇身中段的布局型式，飛行高度為主翼后緣最低處距離水面的高度，相對(duì)飛高為飛行高度與主翼弦長的比值。

建立右半地效翼幾何模型，采用非平面渦格法，分別在主翼、輔助翼的中弧面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，弦向采用等角法劃分，展向采用等間隔法劃分［6，7］；將端板簡化為一平面，網(wǎng)格劃分與主翼中弧面合拍，端板超出主翼前緣部分長度為LB，采用等間隔法劃分網(wǎng)格。主翼沿展向劃分為SN列，沿弦向劃分為CN行，共有NN＝SN×CN個(gè)網(wǎng)格，端板共有NB＝SB×CB個(gè)網(wǎng)格，輔助翼共有NW＝SW×CW個(gè)網(wǎng)格，故右半翼共有N＝NN＋NB＋NW個(gè)網(wǎng)格。右半翼通過縱向?qū)ΨQ面鏡像出左半翼，地面效應(yīng)通過左、右地效翼對(duì)地面的鏡像來模擬。如圖2所示。

圖1 典型組合翼和艇身布局型式

圖2 組合翼網(wǎng)格劃分和機(jī)翼鏡像

在每個(gè)四邊形網(wǎng)格上布置一個(gè)四邊形常值渦環(huán)，其前緣布置在網(wǎng)格1／4弦長處，相鄰渦環(huán)的邊緣重合在一起，控制點(diǎn)取在網(wǎng)格3／4弦長處的中點(diǎn)上，在尾跡上也布置常值渦環(huán)，則共有N′＝N＋SN＋SB＋SW個(gè)渦環(huán)。建立氣流坐標(biāo)系，OX軸指向氣流方向，OZ軸位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，垂直于OX軸；OY軸垂直于OXZ平面，指向右，XOY平面與水面重合。理想不可壓勢(shì)流場(chǎng)中，各點(diǎn)都滿足Laplace方程：

式中，Φ＝φ∞＋φ；φ∞為來流速度勢(shì)，φ為誘導(dǎo)速度勢(shì)［6，7］。右半翼上第j個(gè)渦環(huán)對(duì)第i個(gè)網(wǎng)格控制點(diǎn)的誘導(dǎo)速度為：

Qj表示第j個(gè)渦環(huán)四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，第i個(gè)網(wǎng)格控制點(diǎn)受到右半翼的誘導(dǎo)速度為：

通過縱向?qū)ΨQ面對(duì)網(wǎng)格的鏡像，得到左半翼第j個(gè)渦環(huán)對(duì)右半翼第i個(gè)網(wǎng)格控制點(diǎn)的誘導(dǎo)速度：

則左半翼對(duì)右半翼第i點(diǎn)的誘導(dǎo)速度：

有地效作用時(shí)，通過地面對(duì)網(wǎng)格的鏡像，得鏡像翼對(duì)右半翼第i個(gè)控制點(diǎn)的誘導(dǎo)速度［7，8］：

則第i點(diǎn)的總誘導(dǎo)速度為：

在物面上滿足不可穿透條件：▽2Φ·＝0，即（ui，，得N個(gè)方程；在后緣處滿足庫塔條件γT.E.＝0，得SN＋SB＋SW個(gè)方程；則方程組封閉可解，得Γi，i＝1，2，…，N。分別計(jì)算主翼和輔助翼每一網(wǎng)格的升力、誘導(dǎo)阻力和力矩，m為網(wǎng)格弦向序號(hào)，n為網(wǎng)格展向序號(hào)。根據(jù)Kutta定理得：

則主翼的升力、誘導(dǎo)阻力和力矩是：

同理可計(jì)算出輔助翼的升力LW、誘導(dǎo)阻力DW和力矩MW等。則組合翼的升力、誘導(dǎo)阻力和力矩分別是：

攻角焦點(diǎn)和高度焦點(diǎn)位置分別是：

攻角焦點(diǎn)和高度焦點(diǎn)的位置和變化范圍是影響全艇穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

編寫程序計(jì)算采用Glenn Martine 21翼型、展弦比為1.0的地效翼，相對(duì)飛高為0.176時(shí)的升力系數(shù)，與文獻(xiàn)［9］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，如圖3中的曲線所示。結(jié)果比較接近，該程序可用于地效翼艇總體設(shè)計(jì)階段的縱向氣動(dòng)特性估算。

圖3 升力系數(shù)比較

4 算例

采用該方法計(jì)算組合翼和簡單地效翼的氣動(dòng)特性參數(shù)，右半翼平面圖如圖4所示。主翼、輔助翼均采用相對(duì)厚度為9%、最大彎度為4%的反S翼型；主翼弦長CN＝2.0 m，半翼展長BN＝1.5 m，無下反；端板高度hB＝0.16 m，伸出主翼前緣長度LB＝0.4 m；輔助翼根弦長CW1＝1.2 m，翼稍弦長CW2＝0.6 m，半翼展長BW＝1.8 m，前緣后掠9.46°，無上反；輔助翼翼根前緣和主翼翼尖前緣之間的距離L1分別為0.0 m和0.4 m。

圖4 組合翼右半機(jī)翼平面形狀

計(jì)算結(jié)果如圖5（a）～（i）所示，表明主翼加端板后增加了有效展弦比，比單獨(dú)主翼有明顯增加，誘導(dǎo)阻力系數(shù)減小，同時(shí)高度焦點(diǎn)和攻角焦點(diǎn)前移，飛高越低、攻角越大時(shí)，變化的幅度越大。在端板外側(cè)加輔助翼后，CL，C增大，尤其是大飛高時(shí)增加明顯，誘導(dǎo)阻力系數(shù)變化不大，表明采用組合翼布局的地效翼艇具有良好的掠海高飛能力；同時(shí)高度焦點(diǎn)和攻角焦點(diǎn)位置有顯著變化，這與輔助翼的前后位置有關(guān)，輔助翼越靠后，越大，焦點(diǎn)越向后移動(dòng)。

圖5 各種布局型式的縱向氣動(dòng)特性

5 結(jié)論

本文采用基于升力面理論的鏡像法計(jì)算簡單地效翼和組合地效翼的縱向氣動(dòng)特性，結(jié)果表明：與單獨(dú)主翼的地效翼型式相比，主翼加端板的布局型式具有更好的升阻特性，而且飛高焦點(diǎn)和攻角焦點(diǎn)位置更靠前，對(duì)縱向穩(wěn)定性更有利。與前二者相比，采用組合翼型式的地效翼艇在地效區(qū)和地效區(qū)外都具有前二者不及的升阻特性，掠海高飛性能突出，但其飛高焦點(diǎn)和攻角焦點(diǎn)位置會(huì)隨輔助翼相對(duì)主翼的前后位置發(fā)生顯著變化，輔助翼位置越靠前，組合翼的焦點(diǎn)位置越靠前，反之則組合翼焦點(diǎn)位置越靠后，因此，輔助翼的前后位置對(duì)縱向穩(wěn)定性有很大的影響。由于氣動(dòng)特性在地效區(qū)內(nèi)變化劇烈，風(fēng)洞試驗(yàn)繁瑣復(fù)雜，成本很高，在缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式的情況下選擇組合翼外形參數(shù)十分困難，因此在總體設(shè)計(jì)階段，采用基于升力面理論的鏡像法，能夠在一定程度上快速預(yù)報(bào)地效翼在地效區(qū)和地效區(qū)外的縱向氣動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)地效翼外形參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化，為地效翼艇總體設(shè)計(jì)階段選擇地效翼布局型式、優(yōu)化外形參數(shù)、位置參數(shù)以及制作吹風(fēng)模型提供一定的依據(jù)。

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Computational Analysis on the Aerodynamic Characteristics of Combined Wing of WIG Craft

Ye Xin－miao1Liu Yi2Qian Zhi－sheng2
1 College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China 2 College of Aerospace Engineering and Mechanics，Tongji University，Shanghai 200092，China

The layout and airfoil play an important role in WIG craft design for their great effect on the performance and effectiveness.Taking into account of the characteristics of the airfoils and configuration layouts of the wings of WIG craft，the longitudinal aerodynamic characteristics in and out of ground effect of combined and simple wings were calculated based on the lifting－surface solution and the ground effect was simulated with a mirror image wing，and the effect of the layout and geometric parameters on the longitudinal aerodynamic characteristics of wings of WIG craft was analyzed.The results show that the lift and drag characteristics of combined wings are better than simple wings both in and out of ground effect，and that the combined wings are fit for sea－skimming and high－flying WIG craft.The study also provides the basis for the selection of layout and geometric parameters of wings and the wind tunnel models for WIG craft.

combined wing；aerodynamic characteristics；lifting－surface solution；mirror image wing；WIG craft

U674.77

A

1673－3185（2009）04－22－06

2009-03-19

葉新苗（1983－），男，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)。E-mail：yxm831113＠yahoo.com.cn

劉 毅（1965－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：飛行器一體化設(shè)計(jì)、材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性工程。E-mail：liuyi.chine＠126.com

錢智聲（1936－），男，教授。研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)，地效翼艇總體設(shè)計(jì)。E-mail：qianzs＠263.net