地效飞机的纵向稳定性和气动布局特点研究

2024年3月17日发(作者：大学班会总结)

第25卷

第

3

期

2007年

9

月

飞

行

力

学

FLIGHT DYNAMICS

VOI.25 NO.3

Sep.2007

地效飞机的纵向稳定性

和气动布局特点研究

乐 挺!王立新

(

北京航空航天大学航空科学与工程学院

,

北京l00083

)

摘

要

!

分析了地面效应对飞机气动力特性的影响

,

以及地效飞机不同于常规飞机的纵向稳定性准则

,

包

括重心与迎角焦点和高度焦点的位置关系

~

影响其纵向稳定性的主要气动导数等

O

研究结果表明

,

地效区内飞

机的气动力随高度呈非线性变化

,而重心必须位于迎角焦点与高度焦点之间并且靠近高度焦点才能保证地效飞

机的纵向稳定性

O

最后根据地效飞机的稳定性准则

,

讨论了保证地效飞机良好飞行品质的气动布局要求

O

关

键

词

!

地效飞机

;

气动特性

;

纵向稳定性

;

气动布局

中图分类号

!

V2l2 文献标识码

!

A 文章编号

!

l002

_

0853

(

2007

)

03

_

0005

_

04

引言

)

是一种 地效飞机

(

WinginGrOundEffectCraft

主要利用地面效应提供升力而飞行的运载工具

O

在

地效的作用下

,

地效飞机的升阻比较常规飞机大

,

因而飞行时所消耗的推进功率较小,具有更大的载

重量和航程

O

地面效应一般能提高飞机的气动效率

,

但往往

也给其纵向稳定性带来不利影响

O

近地飞行时

,

地

效飞机的气动力不仅与迎角有关

,

而且与飞行高度

有关,因而影响其纵向稳定性的因素更为复杂O

在地效飞机的气动布局设计过程中

,

一方面要

充分利用地面效应来提高飞机的气动效率

,

另一方

面应该通过合理设计其气动布局

,

匹配好各种部件

的外形参数

,

得到优化的总体气动性能来克服地面

效应对飞机纵向稳定性的不利影响

O由于地效飞机

飞行时的高度储存不够

,

若纵向稳定性较差

,

将会危

及其作业的飞行安全

,

因而地效飞机纵向稳定性及

其气动布局设计显得尤为重要

O

气动力产生的机理相对较为复杂O高度越低,地面

效应越强烈

O

地效飞机近地飞行时

,

机翼的气动力

受到地效的影响最为显著

,

因此

,

地效区内机翼气动

力随高度的变化规律基本上可以反映地面效应对飞

机全机气动特性的影响

O

针对地面效应对机翼气动特性的影响问题

,

国

内外许多学者都做过大量的研究工作

O

一般在计算

地效对机翼气动力的影响时

,

地面边界层以外的流

场可以作为势流来处理

,

气流粘性对机翼的影响仅

限于地面附近边界层内

O

因此当机翼处于地面边界

层以内时

,

粘性对机翼气动力的影响变得不可忽略

O

JOnathanZerihan

[l]

对一矩形机翼的地面效应影

响做了大量的实验

,

深入研究了气动力随高度的变

化规律

,

实验曲线之一如图

l

所示

O

从图中可以看

l 地效飞机的气动特性

与常规飞机不同的是

,

由于地效飞机贴近地面

(

或水面

)

飞行

,

其气动力会受到地面效应的影响

,

图l 升力系数随飞行高度的非线性变化规律

出

,

升力系数随高度呈非线性变化

O

升力系数在很

收稿日期

!

2006

_

06

_

26

;

修订日期

!

2007

_

05

_

ll

作者简介

!

乐

挺

(

l982

_

),男

,

湖北通山人

,

博士研究生

,

主要从事飞行动力学方面的研究

;

王立新

(

l965

_

),男

,

江西南丰人

,

教授

/

博导

,

主要从事飞机设计

~

飞行动力学与飞行控制等方面的研究

O

6

飞

行

力

学第25卷

大范围内随着高度的降低而增大

这主要是由于此

时机翼下表面的气流受到压缩

形成了一个

动态气

垫 压力增大

从而导致升力增加

随着高度继续

下降

在机翼接近地面边界层的情况下

由于空气粘

性的影响

使得机翼上翼面末端气流出现分离

见图

2

因而升力系数在达到最大值后又逐渐变小

分

离现象与翼面的正压力梯度有关

当高度极低时

机

翼翼面边界层与地面边界层融合

使得上翼面的正

压力梯度增大

导致了气流的分离

因而升力效应

下降

和升阻比增大

其低头俯仰力矩也明显增加

可见

地面效应对机翼气动力的影响随高度呈

非线性变化

当离地高度极低时

地面的粘性边界层

对机翼升力的影响不容忽略

由于地效飞机气动力

的变化

其稳定特性也会随之改变

因此对其气动布

局的设计也提出了新的要求

2 地效飞机的纵向稳定特性

图2 近地时地面边界层对机翼气流分离的影响

研究表明

2

二维机翼的地面效应仅取决于飞

行高度与弦长的比值

/

而对于三维机翼而言

其气动力除了受翼剖面形状的影响外 还会受到机

翼平面形状的影响

地效飞机近地飞行时

机翼的三维效应将显现

出来

此时不仅应考虑地面效应对飞机升力的影

响

而且还必须考虑对其阻力

升阻比等参数的影

响

当飞机的飞行高度接近一个翼展时

其气动力

就会因地效的作用而改变

飞机以正迎角近地飞行

时

其机翼下翼面与地面形成封闭空腔使气流受到

阻滞

导致正压力增强

同时

地面效应会削弱飞机

的翼尖涡流

增大其有效展长

也使得飞机的升力增

加

见图

3

而地面对气流的阻挡减小了机翼后的

气流下洗

使其诱导阻力减小

从而增大了地效飞机

的升阻比

改善了其气动效率

图3 有无地效时飞机有效展长的比较

气动力的改变则直接导致了作用在飞机上俯仰

力矩的改变

由于机翼升力的增加

且其作用点位于

重心之后

从而产生低头力矩

加之机翼的下洗流减

小导致平尾升力的增大

会导致低头力矩的进一步

增大

因此

在地面效应的作用下

飞机的升力系数

2.1 纵向稳定性准则

当地效飞机正迎角近地飞行时

由于机翼下翼

面的正压力沿着弦长方向增加

升力增量作用点一

般接近于弦长的50

左右

导致机翼的气动中心后

移

而平尾气动效率的提高同样会使得全机焦点后

移 最终导致其纵向稳定性增强 见图4 因此 针

对地效飞机的气动力特点

很有必要研究其纵向稳

定性的新准则

图4 有无地效时机翼翼面压力

分布及气动中心位置比较

关于地效飞机的纵向稳定性准则 从理论上已

经得到解决

在地效区飞行时

由于飞机的气动力

和力矩不仅和迎角有关

而且和飞行的高度有关

因

此常用

迎角焦点

!

!

和

高度焦点

!

"

的位

置关系来说明其纵向稳定性

从形式上看 地效飞机的运动方程和常规飞机

是一样的

但由于地面效应的存在

地效飞机的运

动参数及其导数随着飞行高度有着显著的非线性变

化

因而其方程更为复杂

将其纵向运动方程简化

后根据

ROuth-Hurwitz准则

能够推导出地效飞机近

地定常平飞时受扰后保持稳定所必须满足的两个条

件

3

条件一

!

0

且

!

"

!

!

0 l

式中

!

<0保证地效飞机的迎角静稳定性

!

"

-

!

!

<0保证其高度静稳定性

高度静稳定性是指飞

机在俯仰力矩保持不变时

高度受到扰动后的初始

瞬间

是否具有恢复原来平衡状态的趋势

条件二

第

3

期乐

挺等

.

地效飞机的纵向稳定性和气动布局特点研究

7

O2O

!

!

"

+B>

0

G

式

O2O

保证了短周期的振荡

O

动

O

稳定性

其中

和

B

为飞机气动导数和本体参数的组合函数

从上面的稳定性判据式

OlO

可以看出

为了保

证地效飞机的高度静稳定性

必须合理地设计飞机

的气动布局

使飞机在地效区内飞行时的高度焦点

位于迎角焦点之前

并且重心位置的变化不能改变

其高度静稳定性

;

稳定性判据式

O2O

则说明

为了保

证飞机短周期的振荡稳定性

必须合理地配置重心

的位置

显见

地效飞机与常规飞机对气动布局的

须合理地设计其气动布局

以保证关键气动导数均

在满足纵向稳定性准则所要求的数值范围内

可以

看出

L

负值越大

对静稳定性越有利

其主要和机

翼的布置有关

要增大l

可以减小机翼的安

L

l

装高度

加装翼梢端板

利用动力增冲等

而采用安

_

装高度很低的倒三角形机翼布局

O

如

X

ll4O 可以

使地效作用下机翼的升力作用点前移

从而减小

的数值

使其有利于静稳定性

由高度静稳定性准则可知

L

!

越小

越有利于

高度静稳定性

一般可以通过机翼的翼型和平面几

设计要求将有所不同

2.2 纵向稳定性分析

地效飞机的高度静稳定性条件

!

"

-

!

!

<0可

以变为

:

!

L

L

!

>0O3O

式

O3O

表明

!

L

L

!

和

这几个导数对高度静

稳定性有着重要的影响

4

地效飞机在巡航阶段

一般不会处在极端的地效区内

因此有

L

<0

一

般

!

<0 所以式O3O的第一项

!

L

>0 有利于

静稳定性

;

对于第二项

L

!

由于

L

!

>0

且

一

般也为正

所以第二项

L

!

>0不利于静稳定性

因此

l

L

l

和l

!

l

越大越有利于高度静稳定性

;

L

!

越小越有利于高度静稳定性

;

而

越小甚至为

负值 越有利于高度静稳定性 但常规气动布局飞机

的

一般均为正值

只有采用特殊气动布局的飞机

才能使其

为负值

地效飞机的高度静稳定性准则与重心的位置无

关

但是其动稳定性却与重心的位置密切相关

要

想保证地效飞机的动稳定性 就必须使重心位于合

理的位置

NikOIaiKOrneV和KOnStantinMatVeeV

5

经过研究得出重心必须位于高度焦点和迎角焦点

中间

并且重心要靠近高度焦点

O

见图

5

O 即满足

!

"

<

!

G

<0.5

O

!

!

+

!

"

O

才能保持地效飞机的动稳

定性

图5 地效区内保证动稳定性时重心的位置

3 保证地效飞机纵向稳定性的气动

布局设计要求

要保证地效飞机具有良好的纵向稳定性 就必

何参数的设计来改变其大小

;而l

!

l越大 越有利

于稳定

因此地效飞机通常采用较大的平尾容积和

高置

T

型尾翼

使其位于机翼的洗流区外

这样在

变化不大的情况下

增大l

!

l

以提高其静稳

定性

综上所述

通过合理地设计地效飞机的各个部

件的外形参数 匹配好它们之间的相对位置 并合理

利用它们之间的有利干扰

可以得到优化的总体气

动性能

以保证地效飞机的纵向稳定性

根据以上

各个气动导数与其气动布局的关系

可以得出地效

飞机构型的一般特点

O

见图

6

O:

OlO

采用宽机翼

并且安装位置相对较低

;

O2O机翼末端有端板 这样能够大大地减弱翼

端的上反流

基本上将气流形成二维流从而改善气

动效率

同时增强翼下表面

动态气垫

的强度

增

大升力

减小阻力

提高升阻比

;

O3O

高置大尾容平尾

以使平尾位于机翼后方

的洗流区以外

保证纵向稳定性

;

O4O

机翼安装角一般比较大

保证即使在小的

负迎角下飞行

机翼也有正的迎角

充分利用地面效

应来提高气动特性

图6 地效飞机气动布局简图

4 结束语

本文分析了地面效应对飞机气动力作用的机

理

介绍了地效区内气动力随飞行高度的非线性变

化规律

根据地效飞机特有的气动特性

对其纵向

8

飞

行

力

学第25卷

稳定性准则及其影响因素进行了详细地讨论

,

得到

了保证动稳定性时地效飞机重心与迎角焦点

~

高度

焦点的位置关系

0

针对地效飞机的纵向稳定性准

则

,

分析了一般地效飞机的典型气动布局特点

,

研究

结果对地效飞机的初始气动布局设计有一定的指导

和参考价值0

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YUETingNGLi-xin

,

WA

(

S

,

B oolof eronauti S ien eandEngineering

,

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

"

编辑

#

王育林

$