利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法

摘要

利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法，涉及飞机机翼。提供一种利用零质量射流的主动流动控制方法，通过零质量射流产生一个虚拟的气动鼓包型面，使之达到与实体鼓包相同的减小激波阻力的一种利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法。选用零质量射流激励器；在翼型上表面40％～80％弦长位置等间距布置多个零质量射流激励器；建立不同飞行状态下翼型表面激波位置，及利用零质量射流激励器减阻的零质量射流出口动量系数和频率等参数的数据库；确定靠翼型前缘一侧，距离翼型表面激波起始位置最近的零质量射流激励器；根据该激励器与激波起始位置的关系，确定需要开启的零质量射流激励器及零质量射流的出口动量系数、频率等参数，实现减小激波阻力的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机机翼，尤其是涉及一种利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法。

背景技术

民航客机减阻技术一直是各国学者研究的热点问题。有研究表明，对于大型民航客机而 言，当阻力减小1％，可使直接使用成本降低0.2％(李沛峰,张彬乾,陈迎春,等.减小翼型激 波阻力的鼓包流动控制技术[J].航空学报,2011,32(6):971-977；Reneaux J.Overview on drag  reduction technologies for civil transport aircraft[J].ONERA:Tire a Part,2004,153: 1-18.Transportation Systems,pp.81-86,ISSN：ISSN 1349-113X,2006)。现代民航客机普遍采 用超临界机翼技术，该类机翼可以大大提高飞机的升阻比及巡航马赫数(Harris C D.NASA  Supercritical airfoils:a matrix of family-related airfoils[J].1990)。然而，超临界机翼在跨音速 条件下飞行时，会在机翼的上表面产生较强的激波，产生激波阻力。该阻力是超临界机翼阻 力的主要来源之一。为了进一步降低机翼阻力，提高民航客机的经济性，研究减小机翼的激 波阻力具有重要意义。

目前超临界机翼的激波减阻技术主要采取实体鼓包减阻技术。实体鼓包减阻技术是在激 波位置上游对翼型外形进行修型，一般采用实体鼓包叠加在翼型上，以此对激波进行有效波 前预压缩及波中等熵压缩，将机翼表面的一道强激波变为λ波或者几道弱的斜激波，增大激 波厚度，达到减弱激波强度，减小激波阻力的效果。然而实体鼓包减阻技术是属于被动流动 控制方法，该方法在设计状态下，具有较好的减小激波阻力的效果，而在其他状态下减阻效 果较差，而且实体鼓包在一定程度上改变了超临界机翼的外形，影响了机翼的气动性能。

Glezer A(Glezer A.Some aspects of aerodynamic flow control using synthetic-jet actuation[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical,Physical and Engineering  Sciences,2011,369(1940):1476-1494)提出零质量射流与横向主流相互作用，会使气流的流动 方向发生改变，等效于物体的形状发生改变，称为零质量射流的虚拟气动型面效应。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有实体鼓包减小机翼激波阻力技术存在的不足，提供一种利用 零质量射流的主动流动控制方法，通过零质量射流产生一个虚拟的气动鼓包型面，使之达到 与实体鼓包相同的减小激波阻力的一种利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法。

本发明包括以下步骤：

1)选用零质量射流激励器，该零质量射流激励器产生射流的平均速度为5～250m/s，且 激励频率、输出波形、出口动量系数可调；

2)在翼型上表面40％～80％弦长位置等间距布置多个零质量射流激励器，零质量射流激 励器朝翼型的后缘喷射，射流的喷射角度与翼型表面法向方向成30°角，在机载计算机中记 录每个零质量射流激励器的位置；

3)采用计算流体力学数值模拟或者风洞试验获得马赫数大于0.7的不同飞行状态下(包 括马赫数和迎角等)翼型表面激波的位置，以及为减弱激波强度所需的零质量射流激励器喷 射的出口动量系数和频率等参数，形成数据库，存储到机载计算机中；

4)当飞行器飞行速度大于马赫数0.7时，机载计算机工作，根据存储的该飞行状态下的 激波位置以及零质量射流激励器的位置，挑选出位于激波位置靠翼型前缘一侧，距离激波起 始位置最近的零质量射流激励器，并记录该激励器的位置；

5)机载计算机判定当该零质量射流激励器的位置距离存储的激波起始位置大于0.025弦 长时，则开启该零质量射流激励器；当该零质量射流激励器的位置距离激波起始位置小于 0.025弦长时，则开启位于该零质量射流激励器的前一个激励器，零质量射流的出口动量系数 和频率根据机载计算机存储的数值模拟或者是风洞试验得到的参数确定。

本发明的优点如下：

本发明采用零质量射流减小机翼激波阻力的方法属于主动流动控制技术，能够在飞机处 于跨音速飞行时，开启零质量射流激励器，根据飞行状态调节零质量射流的喷射位置、出口 动量系数和频率，产生不同形状的气动鼓包型面，减弱激波强度，控制效果丰富；在飞机处 于较低速度飞行，机翼表面不产生激波时，关闭零质量射流激励器，虚拟气动鼓包型面消失， 使机翼表面恢复为原始外形。而实体鼓包控制技术是被动流动控制技术，存在着在设计状态 下具有较好的减阻效果，当流场实际情况偏离其设计状态时，减阻效果较差的问题。因此， 基于零质量射流减小激波阻力的方法相较于实体鼓包技术具有更好的鲁棒性，是一种较优选 择。

附图说明

图1是零质量射流激励器示意图。

图2是零质量射流激励器产生的射流与横向主流作用形成虚拟气动鼓包型面示意图。

图3是超临界翼型在跨音速条件下产生激波示意图。

图4是零质量射流激励器产生射流该变翼型表面激波形状示意图。

图5是压力传感器和零质量射流激励器在翼型表面布置示意图。

图6是压力传感器和零质量射流激励器在机翼表面布置示意图。

图中各标记如下：

1是零质量射流激励器、2是静止情况零质量射流激励器产生涡对的运动方向、3是表示 零质量射流激励器产生射流形成的涡对、4是表示来流、5是表示零质量射流激励器产生的射 流与横向主流作用后形成虚拟气动鼓包型面、6是超临界翼型、7是超临界翼型在跨音速来流 条件下产生的强激波、8是跨音速来流下超临界翼型在零质量射流作用后产生的λ波、9是超 临界翼型表面的法线方向、10是零质量射流激励器射流的方向、11是表示零质量射流激励器 的安装角度α、12是压力传感器和零质量射流激励器、13是超临界机翼、14是压力传感器和 零质量射流激励器的分布区域、C表示弦长、L表示机翼翼尖与机身之间的宽度。

具体实施方式

本发明以典型的超临界机翼为例，利用零质量射流减小激波阻力的具体步骤如下：

步骤一：选用零质量射流激励器；该激励器产生射流的平均速度为5～250m/s，且激励频 率、输出波形、出口动量系数可调；零质量射流激励器可以采用压电薄膜式或者活塞式的零 质量射流激励器。当零质量射流激励器工作时，腔内的膜片或者活塞往复运动产生涡对，形 成一股动量射流，如图1所示。该零质量射流与横向主流作用时，会使沿物面的流线向外推 移，形成虚拟的气动鼓包型面，如图2所示。

步骤二：在翼型上表面40％～80％弦长位置等间距布置多个零质量射流激励器，如图5所 示。零质量射流激励器都是朝翼型的后缘喷射，射流的喷射角度与翼型表面法向方向成30度 角，如图4所示。在机载计算机中记录每个零质量射流激励器的位置；

步骤三：采用计算流体力学数值模拟或者风洞试验获得马赫数大于0.7的不同飞行状态 下(包括马赫数和迎角等)翼型表面激波的位置，以及为减弱激波强度所需的零质量射流激 励器喷射的出口动量系数和频率等参数，形成数据库，存储到机载计算机中；

步骤四：当飞行器飞行速度大于马赫数0.7时，机载计算机工作，根据存储的该飞行状 态下的激波位置以及零质量射流激励器的位置，挑选出位于激波位置靠翼型前缘一侧，距离 激波起始位置最近的零质量射流激励器，并记录该激励器的位置；

步骤五：机载计算机判定当该零质量射流激励器的位置距离存储的激波起始位置大于 0.025弦长时，则开启该零质量射流激励器；当该零质量射流激励器的位置距离激波起始位 置小于0.025弦长时，则开启位于该零质量射流激励器的前一个激励器。零质量射流的出口 动量系数和频率根据机载计算机存储的数值模拟或者是风洞试验得到的参数确定。

对于超临界机翼，采用在机翼上表面在沿弦长方向0.4C～0.8C和沿展向0.1L～0.9L的长方 形区域内，如图6所示，均匀布置压力传感器阵列和零质量射流激励器阵列。对于机翼沿弦 线方向的每个截面上的压力传感器和零质量射流激励器的工作方式，按照步骤四和步骤五的 方式进行控制，即可以起到减小机翼激波阻力的效果。

另外，本发明也适用于其他形状机翼的激波阻力减阻。

本发明的工作原理如下：

本发明利用零质量射流减小机翼激波阻力的方法，核心部件是零质量射流激励器，图1 是零质量射流激励器示意图。该类激励器的膜片往复运动吹/吸气体，在孔口产生一股动量射 流，该射流与横向主流作用后，使得沿物面的流线向外推移，形成一个虚拟的气动鼓包型面， 如图2所示。在跨音速条件下，气流在翼型上表面会产生一道强激波，如图3所示，产生激 波阻力。本发明利用零质量射流产生的虚拟气动鼓包型面，替代实体鼓包，对翼型上表面的 激波进行有效波前预压缩及波中等熵压缩，将机翼表面的一道强激波变为λ波或者几道弱的 斜激波，增大激波厚度，达到减弱激波强度的效果，如图4所示。因此利用零质量射流可以 降低机翼的激波阻力。

本发明选用零质量射流激励器；在翼型上表面40％～80％弦长位置等间距布置多个零质量 射流激励器；建立不同飞行状态下翼型表面激波位置，及利用零质量射流激励器减阻的零质 量射流出口动量系数和频率等参数的数据库；确定靠翼型前缘一侧，距离翼型表面激波起始 位置最近的零质量射流激励器；根据该激励器与激波起始位置的关系，确定需要开启的零质 量射流激励器及零质量射流的出口动量系数、频率等参数，实现减小激波阻力的效果。本发 明利用零质量射流与主流作用产生一个虚拟的气动鼓包型面代替实体鼓包，使得翼型上表面 的强激波变为λ波或者若干道弱的斜激波，从而减弱激波强度，达到减小激波阻力的效果。 本发明零质量射流可以根据飞行状态调整射流喷射位置、出口动量系数和频率，使之形成不 同形状的气动鼓包型面，控制效果丰富，因此相较于实体鼓包控制技术在设计状态具有较好 的减阻效果，在其他飞行状态下减阻效果差的问题，本发明具有更好的鲁棒性。