上翼面擾流板偏轉(zhuǎn)對(duì)沖壓翼傘氣動(dòng)性能的影響

邵 博，馮 欽

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

下拉傘衣后緣是沖壓翼傘的傳統(tǒng)操縱方式。下拉雙邊后緣會(huì)使空速減小從而降低下降速率[1]，但對(duì)滑翔比的影響較小[2]；下拉單側(cè)后緣時(shí)可實(shí)現(xiàn)橫向控制，但反向側(cè)滾趨勢(shì)的存在使操縱顯得不夠靈活，且易誘發(fā)跳傘員操縱過(guò)度而進(jìn)入螺旋失速運(yùn)動(dòng)[3]。傳統(tǒng)操縱方式存在的問(wèn)題催生出了其他新穎的操縱手段，如動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)翼傘迎角[4]，載荷質(zhì)量轉(zhuǎn)移[5]，上翼面擾流裝置[6]等。本文針對(duì)上翼面擾流這一新穎的沖壓翼傘操縱方式進(jìn)行研究。

目前國(guó)外沖壓翼傘上翼面擾流裝置主要有2種形式，本文分別稱這2種擾流裝置為擾流縫[7]和擾流板[8]，兩者結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式雖有差異，但均通過(guò)控制翼傘氣室內(nèi)部的氣體從翼傘上翼面流出來(lái)實(shí)現(xiàn)翼傘操縱。文獻(xiàn)[2]通過(guò)二維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究了擾流縫的弦向位置對(duì)翼傘氣動(dòng)性能的影響并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；文獻(xiàn)[9]通過(guò)二維流場(chǎng)仿真研究了擾流縫的開(kāi)縫方向和弦向位置對(duì)翼傘氣動(dòng)性能的影響，指出計(jì)算此類帶空腔的流動(dòng)時(shí)需要精細(xì)的網(wǎng)格生成；文獻(xiàn)[8]通過(guò)空投試驗(yàn)研究了第二種擾流裝置-擾流板在翼傘操縱上的應(yīng)用，結(jié)果表明擾流板同樣可對(duì)翼傘進(jìn)行良好的縱向橫向控制。國(guó)內(nèi)對(duì)沖壓翼傘上翼面擾流裝置的研究目前還處于起步階段[10]。基于已有研究成果，本文建立了不同擾流板下偏角度的翼傘氣室剖面并對(duì)其進(jìn)行二維定常流場(chǎng)仿真來(lái)研究擾流板下偏量對(duì)翼傘氣動(dòng)性能的影響。

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 模型建立和網(wǎng)格生成

基礎(chǔ)翼傘剖面（擾流板未下偏）如圖1所示，其在Clark-Y翼型的前緣切口，切口長(zhǎng)度l為干凈翼型弦長(zhǎng)c的5%，前緣切口與翼弦（與圖中水平軸重合）的夾角為45°。上翼面擾流板下偏時(shí)的翼傘氣室剖面如圖2所示，擾流板長(zhǎng)度b=0.03c，其折點(diǎn)距干凈翼型前緣（圖中坐標(biāo)軸原點(diǎn)）的水平距離為0.25c，上翼面氣流出口長(zhǎng)度a=0.01c，擾流板折點(diǎn)的弦向位置和擾流板與氣流出口的相對(duì)長(zhǎng)度參考文獻(xiàn)[1]中的幾何模型，擾流板長(zhǎng)度b大于氣流出口長(zhǎng)度a，保證了其能在未下偏時(shí)更好地封閉住上翼面氣流出口。擾流板下偏角度e定義為擾流板與翼弦的夾角，分別取未下偏、下偏15°、下偏30°和下偏45°四種翼傘氣室剖面。

采用如下假設(shè)與簡(jiǎn)化：（1）傘衣剛性假設(shè)；（2）傘衣不計(jì)厚度且不透氣；（3）擾流板未下偏時(shí)氣室剖面同基礎(chǔ)剖面如圖1所示，下偏時(shí)忽略擾流板的彎曲變形而將其簡(jiǎn)化為一條直線如圖2所示。

圖1 沖壓翼傘基礎(chǔ)剖面（擾流板未下偏）示意圖

圖2 沖壓翼傘上翼面擾流板下偏示意圖

對(duì)上述四種翼傘氣室剖面和Clark-Y翼型生成二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，翼傘剖面附近網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 翼傘附近局部網(wǎng)格（擾流板下偏45°）

1.2 計(jì)算條件和數(shù)值方法

對(duì)上述四種翼傘剖面模型和Clark-Y翼型進(jìn)行不同攻角下的定常流場(chǎng)計(jì)算，分析其在不同攻角下的氣動(dòng)參數(shù)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化，攻角范圍取0～20°，間隔為2.5°。流場(chǎng)右側(cè)邊界的邊界條件為壓力出口，其余流場(chǎng)邊界設(shè)為速度入口，如圖3所示，速度入口的邊界條件見(jiàn)表1。

表1 速度入口邊界條件

采用工程領(lǐng)域流場(chǎng)仿真中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型。因來(lái)流速度較小，視為不可壓縮流。采用SIMPLE（semi-implicit method for pressure-linked equations）算法求解流動(dòng)控制方程。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 擾流板下偏量對(duì)翼傘剖面氣動(dòng)力系數(shù)的影響

干凈CLARK-Y翼型和四種帶擾流板的翼傘剖面的升力系數(shù)變化情況如圖4所示。可以看出，0～30°下偏范圍內(nèi)，隨下偏量增加，升力系數(shù)在各個(gè)迎角下均呈現(xiàn)單調(diào)減少的變化趨勢(shì)，而30～45°下偏范圍內(nèi)，下偏量對(duì)升力系數(shù)的影響甚微，說(shuō)明對(duì)升力系數(shù)起明顯影響的擾流板下偏范圍應(yīng)在0～30°之間，且擾流板從未下偏下偏到15°時(shí)改變升力系數(shù)的能力要高于擾流板從15°下偏到30°時(shí)改變升力系數(shù)的能力。

圖4 升力系數(shù)曲線

干凈CLARK-Y翼型和四種帶擾流板的翼傘剖面的阻力系數(shù)變化情況如圖5所示。迎角范圍在0～13°內(nèi)，擾流板下偏量在0～30°之間增加時(shí)，阻力系數(shù)在各個(gè)迎角下單調(diào)增加，且擾流板從未下偏增至15°下偏時(shí)改變阻力系數(shù)的能力要高于下偏量從15°增至30°時(shí)的能力。而擾流板下偏量從30°增加至45°時(shí)，阻力系數(shù)基本不再變化；15°迎角時(shí)，擾流板下偏時(shí)阻力系數(shù)增大，但不同下偏量時(shí)的阻力系數(shù)區(qū)別不大，均在0.2附近。

圖5 阻力系數(shù)曲線

干凈CLARK-Y翼型和四種帶擾流板的翼傘剖面的升阻比變化情況如圖6所示。在所研究的0～20°范圍內(nèi)每個(gè)迎角下，擾流板下偏量在0～30°范圍內(nèi)增加時(shí)，翼傘剖面的升阻比單調(diào)減小，且擾流板在0～15°下偏范圍內(nèi)下偏時(shí)能更有效地改變升阻比，而在15～30°下偏范圍內(nèi)下偏時(shí)改變升阻比的效率降低；擾流板下偏量從30°增加至45°時(shí)，升阻比基本無(wú)變化，說(shuō)明擾流板下偏在改變升阻比方面存在操作無(wú)效區(qū)。

圖6 升阻比曲線

從以上仿真結(jié)果可以看出，上翼面擾流板在一定范圍內(nèi)下偏時(shí)可有效改變翼傘剖面的升阻比且升阻比隨下偏量增加而單調(diào)減少，而翼傘系統(tǒng)降落時(shí)的滑翔比跟翼傘升阻比有直接關(guān)系，故三維翼傘兩側(cè)上翼面擾流板同時(shí)下偏時(shí)可有效改變其降落時(shí)的滑翔比，而常規(guī)翼傘縱向操縱方式即同時(shí)下拉兩側(cè)后緣對(duì)滑翔比改變有限。三維翼傘單側(cè)上翼面擾流板下偏時(shí)會(huì)使該側(cè)翼傘升力減少?gòu)亩挂韨愠搨?cè)傾斜（滾轉(zhuǎn)），同時(shí)該側(cè)翼傘阻力增大，翼傘朝該側(cè)偏航，實(shí)現(xiàn)航向操縱。由于單側(cè)擾流板下偏時(shí)產(chǎn)生的側(cè)滾為正向側(cè)滾，不會(huì)像常規(guī)翼傘航向操縱時(shí)即單側(cè)下拉后緣時(shí)翼傘會(huì)依次產(chǎn)生兩個(gè)相反方向的側(cè)滾（此時(shí)跳傘員或吊掛物的側(cè)向甩動(dòng)幅度可能較大），又因?yàn)椴倏v響應(yīng)較快，不會(huì)像單側(cè)下拉后緣時(shí)易過(guò)度操縱而導(dǎo)致螺旋失速運(yùn)動(dòng)。

2.2 擾流板下偏量對(duì)氣室內(nèi)壓力分布的影響

0°來(lái)流迎角下四種翼傘剖面的下翼面內(nèi)表面壓力系數(shù)分布如圖7所示。壓力系數(shù)Cp的計(jì)算公式為：

圖7 翼傘下翼面內(nèi)表面壓力分布（來(lái)流迎角：0°）

擾流板未下偏時(shí)，下翼面內(nèi)表面壓力系數(shù)較接近于1，即氣室內(nèi)部接近于滯止?fàn)顟B(tài)，下翼面內(nèi)表面靠近前緣切口部分的壓力系數(shù)略低于靠近后緣的部分，這是因?yàn)榭拷熬壍牟糠謺?huì)有少量氣體從前緣切口處溢出；擾流板下偏時(shí)，下翼面內(nèi)表面的壓力系數(shù)整體下降且前緣切口至上翼面氣流出口（x/c=0.25）之間的部分壓降更多，反映了翼傘氣室內(nèi)部壓力的下降，且下偏量越大，壓力系數(shù)下降的越多。

2.3 擾流板下偏量對(duì)擾流板所受氣動(dòng)力矩的影響

三種不同下偏量的擾流板所受氣動(dòng)力矩隨來(lái)流迎角的變化如圖8所示。力矩參考點(diǎn)為圖2中的擾流板折點(diǎn)，規(guī)定氣動(dòng)力矩使擾流板繞折點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（使擾流板上偏）為正?？梢钥闯觯瑪_流板所受氣動(dòng)力矩均為正值，即擾流板受到使其上偏的氣動(dòng)力矩，來(lái)流迎角一定時(shí)，下偏量越小，所需克服的氣動(dòng)力矩反而越大；文獻(xiàn)[8]中擾流板克服氣動(dòng)力矩所需的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自通電的形狀記憶合金，文獻(xiàn)[2]提到，常規(guī)翼傘操縱方式（下拉翼傘后緣）需要的驅(qū)動(dòng)力比上翼面擾流裝置需要的驅(qū)動(dòng)力大一個(gè)量級(jí)。翼傘上翼面擾流裝置工作時(shí)較小的迎風(fēng)面積決定了其不需要很大的驅(qū)動(dòng)力，從而為高效低能耗操縱翼傘提供了可行方案。

圖8 擾流板所受氣動(dòng)力矩

3 結(jié)論

在所研究的迎角范圍內(nèi)，擾流板下偏量在小偏度范圍內(nèi)增加時(shí)，翼傘剖面的升阻比單調(diào)減小，且在0～15°下偏范圍內(nèi)下偏時(shí)能更有效地改變升阻比，而在15～30°下偏范圍內(nèi)下偏時(shí)改變升阻比的效率降低，下偏量在更大偏度范圍內(nèi)增加時(shí)，升阻比基本無(wú)變化，說(shuō)明擾流板下偏在改變翼傘剖面的升阻比方面存在操作無(wú)效區(qū)，相較常規(guī)翼傘操縱方式，其能更高效地實(shí)現(xiàn)翼傘縱向和橫航向操縱；擾流板下偏量越大，氣室內(nèi)部的壓降越大；擾流板下偏時(shí)會(huì)受到使其上偏的氣動(dòng)力矩，其所需要的驅(qū)動(dòng)力較常規(guī)翼傘操縱方式小一個(gè)量級(jí)。上翼面擾流裝置在提升翼傘空投系統(tǒng)的操縱性方面有較大潛力。