中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

doi:10.7572/S1000-6893.2022.27437

流体力学与飞行力学

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中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

邵帅¹, 郭正¹(), 贾高伟¹, 陈清阳¹, 侯中喜¹, 张来平²

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071

收稿日期:2022-05-13 修回日期:2022-06-16 接受日期:2022-07-13 出版日期:2023-05-25 发布日期:2022-08-03
通讯作者: 郭正 E-mail:guozheng@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61801495);湖南省科技创新计划项目(2021RC3077)

Roll control of medium-aspect-ratio flying-wing UCAV based on trailing-edge jet

Shuai SHAO¹, Zheng GUO¹(), Gaowei JIA¹, Qingyang CHEN¹, Zhongxi HOU¹, Laiping ZHANG²

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.National Innovation Institute of Defense Technology，Academy of Military Sciences，Beijing 100071，China

Received:2022-05-13 Revised:2022-06-16 Accepted:2022-07-13 Online:2023-05-25 Published:2022-08-03
Contact: Zheng GUO E-mail:guozheng@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61801495);Science and Technology Innovation Program of Hunan Province(2021RC3077)

摘要/Abstract

摘要：

飞翼布局飞行器有望依靠射流主动流动控制技术实现无舵面飞行以改善隐身特性，但鲜有针对中等展弦比（3~4.5）战术级飞翼的相关研究。本文为中等展弦比飞翼布局无人机设计环量控制激励器取代传统副翼，开展全机数值模拟和飞行试验研究，探究后缘环量控制射流的滚转控制能力。数值模拟使用压力入口边界并考虑射流动量贡献的气动力，实现对飞翼绕流和激励器内流耦合模拟和整机气动特性预测。数值模拟研究表明，射流的滚转控制能力随射流动量系数线性增长，且未产生显著的横航向或横纵向耦合力矩。飞行试验结果表明，环量控制激励器实现了平均滚转角速率25.5~26.7 （°）/s，最大滚转角速率40.1 （°）/s，最大滚转角83.9°的控制效果。

关键词: 主动流动控制, 环量控制, 飞翼布局, 滚转控制, 飞行试验

Abstract:

With jet active flow control technologies， the flying-wing aircraft are expected to achieve flapless flight which can improve the stealth characteristics. However， little research has been done on the tactical flying-wing platforms with a medium aspect ratio （3-4）. We design a Circulation Control Effector （CCE） to replace the ailerons of a medium-aspect-ratio flying-wing UCAV. Numerical simulations and flight tests of the demonstrator are conducted to investigate the roll control effectiveness of the trailing-edge circulation control jet. In numerical simulations， the pressure inlet boundary is adopted， and the contribution of the jet momentum is also considered in the aerodynamic force calculation. Then， the coupling simulation of the inner flow in the CCE and the outer flow over the flying-wing UCAV is realized， and the aerodynamic characteristics of the demonstrator are predicted. The simulation results show that with the increase of the jet momentum coefficient， the roll control capability increases almost linearly， with no obvious coupling yaw moment or pitch moment. The flight test results indicate that remarkable roll control effectiveness is achieved by the CCE， with the mean roll rate being 25.5-26.7 （°）/s， the maximum roll rate 40.1 （°）/s， and the maximum roll angle 83.9°.

Key words: active flow control, circulation control, flying-wing aircraft, roll control, flight test

中图分类号:

V212.1

邵帅, 郭正, 贾高伟, 陈清阳, 侯中喜, 张来平. 中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 127437.

Shuai SHAO, Zheng GUO, Gaowei JIA, Qingyang CHEN, Zhongxi HOU, Laiping ZHANG. Roll control of medium-aspect-ratio flying-wing UCAV based on trailing-edge jet[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 127437.

图/表 20

图 1

表 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 2

CCE射流出口速度uj随离心风机PWM值的变化

PWM/ms	$u j$ /（m·s^-1）
1.19	11.90
1.27	29.47
1.35	47.88
1.442	62.49
1.48	70.77

表 2

图 7

表 3

射流出口速度uj对应的压比NPR和动量系数Cμ

$u j$ /（m·s^-1）	NPR	$C μ$
11.90	1.002	5.43×10^-5
29.47	1.010 7	3.19×10^-4
47.88	1.03	9.79×10^-4
62.49	1.04	1.33×10^-3
70.77	1.045	1.51×10^-3

表 3

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

表 4

表 5

参考文献 24

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	粗网格	中等网格	密网格
第1层网格厚度/m	1×10^-5	5×10^-6	2×10^-6
加密区平均尺度/m	0.08	0.05	0.04
单元数量	3.28×10⁶	8.87×10⁶	1.86×10⁷
C_L	-1.02×10^-2	-1.01×10^-2	-1.02×10^-2
C_D	8.14×10^-3	7.64×10^-3	7.57×10^-3
C_m	4.06×10^-3	4.13×10^-3	4.17×10^-3

参数	Jet-1	Jet-2	Jet-3
时间窗口/s	149.0~150.1	171.1~173.6	197.6~199.8
平均滚转角速率/（（°）·s^-1）	25.5	26.7	26.7
最大滚转角速率/（（°）·s^-1）	38.4	35	40.1
最大滚转角/（°）	59.5	83.9	69.1

算例	布局	后掠角/（°）	展弦比	最大滚转角速率/（（°）·s^-1）
Ref-1^［9］	平直翼	0	6.3	27.2
Ref-2^［24］	平直翼	4.1	7.9	15.62
Ref-3^［12］	飞翼	30	5.3	49.6
本文	飞翼	53	3.1	40.1

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中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

Roll control of medium-aspect-ratio flying-wing UCAV based on trailing-edge jet

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