一种多段机翼水面起降地效无人机气动特性

摘  要：      为改善水面起降性能和气动性能， 基于船身式机身、 多段机翼和T尾融合设计思路， 提出并设计了一种新型仿生式多段机翼地效无人机方案， 采用N-S方程和K-Ω-SST湍流模型， 详细研究了该型无人机在不同状态下的压力云图、 压力系数及升阻特性。 仿真结果表明， 地效作用随离水高度的增加而减小， 离水高度与平均几何弦长之比（高度弦长比H/c）接近1时， 地效作用较为显著， 无人机在离水高度0.2 m时， 升力系数、 升阻比分别提升21.91%和40.37%， 阻力系数降低15.22%； 对提出的多段机翼布局， 地效飞行主要影响下表面压力系数和压力云图， 下表面压力系数展向上由内向外正压增幅逐渐减小， 弦向上前后缘附近压力系数较小， 结合压力云图分析， 地效对升力增幅的影响主要集中在中段和内段机翼下方区域； 地效飞行可明显提高升力线斜率（H/c为1时提高了8.89%）， 迎角增加时升力系数增幅和阻力系数降幅均逐渐变大， 升阻比增幅（H/c为1）在迎角2°后均达到26%以上； 通过验证机的多轮水面起降和有、 无地效飞行试验， 证明设计方案具有优秀的气动性能和飞行性能， 可为水质检测、 水面地效运输、 搜救侦察等提供应用平台。

关键词：     多段机翼； 水面起降； 气动性能； 无人机； 地面效应； 船身式

中图分类号：     V221;TJ760

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）03-0119-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0154

引用格式： 刘战合， 夏陆林， 马云鹏， 等. 一种多段机翼水面起降地效无人机气动特性［ J］. 航空兵器， 2024， 31（ 3）： 119-128.

Liu Zhanhe，  Xia Lulin，  Ma Yunpeng，  et al. Aerodynamic Characteristics of UVA Taking Off and Landing from Water Surface with Multi-Segment Wing in Ground Effect ［ J］. Aero Weaponry， 2024， 31（ 3）： 119-128.（ in Chinese）

0  引  言

水面起降地效飞行器在侦察监视、 扫雷反潜、 岛链物资运输、 山林灭火等领域有较大应用前景［1-3］， 也是飞行器设计的重要研究方向， 该类飞行器主要利用地面或水面附近飞行时的地面效应改善升阻特性［4-5］， 利于气动性能、 载重能力、 水面任务能力的综合提升。 多数地效飞行器（无人机）采用水面起降方式， 从水面净浮力产生角度看， 包含两种设计方式： 一是浮筒式设计［6］， 多用于轻型飞机、 通航飞机或气动性能要求不高的方案； 二是船身式设计［7-8］， 多用于重型飞行器或气动性能要求较高的方案设计。

飞行器翼型设计、 机翼设计、 总体布局型式等对地效飞行状态升阻性能有较大影响。 为改善地效飞行器气动性能、 水面滑行稳定性等， 已有文献采用N-S方程［9-10］和风洞试验［11-12］研究了多段翼型［13］、 不同翼型（如NACA4412［9-10， 14-15］、 RAE2822［15］）在不同地效飞行速度、 飞行状态的升阻特性和压力云图等， 并分析了地效作用产生的流动机理； 以此为基础， 进一步研究了不同波浪条件下的绕翼型、 机翼地效气动特性及改进措施［11， 16-17］。 从机翼设计看， 数值研究和试验研究均表明， 采用翼尖端板［18］、 帆片［19］、 三维多段机翼［20］（沿弦向）等均可有效提升地面效应飞行的气动性能， 多段机翼可分为沿弦向分布和沿展向分布两种方式， 沿弦向分布的本质是机翼采用多段翼型［20］。 地效飞行器总体布局［21］、 总体设计参数、 气动外形［22-23］等对地效飞行气动性能有较大作用， 也是影响地效飞行器水面高速滑行稳定性［24-25］、 起飞降落过程稳定性的重要因素［26-28］， 满足水面滑行、 地效飞行、 空中巡航等综合性能的新概念地效无人机设计和机理研究成为重要发展方向。

可以看出， 以上研究重点关注翼型选择和气动特性分析， 针对地面效应设计的新型机翼尤其是新概念总体

收稿日期： 2023-08-11

基金项目： 国家自然科学基金项目（11702255）； 河南省科技攻关计划（242102220040; 242102220052； 232102220029）

*作者简介： 刘战合（1977-）， 男， 陕西富平人， 副教授， 博士。

布局的气动特性研究较少。 参考海鸥、 鹈鹕等水面栖息鸟类鸟翼结构外形， 提出一种沿展向分布的仿生式多段机翼、 T形尾翼的地效无人机总体布局， 与船身式机身融合， 解决水面起降、 地效飞行和空中巡航的气动性能优势平衡。 采用K-Ω-SST湍流模型和N-S方程详细研究了不同飞行高度对地面效应的影响、 不同状态下的压力云图、 有无地面效应的升阻特性等， 并分析了产生多段机翼的气动特性影响及产生机理。 为验证设计方案的正确性， 制作了试飞验证机， 在水面完成了多次起降试验和地效飞行试验， 验证了该地效无人机设计方案具有优秀的地效飞行性能， 可为新型地效飞行器设计和试验提供技术支撑。

1  地效无人机总体布局

1.1  多段机翼设计

航空兵器  2024年第31卷第3期

刘战合， 等： 一种多段机翼水面起降地效无人机气动特性

相对大型地效飞行器而言， 考虑到设计目标几何尺寸大小和任务需求， 巡航速度设为低速范围（Ma=0.4）， 参考已有研究结果［9， 14］， 翼型选择为NACA4412， 该翼型在地效飞行时具有较好的气动效率， 巡航迎角附近升阻比曲线较为平缓， 利于地效飞行， 相较NACA2412、 NACA5412等翼型在巡航迎角（尤其是地效飞行时）具有较好的升阻比曲线特征， 翼型下表面静压系数分布平缓， 利于地效飞行性能提升。 以NACA4412翼型为基准翼型， 沿展向分布设计多段机翼， 依次分为内段机翼、 中段机翼、 外段机翼， 如图1所示。

无人机地效飞行性能与机翼平面设计参数、 构造参数、 气动布局均有较大关系， 近水地效飞行时， 与水面形成的气体通道形状、 展向平面形状参数在较大程度上决定了地效飞行的气动特性。 为提高地效飞行气动效率如整机升阻特性和大迎角性能， 参考水面栖息鸟类飞行时鸟翼结构外形， 多段机翼整体上采用前掠设计， 同时结合前期地效飞行器设计、 起降试验研究结果， 几何尺寸较小的地效无人机水面起降和高速滑行时， 极易受机身两侧水浪影响， 机翼后缘前掠主要是为了避免或减弱机身前体部分（断阶附近）在高速滑行中波阻力带来的水浪飞溅至机翼， 从而提高水上飞机起降和高速滑行的方向稳定性。 鉴于此， 机翼俯视平面设计为多段机翼， 其中内段机翼、 中段机翼前缘后掠角较小， 中段机翼后缘采用前掠方式， 外段机翼相反， 前缘后掠而后缘无后掠角， 整机平均几何弦长为0.3 m。 设机翼半展长为L， 对内段机翼主要用于与船身式机身相连并保证机翼机身连接处结构强度， 前缘和后缘后掠角均为0°， 展向长度为0.15L， 安装角为3°。 中段机翼包含三部分， 依次由内向外分为中段A、 中段B、 中段C（端板）， 中段A前缘无后掠， 后缘前掠角为40°， 展向长度为0.2L； 中段B前缘前掠角为10°， 后缘前掠角与中段A相同， 展向长度为0.35L， 下反角为8°， 利于实现地效飞行气流封闭腔形成， 考虑到地效和非地效飞行稳定性， 采用了较小的下反角； 中段C主要用于与外段机翼相连， 前缘和后缘的后掠角均为0°， 展向长度为0.07L， 下反角为0°。 外段机翼前缘后掠角为30°， 后缘后掠角为0°， 展向长度为0.23L， 上反角为12°。

多段机翼为上单翼结构形式， 内段机翼后缘延伸到船身后体的舭部， 机翼机身结合处采用翼身融合处理， 进一步优化改善机身与机翼处的流场特性， 降低干扰阻力， 提高升阻比。 中段机翼与内段机翼设计弦长较大， 且带有一定的安装角（安装角2°）， 以提高地效飞行时的地面效应附加升力， 改善离水、 入水升力特性； 同时， 中段机翼带有下反与前掠角， 外段机翼上反角较大， 利于二者间端板更易靠近水面， 从而保证地效飞行时内段机翼、 中段机翼、 船身式机身之间形成展向封闭的气体流动空腔， 改善地面效应性能。 一般地， 从稳定性角度看， 地效无人机在近水地效飞行和非地效飞行时， 较小的前掠角对机翼升阻比性能影响不大， 考虑到水面高速滑行、 近水地效飞行的稳定性， 在中段B的前缘设计了较小的前掠角。

1.2  船身式机身及气动布局设计

如前所述， 地效无人机设计需综合考虑水面滑行、 地效飞行、 空中巡航等三种典型状态的气动特性、 稳定性、 可控性等， 设计中采用船身式机身、 T型尾翼、 常规布局气动型式。 船身式机身的无人机侧视图如图2所示。

地效无人机的水面高速滑行特性、 稳定特性及离水入水性能对无人机起降特性有重要影响。 针对该类飞行器的静水力学特性和水动特性研究， 黄领才等［3］发现机身底部外形结构是影响起降和适水性的重要因素， 进一步提出双凹面底部形状对高速滑行喷溅有较好的控制作用。 本文地效无人机的船身式机身底部采用分体设计， 前体底部采用了双扇贝底面形状， 减少水动阻力并且减弱其喷溅强度， 后体底部采用了单扇贝底面形状， 同时设置一定断阶高度， 以改善水流分离情况， 船身整体采用流线型设计， 减少空中巡航气动阻力。

结合地效飞行需求， 将无人机气动布局设计为多段机翼+T型尾翼的常规布局， 如图3所示。 高置T型尾翼位于船身式机身尾部， 可减弱或避免无人机在离水、 入水过程中喷溅现象对发动机装置的影响， 降低无人机在水面滑行或近水飞行时的气动-水动干扰， 采用双发桨推模式， 双桨位于多段机翼中段A靠后缘1/3弦长处。

2  气动性能分析研究方法

2.1  网格生成及气动性能分析方法

一般地， 水面起降地效无人机应兼顾无地效空中巡航、 水面地效飞行两种任务模态。 气动性能仿真分析中， 流场基本控制方程为连续性方程、 定常可压雷诺平均（RANS）N-S方程， 为提高逆压梯度边界层流动和分离状态尤其是大迎角状态流动的计算精度， 湍流模型采用K-Ω-SST两方程湍流模型， 计算地效作用时， 水面设定为无滑移壁面边界条件以模拟静止水面状态。

为提高多段机翼及机身的底部流动仿真精度， 加密了无人机翼面、 机翼前后缘及机身部位网格， 以更好捕捉及模拟飞行器表面的流动变化情况。 为提高计算效率， 采用半模模型生成网格， 无地效空中巡航状态的模型网格划分时， 对来流方向取10倍机身长度（13 m）， 尾流方向取30倍左右机身长度（40 m）， 其侧向及上下各取10倍展长（15 m）， 生成非结构网格， 其中体网格为四面体网格， 附面层网格为三棱柱网格， 网格数量为779万， 网格如图4所示。

对地效巡航状态， 无人机与地面之间的地效封闭区域（地效区）进行局部加密， 并保证其与无人机面网格之间的光顺过渡； 同时在地效飞行高度较低时， 改变无人机迎角， 为提高计算精度和收敛性， 避免仅修改来流迎角造成的来流在静止水面的回流现象， 采用每个迎角独立建立网格模型的方法， 来流方向保持水平方向不变， 即来流均设置为X轴正向来流， 实现无人机在不同攻角下的气动特性仿真， 提高计算结果精度和收敛特性， 网格数量为674.7万（俯仰角为4°）， 网格生成如图5。