張雅璇 劉沛清 夏 慧 戴佳驊 李慶輝 欒博語(yǔ)
(北京航空航天大學(xué),北京 100191)
增升裝置設(shè)計(jì)技術(shù)的重大突破對(duì)進(jìn)一步提高新一代民用客機(jī)的氣動(dòng)性能起著關(guān)鍵性作用,這在世界范圍內(nèi)也是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的研究課題[1]。為了達(dá)到降低油耗、減少噪聲和污染的目標(biāo),高效航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、復(fù)合材料機(jī)身、高效增升裝置技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)和新能源技術(shù)都被應(yīng)用到民用航空運(yùn)輸當(dāng)中。如今,增升裝置設(shè)計(jì)需要多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,這已在飛機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了大量的研究,國(guó)外R.C.Potter與L.P.Yip[2-3]等人提出一種反映氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)重量和成本的設(shè)計(jì)方法,國(guó)內(nèi)唐家駒[4]等人借鑒了A350和波音787的后緣增升裝置及其機(jī)構(gòu)特點(diǎn),搭建了大型飛機(jī)增升裝置氣動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。戴佳驊[5]等人以簡(jiǎn)單鉸鏈為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),開(kāi)展了起降構(gòu)型的同步優(yōu)化和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。陳亞璨[6]等人針對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為連桿滑軌的翼型,進(jìn)行了“后緣襟翼+擾流板同時(shí)下偏”的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。
柔性機(jī)翼可以改變機(jī)翼展向和弦向的彎度,進(jìn)而改變機(jī)翼表面的氣體流動(dòng),提高氣動(dòng)效率,減少燃油消耗以及溫室氣體排放,可以調(diào)整展向載荷分布以減小翼根彎矩,還可以有效抑制激波,擴(kuò)大抖振邊界,能獲得較剛性機(jī)翼更好的性能。正因?yàn)槿嵝宰儚潤(rùn)C(jī)翼這些優(yōu)勢(shì)的存在,可變彎度機(jī)翼成為未來(lái)大型飛機(jī)的研究熱點(diǎn)。波音公司1980年的研究結(jié)果表明變彎度構(gòu)型顯著提高了整個(gè)飛行剖面非設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)性能[7]。隨著材料的不斷發(fā)展,近年來(lái),可連續(xù)變彎度的智能材料機(jī)翼成為了研究的熱點(diǎn)[8],但是想要在工程上實(shí)現(xiàn)還有一定的困難。J.A.Hetrick[9]等人研究了任務(wù)自適應(yīng)柔性機(jī)翼,飛行試驗(yàn)的結(jié)果表明在大部分范圍內(nèi),升阻比可提高15%或者是更多。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的J.J.Joo[10-11]等人研究了“可變彎度機(jī)翼”,對(duì)比了機(jī)翼整體變彎和后緣部分機(jī)構(gòu)變彎,結(jié)果表明在小迎角時(shí)整體變彎的機(jī)翼阻力更小,升阻比更大。T.Yokozeki[12-13]等人使用波浪結(jié)構(gòu)來(lái)使襟翼變彎,該結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力較低,在小迎角時(shí)有較好的氣動(dòng)性能。沈廣琛[14]等人研究了一套可用于現(xiàn)在和未來(lái)的民用客機(jī)機(jī)翼后緣變彎增升裝置系統(tǒng),提高了升力系數(shù)和升阻比。陸維爽[15]等人針對(duì)GAW-1翼型,進(jìn)行了前后緣變彎度的氣動(dòng)性能的研究,明顯改善了翼型的爬升性能。田云、全建沖[16]等人以NASA TrapWing模型為基礎(chǔ),提出了一種“柔性前緣下垂+單縫鉸鏈襟翼+擾流板下偏+柔性尾緣襟翼”的智能增升系統(tǒng),并進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化,得到氣動(dòng)、機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)綜合最優(yōu)的起降構(gòu)型。王瑞[17]等人以DLRF11機(jī)翼為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)一套基于反平行四邊形機(jī)構(gòu)的后緣襟翼柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu),進(jìn)行二維起降構(gòu)型的氣動(dòng)/機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果提高了起降構(gòu)型的氣動(dòng)性能,巡航時(shí)的氣動(dòng)性能也有所改善。
本文以某大型寬體客機(jī)內(nèi)段襟翼為基礎(chǔ),在襟翼內(nèi)部安裝一套柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu),之后在該柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下使襟翼實(shí)現(xiàn)柔性變彎,并且在后緣鉸鏈襟翼機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下使襟翼發(fā)生偏轉(zhuǎn),來(lái)進(jìn)行起飛和著陸構(gòu)型的三維機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引下的二維氣動(dòng)/機(jī)構(gòu)一體化的優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)以滿足氣動(dòng)性能為主。
以某大型客機(jī)內(nèi)段機(jī)翼為研究對(duì)象,在襟翼后緣后50%部分的內(nèi)部安裝一套柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu),要求該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕。在該機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,襟翼后50%部分可以實(shí)現(xiàn)柔性變彎,襟翼前50%部分為剛性的,圖1所示為巡航時(shí)的襟翼,CFlap為襟翼弦長(zhǎng),圖中展示了巡航構(gòu)型的柔性變彎位置,也就是后50%CFlap。
圖1 襟翼巡航構(gòu)型柔性變彎位置示意圖
柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示,圖中只展示了襟翼的后50%部分,該機(jī)構(gòu)由兩級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成,三角形A1A2A3為第一級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),三角形A3B1B2為第二級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),這兩個(gè)三角形在A3處用鉸鏈進(jìn)行連接,A2為固定鉸支,固定在襟翼的后梁上,用連桿將柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)與襟翼蒙皮上的桁條進(jìn)行連接。當(dāng)OE1桿向前推動(dòng)后,兩級(jí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就會(huì)向下偏轉(zhuǎn),襟翼也就會(huì)在連桿的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)柔性變彎。變彎后的翼型與原始未變彎的翼型對(duì)比如圖3所示,在原始剛性襟翼的基礎(chǔ)上,柔性變彎后的襟翼可使襟翼后緣增加8°的偏角。
圖2 柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖3 柔性變彎后的翼型與原始未變彎的翼型對(duì)比
新一代先進(jìn)增升裝置以A350XWB和波音787的增升裝置為主,在其后緣增升裝置中采用主動(dòng)控制技術(shù),使擾流板聯(lián)合單縫襟翼同時(shí)下偏。單縫襟翼的機(jī)構(gòu)采用簡(jiǎn)單鉸鏈,簡(jiǎn)單鉸鏈襟翼雖然沒(méi)有富勒襟翼實(shí)現(xiàn)的富勒運(yùn)動(dòng)大,但是鉸鏈襟翼可以使襟翼機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度降低,而且重量輕。為了減小襟翼打開(kāi)時(shí)擾流板后緣和襟翼之間的間隙,需要在襟翼打開(kāi)時(shí)使擾流板下偏,這樣可以提高氣動(dòng)性能[18]。本文針對(duì)的某大型寬體客機(jī)內(nèi)段機(jī)翼的前緣增升裝置采用前緣下垂,后緣為簡(jiǎn)單鉸鏈襟翼聯(lián)合擾流板下偏。
內(nèi)段襟翼所采用的機(jī)構(gòu)如圖4所示,機(jī)構(gòu)點(diǎn)上標(biāo)i表示內(nèi)側(cè)機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)點(diǎn)上標(biāo)o表示外側(cè)機(jī)構(gòu),R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副,S表示球面副。內(nèi)段襟翼為定軸轉(zhuǎn)動(dòng),軸線為Ei和Eo兩點(diǎn)所連的直線。
圖4 內(nèi)段襟翼機(jī)構(gòu)
因?yàn)闆](méi)有帶前緣下垂的二段翼的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),所以選用二維三段翼30P30N來(lái)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。30P30N是公布于上世紀(jì)美國(guó)NASA的計(jì)算多段翼繞流的標(biāo)準(zhǔn)二維翼型,在多段翼型的CFD計(jì)算驗(yàn)證中使用的非常廣泛。30P30N模型的參考弦長(zhǎng)Cref=1 m,計(jì)算工況為馬赫數(shù)Ma=0.2,雷諾數(shù)Re=9×106,網(wǎng)格量為13萬(wàn),遠(yuǎn)場(chǎng)邊界前緣和上、下部分為40倍參考弦長(zhǎng),后緣為80倍參考弦長(zhǎng),第一層網(wǎng)格高度為10-5倍弦長(zhǎng),網(wǎng)格如圖5所示。計(jì)算求解器采用ANSYS CFX,湍流模型為SST。
圖5 30P30N網(wǎng)格
計(jì)算結(jié)果對(duì)比美國(guó)Douglas飛機(jī)公司[19]和NASA Langley研究中心的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20],圖6中所示的為襟翼、縫翼、主翼的升力系數(shù)以及總升力系數(shù)隨迎角的變化曲線的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,從圖中可以看出,總體上看升力系數(shù)數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合,縫翼在高迎角時(shí)的數(shù)值計(jì)算值略大于實(shí)驗(yàn)值,在23°時(shí)發(fā)生失速,比實(shí)驗(yàn)值晚了2°失速。
圖6 30P30N升力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
圖7為8°迎角下,30P30N的壓力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,從總體上看數(shù)值計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,縫翼上翼面的數(shù)值計(jì)算值略小于實(shí)驗(yàn)值,襟翼上翼面的數(shù)值計(jì)算值略大于實(shí)驗(yàn)值,襟翼尾緣部分略有偏差。
圖7 8°迎角下30P30N壓力系數(shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
總體來(lái)看,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,所以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是可行的。
本文以某寬體客機(jī)的內(nèi)段外側(cè)順氣流機(jī)構(gòu)布置剖面為原始構(gòu)型,干凈構(gòu)型的弦長(zhǎng)c=8 270.415 mm,采用“前緣下垂+擾流板下偏+后緣鉸鏈襟翼+襟翼后緣柔性變彎”的增升裝置設(shè)計(jì)方案,在內(nèi)段襟翼機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下,同時(shí)后緣襟翼柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)帶動(dòng)襟翼后緣進(jìn)行柔性變彎,在襟翼和擾流板繞各自軸運(yùn)動(dòng)到不同位置后截取同一順氣流位置的剖面,對(duì)起飛構(gòu)型和著陸構(gòu)型分別進(jìn)行二維增升裝置氣動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化在ISIGHT軟件中進(jìn)行。均采用正置翼進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到斜置翼上。
起飛時(shí)的優(yōu)化變量共有7個(gè)見(jiàn)表1,分別為:擾流板下偏角度、襟翼下偏角度、柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿OE1移動(dòng)距離、襟翼轉(zhuǎn)軸點(diǎn)Ei的x坐標(biāo)、襟翼轉(zhuǎn)軸點(diǎn)Ei的y坐標(biāo)、襟翼轉(zhuǎn)軸點(diǎn)Eo的x坐標(biāo)、襟翼轉(zhuǎn)軸點(diǎn)Eo的y坐標(biāo),柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)距離也就決定了襟翼柔性部分的下偏量,各優(yōu)化變量的取值范圍如表1所示。大型民用飛機(jī)在起飛時(shí),需要較大的升力系數(shù)以及升阻比以增加飛機(jī)爬升梯度、減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力,因此優(yōu)化目標(biāo)有2個(gè),分別為8°迎角下升力系數(shù)最大、8°迎角下升阻比最大。優(yōu)化算法選取非支配排序遺傳算法(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II,簡(jiǎn)稱NSGA-II)。設(shè)置計(jì)算20代,每代24個(gè)子代,共計(jì)480個(gè)計(jì)算工況。
表1 起飛優(yōu)化變量
著陸時(shí)的軸線就采用起飛時(shí)優(yōu)化出來(lái)的軸線,著陸時(shí)的優(yōu)化變量有3個(gè),分別為:擾流板下偏角度、襟翼下偏角度、柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)距離,各優(yōu)化變量的取值范圍如表2所示。優(yōu)化目標(biāo)與起飛不同,著陸時(shí)飛機(jī)的升力系數(shù)是唯一需要考慮的因素,而升阻比則不需要考慮,因此優(yōu)化目標(biāo)只有一個(gè),為8°迎角下升力系數(shù)最大,為單目標(biāo)優(yōu)化,因此采用多島遺傳算法(Multi-island Genetic Algorithm),共計(jì)500個(gè)計(jì)算工況。
表2 著陸優(yōu)化變量
后緣襟翼柔性增升裝置氣動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化流程如圖8所示。首先進(jìn)行襟翼后緣柔性變彎的有限元計(jì)算,需要在MATLAB中生成在改變后緣柔性增升裝置中驅(qū)動(dòng)桿推動(dòng)的距離后得到的可以在ANSYS APDL中進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算的APDL程序;然后在ANSYS APDL中通過(guò)運(yùn)行MATLAB中生成的APDL程序,可以自動(dòng)進(jìn)行有限元計(jì)算,得到柔性變彎后的翼型;之后在MATLAB軟件中進(jìn)行翼型參數(shù)化,使得在改變優(yōu)化變量的值后可以自動(dòng)得到新的起飛或著陸翼型;接著用POINTWISE軟件進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分;然后使用CFX軟件進(jìn)行自動(dòng)氣動(dòng)計(jì)算;最后進(jìn)行優(yōu)化,得到氣動(dòng)性能最優(yōu)構(gòu)型。
圖8 后緣襟翼柔性增升裝置氣動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化流程圖
起飛構(gòu)型在ISIGHT中進(jìn)行480輪優(yōu)化,得到的優(yōu)化結(jié)果如圖9所示,橫坐標(biāo)為升力系數(shù),縱坐標(biāo)為升阻比,Pareto前沿在圖中也可看出,從Pareto前沿上選取A、B、C三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。
圖9 起飛構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果
A、B、C三點(diǎn)的翼型與原始翼型的對(duì)比如圖10所示,從圖中可以看出,三組翼型襟翼尾緣的下偏量依次增大。這三組構(gòu)型的優(yōu)化變量的值以及原始構(gòu)型的優(yōu)化變量的值如表3所示,三組構(gòu)型以及原始構(gòu)型的縫道參數(shù)gap和overlap如表4所示。
圖10 三組構(gòu)型翼型對(duì)比
表3 三組構(gòu)型的優(yōu)化變量以及原始構(gòu)型的優(yōu)化變量
表4 三組構(gòu)型以及原始構(gòu)型的縫道參數(shù)
這三組構(gòu)型的氣動(dòng)性能與原始構(gòu)型的對(duì)比如圖11所示。從圖(a)中可以看出,A、B、C三組構(gòu)型與原始構(gòu)型相比,升力系數(shù)都有所增加,A構(gòu)型增加的最少,C構(gòu)型增加的最多。A構(gòu)型在13°時(shí)失速,B構(gòu)型在12°時(shí)失速,C構(gòu)型在12°時(shí)失速。從圖(b)中可以看出,A、B、C三組構(gòu)型與原始構(gòu)型相比,阻力系數(shù)也都有所增加,A構(gòu)型增加的最少,C構(gòu)型增加的最多。從圖(c)中可以看出,A、B、C三組構(gòu)型與原始構(gòu)型相比力矩系數(shù)都有所減小,A構(gòu)型減少的最少,C構(gòu)型減少的最多。從圖(d)中可以看出,當(dāng)升力系數(shù)較小時(shí),只有A構(gòu)型的升阻比是大于原始構(gòu)型的,升力系數(shù)較大時(shí),三組優(yōu)化構(gòu)型的升阻比都大于原始構(gòu)型。
(a)升力系數(shù)對(duì)比
綜合而言,A構(gòu)型的升力系數(shù)有所增加,在升力系數(shù)較小和升力系數(shù)較大時(shí)A構(gòu)型的升阻比都有所增加,因此選取A構(gòu)型為最優(yōu)構(gòu)型。A構(gòu)型的最大升力系數(shù)與原始構(gòu)型相比的增加量為0.119。圖12所示為8°迎角下最優(yōu)構(gòu)型的壓力系數(shù)與原始構(gòu)型的壓力系數(shù)的對(duì)比,從圖中可以看出,最優(yōu)構(gòu)型和原始構(gòu)型下翼面的壓力系數(shù)相差不大,前緣以及襟翼的吸力峰增加。
圖12 8°迎角下起飛最優(yōu)構(gòu)型的壓力系數(shù)與原始構(gòu)型對(duì)比
圖13為起飛最優(yōu)構(gòu)型的壓力云圖及流線圖,從圖中可以看出,在8°迎角下,起飛最優(yōu)構(gòu)型未發(fā)生分離,在13°迎角下襟翼上表面即將發(fā)生分離,14°迎角下襟翼上表面有分離渦的出現(xiàn),發(fā)生分離,15°迎角下襟翼上表面有更大面積的分離渦產(chǎn)生,發(fā)生大面積分離。
(a)8°迎角 (b)13°迎角
著陸構(gòu)型在ISIGHT軟件中共進(jìn)行500輪優(yōu)化,得到的最優(yōu)構(gòu)型和原始構(gòu)型的翼型對(duì)比如圖14所示,最優(yōu)構(gòu)型襟翼尾緣的下偏量與原始構(gòu)型相比有所增大。著陸最優(yōu)構(gòu)型以及原始構(gòu)型的優(yōu)化變量的值如表5所示,縫道參數(shù)gap和overlap的值如表6所示。
圖14 著陸最優(yōu)構(gòu)型與原始構(gòu)型的翼型對(duì)比
表5 著陸最優(yōu)構(gòu)型以及原始構(gòu)型的優(yōu)化變量值
表6 著陸最優(yōu)構(gòu)型以及原始構(gòu)型的縫道參數(shù)的值
著陸最優(yōu)構(gòu)型與原始構(gòu)型氣動(dòng)性能的對(duì)比如圖15所示,從圖(a)中可以看出,著陸最優(yōu)構(gòu)型在11°時(shí)失速,比原始構(gòu)型晚1°失速,最大升力系數(shù)為2.604。線性段最優(yōu)構(gòu)型和原始構(gòu)型的升力系數(shù)相差不是很大,最優(yōu)構(gòu)型的升力系數(shù)略微大于原始構(gòu)型,在失速段最優(yōu)構(gòu)型的升力系數(shù)明顯大于原始構(gòu)型。從圖(b)中可以看出,除11°迎角以外,其余迎角下的最優(yōu)構(gòu)型的阻力系數(shù)均大于原始構(gòu)型的阻力系數(shù)。從圖(c)中可以看出,線性段的力矩系數(shù)最優(yōu)構(gòu)型和原始構(gòu)型相差不大,失速段最優(yōu)構(gòu)型的力矩系數(shù)小于原始構(gòu)型。最優(yōu)構(gòu)型的最大升力系數(shù)比原始構(gòu)型的最大升力系數(shù)提高0.162。
(a)升力系數(shù)
圖16為著陸最優(yōu)構(gòu)型與原始構(gòu)型8°迎角下的壓力系數(shù)的對(duì)比圖,從圖中可以看出,最優(yōu)構(gòu)型后緣襟翼前緣的壓差較原始構(gòu)型相比有所增大。
圖16 8°迎角下著陸最優(yōu)構(gòu)型的壓力系數(shù)與原始構(gòu)型對(duì)比
圖17為著陸最優(yōu)構(gòu)型的壓力云圖及流線圖。從圖中可以看出在11°迎角時(shí)即將失速,此時(shí)襟翼后部還是存在分離區(qū),12°迎角時(shí)緊貼襟翼的分離區(qū)消失,流動(dòng)存在附著流,存在分離渦,此時(shí)已經(jīng)失速。14°迎角時(shí)襟翼尾緣存在更大面積的分離渦。
(a)8°迎角 (b)11°迎角
1)本文基于某大型寬體客機(jī)內(nèi)段襟翼,在后緣鉸鏈襟翼機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,并且襟翼后緣在柔性變彎?rùn)C(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)柔性變彎,進(jìn)行了起飛和著陸構(gòu)型的氣動(dòng)/機(jī)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。起飛優(yōu)化出的最優(yōu)構(gòu)型與原始構(gòu)型相比,最大升力系數(shù)的增加量為0.119,并且在相同的升力系數(shù)下,升阻比有所增大。
2)著陸優(yōu)化出的最優(yōu)構(gòu)型與原始構(gòu)型相比,最大升力系數(shù)的增加量為0.162,且最優(yōu)構(gòu)型推遲1°迎角失速。
3)優(yōu)化所得的起飛和著陸構(gòu)型均提高了原始構(gòu)型的氣動(dòng)性能。