唐小波 王国镔 胡勇军 凡小军 姜彰能

摘  要:根据某型机高速风洞测压实验结果,对不同转轴后掠角的全动水平尾翼在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算,着重研究了全动水平尾翼转轴后掠角对铰链力矩的影响,对平尾偏度、飞行马赫数和攻角的影响也进行了分析。计算结果表明,转轴后掠角对铰链力矩有较大影响,选择合适的转轴后掠角对全动平尾设计至关重要。通过比较,当转轴后掠角在53°~54°范围铰链力矩为最小。

关键词:全动平尾;转轴后掠角;铰链力矩

中图分类号:TJ410    文献标识码:A       文章编号:1671-2064(2019)24-0000-00

0 引言

在满足平尾使用技术条件下,尽量降低全动平尾的铰链力矩,是全动平尾设计的关键技术之一。[1]某型机设计采用斜轴式全动平尾 ,为了满足全机协调设计,提出过多种平尾设计方案,根据现有的高速测压结果,对同一平面外形不同后掠角转轴的全动水平尾翼在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算,分析研究了转轴后掠角χ、平尾偏度δz、飞行迎角α和M数等对平尾铰链力矩的影响,为平尾转轴位置的选定提供了参考依据。

1 平尾外形及计算模型

1.1 平尾外形

平尾平面外形如图1所示。

1.2 计算坐标及模型

采用局部坐标系。在机身左侧距飞机对称面适当处作一平行于对称面的平面,取左平尾与该平面的交点为左平尾局部坐标系的原点。局部坐标系的X轴向后为正,Y轴向上为正,Z轴向左为正。

为了计算平尾铰链力矩,需建立计算模型。以左平尾为例,沿平尾弦向划分为m块,沿展向划分为n列,将平尾共划分为m×n个面元块(见图2)。严格说来,面元块划分越多则计算的铰链力矩越准确,实际上面元块的划分数量与模型测压点分布有很大关系,划分时要根据具体情况而定。

2 计算状态及方法

2.1 计算状态

飞行马赫数:M=0.6, 1.15,1.5。

飞行迎角:

α=-4°,0°,4°,6°,8°,10°,12°,16°, 20°(M=0.6);

α=-4°,0°,4°,8°,10°,12° (M=1.15);

α=0°,4°,8° (M=1.5)。

平尾偏度:= -5°, -10°,-20°。

平尾转轴后掠角:χ=56°,54°, 53°, 52°,51°, 50°。

2.2 计算方法

根据风洞测压实验数据,采用插值、积分方法进行计算,计算采用的基本公式如下:

其中为铰链力矩系数, 为压力系数,为各小块的面积,为各小块形心位置到转轴的距离,为参考面积,为 参考长度,为弦向压心坐标,为展向压心坐标。

3 计算结果分析

3.1 转轴后掠角影响

图3给出了M=0.6、1.15和1.5,平尾偏度= -10°时平尾转轴后掠角χ对平尾铰链力矩mj的影响曲线。从图(a)可以看出,铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而不断增大,χ=50°时,铰链力矩mj最小;图(b)中,铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而增大,χ<51°以后,压心逐渐向转轴后移动,mj向负方向增大,最小铰链力矩mj介于χ=50°~51°之间。图(c)表明,χ<51°,压心位置几乎位于转轴后,mj绝对值随转轴后掠角χ减小,最小铰链力矩mj介于χ=53°~54°之间。

3.2 平尾偏度影响

(a) M=0.6,= -10°

(b) M=1.15,= -10°

(c) M=1.5,= -10°

图4给出了M=0.6、1.15和1.5,平尾转轴后掠角χ=50°时,平尾偏度对铰链力矩mj的影响曲线。从图(a)可以看出,在= -5°~-10°范围,铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而不断增大,当= -20°、α<10°时,压力中心急剧移向平尾转轴后,铰链力矩mj反向。从图 (b)、(c)看出,铰链力矩mj随平尾偏角 增大而向负方向增大。

3.3 飞行马赫数影响

图5给出了χ=50°、= -5°、-10°、-20°时,M对铰链力矩mj的影响曲线。从图看出,= -5°时,铰链力矩mj随M增大而减小,压力中心逐渐靠近转轴,当> -5°时,铰链力矩mj随M增大而向负方向增大,压力中心移至转轴后。

3.4 飞行迎角影响

从图3可见,在一定平尾偏度下,在亚声速时,各后掠角χ下的铰链力矩mj随α增大而减小。跨声速时,χ≥56°,除α=-4°外,铰链力矩mj随α增大而下降。χ<56°,在α=0°~-4°,铰链力矩mj随α而增大,0°<α≤8°,铰链力矩mj随α增大而下降。当α>8°、χ<53°,铰链力矩mj随α增大而逐步回升。超声速时,α<4°、χ<53°,铰链力矩mj随α增大而负值增大,α>4°,铰链力矩mj随α增大而减小。

(a) M=0.6,χ=50°

(b) M=1.15,χ=50°

(c) M=1.5,χ=50°

(a) χ=50°,= -5°

(b) χ=50°,= -10°

(c) χ=50°,= -20°

4 结论

本文根据风洞测压实验结果,对同一平面外形不同后掠角转轴的全动水平尾翼,在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算,分析研究了转轴后掠角χ、平尾偏度δz、飞行迎角α和M数等对平尾铰链力矩的影响,为平尾转轴位置的选定提供了参考依据。结果表明,后掠角对铰链力矩影响较大,该平尾转轴位置适宜在后掠角χ=53°~54°范围,此时产生的平尾铰链力矩为最小。

参考文献

[1] 《航空气动力手册》编写组.航空气动力手册:第一册[M].北京:国防工业出版社,1983.6.

[2] 《航空气动力手册》编写组.航空气动力手册:第二册[M].北京:国防工业出版社,1983.6.

[3] 孔德永,吴桂馥.舵面铰力矩的估算[J].空气动力学学报,2005,23(2):263-266.

收稿日期:2019-11-28

作者简介:唐小波(1979—),男,四川绵阳人,硕士,高级工程师,研究方向:飞机总体设计。

图已经改到最清楚了,作者回复先这样排