地效飛機的縱向穩定性和氣動布局特點研究

2024年3月17日發(作者：大學班會總結)

第25卷

第

3

期

2007年

9

月

飛

行

力

學

FLIGHT DYNAMICS

VOI.25 NO.3

Sep.2007

地效飛機的縱向穩定性

和氣動布局特點研究

樂 挺!王立新

(

北京航空航天大學航空科學與工程學院

,

北京l00083

)

摘

要

!

分析了地面效應對飛機氣動力特性的影響

,

以及地效飛機不同于常規飛機的縱向穩定性準則

,

包

括重心與迎角焦點和高度焦點的位置關系

~

影響其縱向穩定性的主要氣動導數等

O

研究結果表明

,

地效區內飛

機的氣動力隨高度呈非線性變化

,而重心必須位于迎角焦點與高度焦點之間并且靠近高度焦點才能保證地效飛

機的縱向穩定性

O

最后根據地效飛機的穩定性準則

,

討論了保證地效飛機良好飛行品質的氣動布局要求

O

關

鍵

詞

!

地效飛機

;

氣動特性

;

縱向穩定性

;

氣動布局

中圖分類號

!

V2l2 文獻標識碼

!

A 文章編號

!

l002

_

0853

(

2007

)

03

_

0005

_

04

引言

)

是一種 地效飛機

(

WinginGrOundEffectCraft

主要利用地面效應提供升力而飛行的運載工具

O

在

地效的作用下

,

地效飛機的升阻比較常規飛機大

,

因而飛行時所消耗的推進功率較小,具有更大的載

重量和航程

O

地面效應一般能提高飛機的氣動效率

,

但往往

也給其縱向穩定性帶來不利影響

O

近地飛行時

,

地

效飛機的氣動力不僅與迎角有關

,

而且與飛行高度

有關,因而影響其縱向穩定性的因素更為復雜O

在地效飛機的氣動布局設計過程中

,

一方面要

充分利用地面效應來提高飛機的氣動效率

,

另一方

面應該通過合理設計其氣動布局

,

匹配好各種部件

的外形參數

,

得到優化的總體氣動性能來克服地面

效應對飛機縱向穩定性的不利影響

O由于地效飛機

飛行時的高度儲存不夠

,

若縱向穩定性較差

,

將會危

及其作業的飛行安全

,

因而地效飛機縱向穩定性及

其氣動布局設計顯得尤為重要

O

氣動力產生的機理相對較為復雜O高度越低,地面

效應越強烈

O

地效飛機近地飛行時

,

機翼的氣動力

受到地效的影響最為顯著

,

因此

,

地效區內機翼氣動

力隨高度的變化規律基本上可以反映地面效應對飛

機全機氣動特性的影響

O

針對地面效應對機翼氣動特性的影響問題

,

國

內外許多學者都做過大量的研究工作

O

一般在計算

地效對機翼氣動力的影響時

,

地面邊界層以外的流

場可以作為勢流來處理

,

氣流粘性對機翼的影響僅

限于地面附近邊界層內

O

因此當機翼處于地面邊界

層以內時

,

粘性對機翼氣動力的影響變得不可忽略

O

JOnathanZerihan

[l]

對一矩形機翼的地面效應影

響做了大量的實驗

,

深入研究了氣動力隨高度的變

化規律

,

實驗曲線之一如圖

l

所示

O

從圖中可以看

l 地效飛機的氣動特性

與常規飛機不同的是

,

由于地效飛機貼近地面

(

或水面

)

飛行

,

其氣動力會受到地面效應的影響

,

圖l 升力系數隨飛行高度的非線性變化規律

出

,

升力系數隨高度呈非線性變化

O

升力系數在很

收稿日期

!

2006

_

06

_

26

;

修訂日期

!

2007

_

05

_

ll

作者簡介

!

樂

挺

(

l982

_

),男

,

湖北通山人

,

博士研究生

,

主要從事飛行動力學方面的研究

;

王立新

(

l965

_

),男

,

江西南豐人

,

教授

/

博導

,

主要從事飛機設計

~

飛行動力學與飛行控制等方面的研究

O

6

飛

行

力

學第25卷

大范圍內隨著高度的降低而增大

這主要是由于此

時機翼下表面的氣流受到壓縮

形成了一個

動態氣

墊 壓力增大

從而導致升力增加

隨著高度繼續

下降

在機翼接近地面邊界層的情況下

由于空氣粘

性的影響

使得機翼上翼面末端氣流出現分離

見圖

2

因而升力系數在達到最大值后又逐漸變小

分

離現象與翼面的正壓力梯度有關

當高度極低時

機

翼翼面邊界層與地面邊界層融合

使得上翼面的正

壓力梯度增大

導致了氣流的分離

因而升力效應

下降

和升阻比增大

其低頭俯仰力矩也明顯增加

可見

地面效應對機翼氣動力的影響隨高度呈

非線性變化

當離地高度極低時

地面的粘性邊界層

對機翼升力的影響不容忽略

由于地效飛機氣動力

的變化

其穩定特性也會隨之改變

因此對其氣動布

局的設計也提出了新的要求

2 地效飛機的縱向穩定特性

圖2 近地時地面邊界層對機翼氣流分離的影響

研究表明

2

二維機翼的地面效應僅取決于飛

行高度與弦長的比值

/

而對于三維機翼而言

其氣動力除了受翼剖面形狀的影響外 還會受到機

翼平面形狀的影響

地效飛機近地飛行時

機翼的三維效應將顯現

出來

此時不僅應考慮地面效應對飛機升力的影

響

而且還必須考慮對其阻力

升阻比等參數的影

響

當飛機的飛行高度接近一個翼展時

其氣動力

就會因地效的作用而改變

飛機以正迎角近地飛行

時

其機翼下翼面與地面形成封閉空腔使氣流受到

阻滯

導致正壓力增強

同時

地面效應會削弱飛機

的翼尖渦流

增大其有效展長

也使得飛機的升力增

加

見圖

3

而地面對氣流的阻擋減小了機翼后的

氣流下洗

使其誘導阻力減小

從而增大了地效飛機

的升阻比

改善了其氣動效率

圖3 有無地效時飛機有效展長的比較

氣動力的改變則直接導致了作用在飛機上俯仰

力矩的改變

由于機翼升力的增加

且其作用點位于

重心之后

從而產生低頭力矩

加之機翼的下洗流減

小導致平尾升力的增大

會導致低頭力矩的進一步

增大

因此

在地面效應的作用下

飛機的升力系數

2.1 縱向穩定性準則

當地效飛機正迎角近地飛行時

由于機翼下翼

面的正壓力沿著弦長方向增加

升力增量作用點一

般接近于弦長的50

左右

導致機翼的氣動中心后

移

而平尾氣動效率的提高同樣會使得全機焦點后

移 最終導致其縱向穩定性增強 見圖4 因此 針

對地效飛機的氣動力特點

很有必要研究其縱向穩

定性的新準則

圖4 有無地效時機翼翼面壓力

分布及氣動中心位置比較

關于地效飛機的縱向穩定性準則 從理論上已

經得到解決

在地效區飛行時

由于飛機的氣動力

和力矩不僅和迎角有關

而且和飛行的高度有關

因

此常用

迎角焦點

!

!

和

高度焦點

!

"

的位

置關系來說明其縱向穩定性

從形式上看 地效飛機的運動方程和常規飛機

是一樣的

但由于地面效應的存在

地效飛機的運

動參數及其導數隨著飛行高度有著顯著的非線性變

化

因而其方程更為復雜

將其縱向運動方程簡化

后根據

ROuth-Hurwitz準則

能夠推導出地效飛機近

地定常平飛時受擾后保持穩定所必須滿足的兩個條

件

3

條件一

!

0

且

!

"

!

!

0 l

式中

!

<0保證地效飛機的迎角靜穩定性

!

"

-

!

!

<0保證其高度靜穩定性

高度靜穩定性是指飛

機在俯仰力矩保持不變時

高度受到擾動后的初始

瞬間

是否具有恢復原來平衡狀態的趨勢

條件二

第

3

期樂

挺等

.

地效飛機的縱向穩定性和氣動布局特點研究

7

O2O

!

!

"

+B>

0

G

式

O2O

保證了短周期的振蕩

O

動

O

穩定性

其中

和

B

為飛機氣動導數和本體參數的組合函數

從上面的穩定性判據式

OlO

可以看出

為了保

證地效飛機的高度靜穩定性

必須合理地設計飛機

的氣動布局

使飛機在地效區內飛行時的高度焦點

位于迎角焦點之前

并且重心位置的變化不能改變

其高度靜穩定性

;

穩定性判據式

O2O

則說明

為了保

證飛機短周期的振蕩穩定性

必須合理地配置重心

的位置

顯見

地效飛機與常規飛機對氣動布局的

須合理地設計其氣動布局

以保證關鍵氣動導數均

在滿足縱向穩定性準則所要求的數值范圍內

可以

看出

L

負值越大

對靜穩定性越有利

其主要和機

翼的布置有關

要增大l

可以減小機翼的安

L

l

裝高度

加裝翼梢端板

利用動力增沖等

而采用安

_

裝高度很低的倒三角形機翼布局

O

如

X

ll4O 可以

使地效作用下機翼的升力作用點前移

從而減小

的數值

使其有利于靜穩定性

由高度靜穩定性準則可知

L

!

越小

越有利于

高度靜穩定性

一般可以通過機翼的翼型和平面幾

設計要求將有所不同

2.2 縱向穩定性分析

地效飛機的高度靜穩定性條件

!

"

-

!

!

<0可

以變為

:

!

L

L

!

>0O3O

式

O3O

表明

!

L

L

!

和

這幾個導數對高度靜

穩定性有著重要的影響

4

地效飛機在巡航階段

一般不會處在極端的地效區內

因此有

L

<0

一

般

!

<0 所以式O3O的第一項

!

L

>0 有利于

靜穩定性

;

對于第二項

L

!

由于

L

!

>0

且

一

般也為正

所以第二項

L

!

>0不利于靜穩定性

因此

l

L

l

和l

!

l

越大越有利于高度靜穩定性

;

L

!

越小越有利于高度靜穩定性

;

而

越小甚至為

負值 越有利于高度靜穩定性 但常規氣動布局飛機

的

一般均為正值

只有采用特殊氣動布局的飛機

才能使其

為負值

地效飛機的高度靜穩定性準則與重心的位置無

關

但是其動穩定性卻與重心的位置密切相關

要

想保證地效飛機的動穩定性 就必須使重心位于合

理的位置

NikOIaiKOrneV和KOnStantinMatVeeV

5

經過研究得出重心必須位于高度焦點和迎角焦點

中間

并且重心要靠近高度焦點

O

見圖

5

O 即滿足

!

"

<

!

G

<0.5

O

!

!

+

!

"

O

才能保持地效飛機的動穩

定性

圖5 地效區內保證動穩定性時重心的位置

3 保證地效飛機縱向穩定性的氣動

布局設計要求

要保證地效飛機具有良好的縱向穩定性 就必

何參數的設計來改變其大小

;而l

!

l越大 越有利

于穩定

因此地效飛機通常采用較大的平尾容積和

高置

T

型尾翼

使其位于機翼的洗流區外

這樣在

變化不大的情況下

增大l

!

l

以提高其靜穩

定性

綜上所述

通過合理地設計地效飛機的各個部

件的外形參數 匹配好它們之間的相對位置 并合理

利用它們之間的有利干擾

可以得到優化的總體氣

動性能

以保證地效飛機的縱向穩定性

根據以上

各個氣動導數與其氣動布局的關系

可以得出地效

飛機構型的一般特點

O

見圖

6

O:

OlO

采用寬機翼

并且安裝位置相對較低

;

O2O機翼末端有端板 這樣能夠大大地減弱翼

端的上反流

基本上將氣流形成二維流從而改善氣

動效率

同時增強翼下表面

動態氣墊

的強度

增

大升力

減小阻力

提高升阻比

;

O3O

高置大尾容平尾

以使平尾位于機翼后方

的洗流區以外

保證縱向穩定性

;

O4O

機翼安裝角一般比較大

保證即使在小的

負迎角下飛行

機翼也有正的迎角

充分利用地面效

應來提高氣動特性

圖6 地效飛機氣動布局簡圖

4 結束語

本文分析了地面效應對飛機氣動力作用的機

理

介紹了地效區內氣動力隨飛行高度的非線性變

化規律

根據地效飛機特有的氣動特性

對其縱向

8

飛

行

力

學第25卷

穩定性準則及其影響因素進行了詳細地討論

,

得到

了保證動穩定性時地效飛機重心與迎角焦點

~

高度

焦點的位置關系

0

針對地效飛機的縱向穩定性準

則

,

分析了一般地效飛機的典型氣動布局特點

,

研究

結果對地效飛機的初始氣動布局設計有一定的指導

和參考價值0

參考文獻

!

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JOnathanZerihan

,

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B oolof eronauti S ien eandEngineering

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BU eijingl00083

,

ina

)

AbstractheinfIuenceOfgrO

:

T

theIOngitudinaIStaticanddynamicStabiIitycriteriaOftheWIGeffectcraftiSaISOinVeStigated

,incIudingthefaVOra-

,

wbIepOSitiOnOfthecenterOfgraVityandtheeffectSOfmajOraerOdynamicderiVatiVeSOnStaticStabiIityhichiSdif-

earchreSuItShOwSthattheaerOdynamicSOfWIGVarieSnOnIinearIywithheight.

AndtOenSureIOngitudinaIdynamicStabiIity

hecenterOfgraVityShOuIdbeIOcatedbetweentheaerOdynamiccenter

,

t

ingtOtheIOngitudinaIStaticanddynamicSta-

biIitycriteriaOftheWIGheaerOdynamiccOnfiguratiOnreguirementSwhichcanreceiVeexceIIentfIightguaIitieS

,

t

arediScuSSedatIaSt.

:

w

)

e

3

a

3

I

3

a

Keywordsing-in-grOund

(

WIGffectcrafterOdynamicprOpertieSOngitudinaIStabiIityerOdynamic

cOnfiguratiOn

"

編輯

#

王育林

$