展京霞,王晉軍

(1.北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所,北京 100091;2.成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,成都 610041)

0 引 言

鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀是柔性的,在飛行中可以發(fā)生各種微小變形,其中由于羽翼的剛度較小而在翼稍部分產(chǎn)生的變形主要表現(xiàn)為展向彎度的變化。近年來(lái)的初步研究表明,小展弦比機(jī)翼發(fā)生柔性變形時(shí),最大升力系數(shù)會(huì)出現(xiàn)突然的躍升、推遲失速[1-5],甚至出現(xiàn)復(fù)雜的多前緣渦結(jié)構(gòu)[6]。這些研究結(jié)果提醒人們,機(jī)翼的柔性具有復(fù)雜的作用機(jī)制,對(duì)氣動(dòng)特性有著巨大的影響。因此,可以推斷：對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)和魚(yú)等生物,翅膀和鰭的柔性變形或許對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)也有特殊的作用。

雨燕是一種具有卓越飛行能力的陸鳥(niǎo),它的翅膀在滑翔狀態(tài)時(shí)呈鐮刀狀,是典型的大展弦比平面翼。在其它飛行狀態(tài)時(shí),雨燕翅膀的手翼[7-8]會(huì)發(fā)生后掠、上反、下拍等變形和運(yùn)動(dòng),形成不同掠角的平面或非平面機(jī)翼形式。筆者[9]最近的研究表明,雨燕掠角的不對(duì)稱(chēng)變化能夠在橫航向交互影響較小的情況下產(chǎn)生顯著的滾轉(zhuǎn)力矩,雨燕通過(guò)這種方式可能實(shí)現(xiàn)快速且易于控制的滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。在雨燕的飛行過(guò)程中,也可以觀(guān)察到雨燕翅膀外翼部分發(fā)生的柔性變形(圖1)。

圖1 雨燕翅膀外翼的柔性變形Fig.1 Flexibility of common swift′s wing

目前,還沒(méi)有見(jiàn)到有關(guān)雨燕翅膀柔性變形與其飛行姿態(tài)、氣動(dòng)特性等之間相互關(guān)系的研究。設(shè)計(jì)了模擬雨燕翅膀形狀的大展弦比機(jī)翼,采用剛度較小的均質(zhì)材料加工機(jī)翼,通過(guò)風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)研究以展向彎度變化為表現(xiàn)形式的變形對(duì)大展弦比機(jī)翼縱向氣動(dòng)特性的影響。

1 模型與實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

仿雨燕翅膀平面形狀的機(jī)翼模型用厚度為0.8mm的均質(zhì)硬鋁板材加工而成,機(jī)翼的手翼部分在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)向背風(fēng)面彎曲,出現(xiàn)明顯的展向彎度變化。這樣的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)并不能完全模擬雨燕飛行中翅膀展向彎度的變化,但對(duì)于了解展向變形對(duì)氣動(dòng)特性的影響是有效的。這種在氣動(dòng)載荷作用下發(fā)生的被動(dòng)變形隨著機(jī)翼迎角的變化而改變,已有實(shí)驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)柔性雨燕翼模型在發(fā)生變形的同時(shí),翼面上也存在頻率較高的小幅振動(dòng)[7]。

實(shí)驗(yàn)的柔性仿雨燕翼模型的臂翼掠角 Λa=0°。手翼分為手翼外段(hand-wingout)和手翼內(nèi)段(handwingin),手翼外段相對(duì)手翼內(nèi)段后掠12.13°,并保持這一相對(duì)角度不變,即手翼外段和手翼內(nèi)段作為整體變化掠角。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),用手翼內(nèi)段掠角表征手翼后掠情況。Λh分別為-13.88°、-3.88°、-6.12°、26.12°、46.12°和 66.12°(圖 2),其中 Λh=6.12°的雨燕翼是根據(jù)滑翔飛行中雨燕翅膀的平面形狀得到的,將這一平面形狀的機(jī)翼稱(chēng)為“基本雨燕翼”。為了比較柔性變形的影響,對(duì)應(yīng)各個(gè)柔性翼模型有相同平面形狀的剛性翼模型,剛性翼用均質(zhì)硬鋁板材制成,模型厚度為2mm,在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下不發(fā)生肉眼可見(jiàn)的明顯變形。

圖2 部分仿雨燕翼模型示意圖Fig.2 The models of common swift′s wing

測(cè)力實(shí)驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)D1低速風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞為三元開(kāi)口回流風(fēng)洞,試驗(yàn)段全長(zhǎng)1.45m,截面形狀為橢圓形,進(jìn)口尺寸為1.02m×0.76m,出口尺寸為1.07m×0.81m。風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)較好,湍流度ε＜0.3%。測(cè)力用六分量桿式應(yīng)變天平完成,升力和阻力測(cè)量的不確定度都小于3%。迎角通過(guò)D1風(fēng)洞的迎角機(jī)構(gòu)給定,模型采用側(cè)裝方式。測(cè)力實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為25m/s,基于根弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)為Rer=6.16×104。

2 結(jié)果分析

2.1 升力特性

柔性和剛性基本雨燕翼的升力系數(shù)如圖3所示,升力斜率都在迎角8°附近突然減小,剛性基本雨燕翼的升力系數(shù)大幅下降,而柔性基本雨燕翼的升力沒(méi)有下降。對(duì)于其它掠角的雨燕翼,升力系數(shù)在小迎角區(qū)的這種變化也會(huì)因機(jī)翼的柔性變形而減緩或消除。

圖3 基本雨燕翼的升力系數(shù)Fig.3 Lift coefficient of basic swift′s wing

各個(gè)掠角的雨燕翼測(cè)力結(jié)果表明,柔性變形具有增大升力的效果見(jiàn)圖4(a),手翼掠角對(duì)柔性變形的增升作用有一定影響。圖4(b)、(c)、(d)給出了不同迎角下,柔性雨燕翼相對(duì)剛性翼的升力系數(shù)的絕對(duì)增量。從圖中可以看到,柔性變形的增升作用在一定的迎角范圍內(nèi)有效,這和已有小后掠柔性機(jī)翼的研究結(jié)果一致[1-5]。此外,增升效果也隨手翼掠角不同而有差異。在中小迎角下,手翼前掠時(shí)柔性變形的增升作用較強(qiáng);在大迎角下,手翼后掠越大,柔性變形的增升作用越強(qiáng)。

圖4 柔性雨燕翼與剛性雨燕翼升力系數(shù)的比較Fig.4 Lift coefficient of flexible and rigid wing

圖5 柔性、剛性雨燕翼的隨Λh的變化Fig.5 versus Λhfor flexible wing and rigid common swift′s wing

圖6 柔性、剛性雨燕翼的CLmax隨 Λh的變化Fig.6 Maximum lift coefficient versus Λhfor flexible and rigid common swift′s wing

柔性和剛性雨燕翼的最大升力系數(shù)CLmax在見(jiàn)圖6,可以看出柔性變形使得機(jī)翼的CLmax都有20%以上的增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示柔性變形對(duì)平面雨燕翼對(duì)應(yīng)最大升力系數(shù)的失速迎角影響不大,這也說(shuō)明具有柔性變形能力的翅膀也能夠改善雨燕的大迎角飛行性能。

2.2 阻力特性

對(duì)手翼掠角不同的雨燕翼,柔性變形都有一定的減阻效果見(jiàn)圖7(a),只是作用的迎角范圍稍有不同見(jiàn)圖7(b),但總體而言,柔性變形在很大的迎角范圍內(nèi)都能夠減小雨燕翼的阻力系數(shù)。

根據(jù)阻力系數(shù)測(cè)量結(jié)果得到的升致阻力因子k隨手翼掠角的變化見(jiàn)圖8(a),可以看到,當(dāng)手翼后掠時(shí),柔性雨燕翼的k都小于剛性翼,說(shuō)明在相同的升力系數(shù)下,柔性翼付出的阻力代價(jià)更小。因此,雨燕等鳥(niǎo)類(lèi)翅膀的柔性變形可以有效地減小飛行時(shí)的升致阻力,提高氣動(dòng)效率。柔性雨燕翼的最大升阻比都高于剛性翼見(jiàn)圖8(b),說(shuō)明雨燕翼的柔性變形有利于巡航效率的提高。從圖中可以看到,柔性翼的最大升阻比在基本雨燕翼形狀時(shí)最高,達(dá)到9左右,與剛性翼相比增大了50%。這些結(jié)果說(shuō)明,柔性變形具有增升減阻、提高最大升阻比的效果,因此,在鳥(niǎo)類(lèi)的飛行中,翅膀的柔性小變形具有非常重要的意義?？梢?jiàn)在微型飛行器的設(shè)計(jì)中,采用柔性變形機(jī)翼,可以極大地提高和改善其氣動(dòng)性能。

圖7 柔性雨燕翼與剛性雨燕翼阻力系數(shù)的比較Fig.7 Drag coefficient for flexible and rigid wing

圖8 柔性和剛性雨燕翼的升致阻力因子k、最大升阻比隨Λh的變化Fig.8 Maximum lift-to drag ratio versus Λhfor flexible and rigid wing

2.3 俯仰力矩特性

柔性和剛性雨燕翼的俯仰力矩系數(shù)比較接近,小迎角線(xiàn)性段內(nèi)柔性翼的CCLm只在前掠和較大后掠角情況下略有增大,可見(jiàn)柔性變形對(duì)機(jī)翼縱向靜穩(wěn)定性的影響較小(圖9)。

圖9 柔性和剛性雨燕翼的隨Λh的變化Fig.9 的versus Λhfor flexible and rigid wing

3 結(jié) 論

通過(guò)風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)分析了表現(xiàn)為展向彎度變化的柔性變形對(duì)大展弦比雨燕翼縱向氣動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種柔性變形在較寬的迎角和機(jī)翼掠角范圍內(nèi)都具有增升減阻的效果,可顯著提高最大升阻比和最大升力系數(shù)。因此,鳥(niǎo)類(lèi)翅膀的柔性對(duì)其飛行具有非常重要的意義,在微型飛行器的設(shè)計(jì)中采用柔性變形機(jī)翼可顯著提高其氣動(dòng)性能。柔性變形增升減阻的機(jī)理目前還不很清楚,有待深入研究。

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