串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局

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串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局
申请号	CN202110379118.X	申请日	2021-04-08	公开(公告)号	CN113060269A	公开(公告)日	2021-07-02
申请人	西北工业大学;			发明人	熊步先; 袁鸿文; 孙杨; 邹彩侠; 谢含; 田科源; 白怡暄; 韩庆;
摘要	一种串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，在飞艇艇身的两侧分别有一组通过固定翼安装段与艇身连接倾转渠式艇翼，包括左前翼和左后翼，右前翼和右后翼，并且各艇翼为内翼段、半环翼段和外翼段三段。飞艇的动力装置有四个，分别安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面，并位于所在艇翼的半环翼段内。本发明中半环翼段上搭载着桨盘垂直来流的螺旋桨，当螺旋桨高速转动时，桨盘后方产生高速度气流，该气流流经半环翼段上方，而半环翼段下方为低速气流。由伯努利定律可知，低速不可压缩流体，速度增加压强减小，速度下降压强增大。因此，半环翼段上表面的高速气流在艇翼上方产生低压区域，而半环翼段下方低速气流在艇翼想法产生高压区域，上下压力差在渠式艇翼产生极大的升力，赋予渠式艇翼高升力特性，有效地解决了现有技术艇翼的低速飞行时产生的升力较小、增加飞艇结构重量的缺陷。
权利要求	1.一种串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，以飞艇的飞行方向为前方，该飞艇为面对称几何体，飞行方向的两侧分别为左侧和右侧；以该飞艇艇身前端顶点作为外挂部件的安装基准点，记为O；在O点建立描述飞艇几何参数的右手坐标系，x轴位于飞艇对称面内水平向后指向飞艇后方，z轴位于飞艇对称面竖直向上，y轴垂直x‑z平面指向飞艇右侧且满足右手法则，所述飞艇包括艇身、艇翼、尾翼和动力装置，其中艇翼位于所述艇身两侧，位移位于该艇身尾段，所述动力装置安装在艇翼表面；其特征在于，所述艇身采用椭球状，该艇身的横截面与纵截面均呈椭圆形；在所述飞艇艇身的两侧分别有一组倾转渠式艇翼，各组倾转渠式艇翼分别通过固定翼安装段与艇身连接；位于艇身左侧的艇翼分别是左前翼和左后翼，位于艇身右侧的艇翼分别是右前翼和右后翼；所述飞艇的动力装置有四个，分别安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面，并分别位于所在艇翼的半环翼段内，并使动力装置的中心线与该半环翼段的中心线重合。 2.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述艇身的总长度为4.8m，高度为0.96m，宽度为1.44m。 3.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述艇身的几何外形中，相对安装基准点水平距离分别为0.3m、0.6m、1.4m、3.9m、4.3m和4.8m的横截面曲线坐标数据分别为：艇身横截面坐标数据表艇身中部相对安装基准点距离为1.5m至3.9m一段为等截面，各截面曲线由散点根据样条线规则生成，艇身三维曲面则是根据各截面曲线根据多截面曲面法则生成，获得飞艇艇身的几何外形。 4.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述艇身纵向对称面曲线坐标数据分别为：艇身纵截面坐标数据表 5.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述各固定翼安装段水平的固定在艇身的两侧，并使各固定翼安装段前缘与所述安装基准点位于同一水平面；所述左前固定翼安装段的前缘距离安装基准点的水平距离为1.3m，该左后固定翼安装段的前缘距离所述左前固定翼安装段前缘的距离为1.9m；位于艇身右侧的一组固定翼安装段与艇身左侧的一组固定翼安装段关于艇身对称；各所述固定翼安装段展向长度为 0.0951m，弦长为0.3m。 6.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，各所述倾转渠式艇翼均分为内翼段、半环翼段和外翼段三段；各所述内翼段分别位于各倾转渠式艇翼的内端，各内翼段的靠近艇身一侧的端头处分别形成了各倾转渠式艇翼的翼根，并使翼根分别与各倾转渠式艇翼所在位置处的固定翼安装段固连；各所述外翼段分别位于各倾转渠式艇翼的外端，形成了各倾转渠式艇翼的翼稍；所述半环翼段位于该内翼段与外翼段之间。 7.如权利要求6所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述内翼段和外翼段的翼型均采用NACA4412，弦长均为0.3m；该内翼段的展长为0.165m，外翼段的展长为 0.26m；所述半环翼段的前缘线半径为0.1205m，并且该半环翼段弦向剖面的型面亦采用NACA4412；该半环翼段环形开口的两个侧边分别与所述的内翼段上翼面或外翼段上翼面光滑过渡连接。 8.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述尾翼有四个，呈X布局安装在艇身尾端；各尾翼根部的尾翼前缘距离安装基准点的水平距离为4.2m；尾翼根部的弦长为0.35m，尾翼梢部的弦长为0.2m；尾翼的展长为0.6m，后掠角为30度，各尾翼剖面翼型为NACA0012。 9.如权利要求1所述串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局，其特征在于，所述动力装置包括RS2205电机、RAPTOR 20A电子调速器和5045螺旋桨；螺旋桨安装在所述电机输出轴上，并使该螺旋桨桨叶的前缘与所述倾转渠式艇翼的前缘处于同一垂直面上；该电机通过电机座安装在所述半环翼段内，并使该电机座通过电机安装横梁固定在半环翼段的内壁面上。
说明书全文	串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局技术领域 [0001] 本发明涉及飞艇领域，具体是一种串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局。背景技术 [0002] 飞艇属于浮空器的一种，是利用轻于空气的气体,如氢气，氦气等来提供升力的航空器。传统飞艇具有滞空时间长，运行成本低，载重能力强等特点。传统飞艇采用螺旋桨推力进行直接力控制，但通常采用平板连接螺旋桨电机。CN201921163202.2专利提供了一种平流层飞艇，采用平板艇翼连接飞艇与螺旋桨涵道。CN205952280U提供了一种宽体可变翼的平流层飞艇，该专利的飞艇的螺旋桨和艇翼相互独立，艇翼采用平板翼型，平板翼型上铺设太阳能电池板。CN106516074A提供了一种可变形的升浮一体飞行器气动外形设计，飞行器升力由静升力和动升力两部分构成，静升力由机身产生，动升力由机翼产生，机翼位于机身上部，前后翼相同设计，单个机翼为大展弦比平直机翼，机身截面为两个半椭圆的组合。该专利仅仅采用平板机翼或连接螺旋桨或作为独立的升力面来使用，机翼本身具有一定的结构重量但是在低速飞行时几乎不产生升力。CN 201367113Y是一种升浮一体半硬式飞艇，其特征是具有一根贯穿艇体中心轴的刚性龙骨，该龙骨和飞艇的头尾锥组成半硬式结构，艇身两侧带有一对可旋转的动升力翼。该飞行器的机翼展弦比较小，增加动升力效果有限。 CN 212022950U是一种分布式动力飞艇,包括浮力气囊、若干矢量动力系统及控制系统，所述矢量动力系统包括若干矢量机构、动力装置及螺旋桨，若干矢量机构设于所述浮力气囊两侧。CN 111846191 A提供了一种组合动力飞艇，包括气囊骨架，所述气囊骨架外包裹有气囊,所述气囊骨架的两侧均连接有前主旋翼支架和后主旋翼支架，每侧的所述，前主旋翼支架和后主旋翼支架之间均设置有侧旋翼支架,所述侧旋翼支架连接于所述气囊骨架上。 [0003] 以上各专利构型都是普通飞艇附加螺旋桨的方式，虽然有利于解决传统飞艇的不稳定性问题，但是飞艇气动布局不佳，飞艇阻力增大，结构重量增大，使得飞艇的有效载荷降低，承载能力下降。发明内容 [0004] 针对现有飞艇艇翼的低速飞行时产生的升力较小、增加飞艇结构重量的缺陷，本发明提出了一种串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局。 [0005] 本发明以飞艇的飞行方向为前方，该飞艇为面对称几何体，飞行方向的两侧分别为左侧和右侧；以该飞艇艇身前端顶点作为外挂部件的安装基准点，记为O。在O点建立描述飞艇几何参数的右手坐标系，x轴位于飞艇对称面内水平向后指向飞艇后方，z轴位于飞艇对称面竖直向上，y轴垂直x‑z平面指向飞艇右侧且满足右手法则，所述飞艇包括艇身、艇翼、尾翼和动力装置，其中艇翼位于所述艇身两侧，位移位于该艇身尾段，所述动力装置安装在艇翼表面。本发明的技术特征在于，所述艇身采用椭球状，该艇身的横截面与纵截面均呈椭圆形；在所述飞艇艇身的两侧分别有一组倾转渠式艇翼，各组倾转渠式艇翼分别通过固定翼安装段与艇身连接；位于艇身左侧的艇翼分别是左前翼和左后翼，位于艇身右侧的艇翼分别是右前翼和右后翼；所述飞艇的动力装置有四个，分别安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面，并分别位于所在艇翼的半环翼段内，并使动力装置的中心线与该半环翼段的中心线重合。 [0006] 所述艇身的总长度为4.8m，高度为0.96m，宽度为1.44m。 [0007] 所述艇身的几何外形中，相对安装基准点水平距离分别为0.3m、0.6m、1.4m、3.9m、4.3m和4.8m的横截面曲线坐标数据分别为： [0008] 艇身横截面坐标数据表 [0009] [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] 艇身中部相对安装基准点距离为1.5m至3.9m一段为等截面，各截面曲线由散点根据样条线规则生成，艇身三维曲面则是根据各截面曲线根据多截面曲面法则生成，获得飞艇艇身的几何外形。 [0016] 所述艇身纵向对称面曲线坐标数据分别为: [0017] 艇身纵截面坐标数据表 [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] 所述各固定翼安装段水平的固定在艇身的两侧，并使各固定翼安装段前缘与所述安装基准点位于同一水平面。所述左前固定翼安装段的前缘距离安装基准点的水平距离为 1.3m，该左后固定翼安装段的前缘距离所述左前固定翼安装段前缘的距离为1.9m。位于艇身右侧的一组固定翼安装段与艇身左侧的一组固定翼安装段关于艇身对称。各所述固定翼安装段展向长度为0.0951m，弦长为0.3m。 [0025] 各所述倾转渠式艇翼均分为内翼段、半环翼段和外翼段三段。各所述内翼段分别位于各倾转渠式艇翼的内端，各内翼段的靠近艇身一侧的端头处分别形成了各倾转渠式艇翼的翼根，并使翼根分别与各倾转渠式艇翼所在位置处的固定翼安装段固连；各所述外翼段分别位于各倾转渠式艇翼的外端，形成了各倾转渠式艇翼的翼稍。所述半环翼段位于该内翼段与外翼段之间。 [0026] 所述内翼段和外翼段的翼型均采用NACA4412，弦长均为0.3m；该内翼段的展长为0.165m，外翼段的展长为0.26m；所述半环翼段的前缘线半径为0.1205m，并且该半环翼段弦向剖面的型面亦采用NACA4412。该半环翼段环形开口的两个侧边分别与所述的内翼段上翼面或外翼段上翼面光滑过渡连接。 [0027] 所述尾翼有四个，呈X布局安装在艇身尾端。各尾翼根部的尾翼前缘距离安装基准点的水平距离为4.2m。尾翼根部的弦长为0.35m，尾翼梢部的弦长为0.2m；尾翼的展长为 0.6m，后掠角为30度，各尾翼剖面翼型为NACA0012。 [0028] 所述动力装置包括RS2205电机、RAPTOR 20A电子调速器和5045螺旋桨。螺旋桨安装在所述电机输出轴上，并使该螺旋桨桨叶的前缘与所述倾转渠式艇翼的前缘处于同一垂直面上。该电机通过电机座安装在所述半环翼段内，并使该电机座通过电机安装横梁固定在半环翼段的内壁面上。 [0029] 与现有技术相比较，本发明取得有益效果为： [0030] 本发明中的渠式艇翼分为内艇翼、半环翼段和外艇翼段。半环翼段上搭载着桨盘垂直来流的螺旋桨，当螺旋桨高速转动时，桨盘后方产生高速度气流，该气流流经半环翼段上方，而半环翼段下方为低速气流。由伯努利定律可知，低速不可压缩流体，速度增加压强减小，速度下降压强增大。因此，半环翼段上表面的高速气流在艇翼上方产生低压区域，而半环翼段下方低速气流在艇翼想法产生高压区域，上下压力差在渠式艇翼产生极大的升力，赋予渠式艇翼高升力特性。 [0031] 为验证本发明所提出的气动布局的有益效果，采用CFD数值模拟方法对渠式艇翼进行气动性能计算。采用ICEM CFD软件生成模型的计算网格，螺旋桨处理采用MRF方法，将流场计算区域划分为旋转域和静止域，在区域交界位置进行流场信息的传递与差值，最终通过求解RANS方程得到流场计算结果。计算工况选取海平面高度下螺旋桨转速6000转/分钟且艇翼迎角AOA＝0°时的工况进行对比，计算工具为CFX商业软件，CFD计算的流场对比图如附图所示。构型计算所得的升力系数、阻力系数等气动性能参数如表1所示。 [0032] 由附图10～12可知，渠式艇翼在艇翼上布置螺旋桨并使用半环翼段包裹螺旋桨，相比无螺旋桨的现有技术艇翼，渠式艇翼螺旋桨桨盘后方的高速滑流区域17要大于现有技术艇翼螺旋桨桨盘后方的高速滑溜区域16。由伯努利原理可知，渠式艇翼螺旋产生的高速气流在半环翼段上表面形成了比现有技术艇翼低压区18面积更大的渠式艇翼滑流低压区 19。面积更大的渠式艇翼低压区19使得渠式艇翼上下表面压力差增加，使得渠式艇翼升力系数增加。由表1数据可知，渠式艇翼滑流低压区19使得渠式艇翼升力系数由现有技术艇翼的0.1778增加至0.4642，升阻比由8.7增加至113，相比CN201921163202.2、CN205952280U、 CN 201367113Y、CN 111846191A、CN 212022950U等现有专利所采用的现有技术艇翼取得良好的动力增升效果，有效地解决了现有技术艇翼的低速飞行时产生的升力较小、增加飞艇结构重量的缺陷。 [0033] 表1现有艇翼与本发明渠式艇翼气动性能参数对比 [0034]构型名称升力系数阻力系数升阻比推力系数现有技术艇翼 0.1778 0.0205 8.7 0 渠式艇翼 0.4642 0.0041 113 0.0882 附图说明 [0035] 附图1为本发明实施例中采用的串列倾转渠式艇翼飞艇的示意图； [0036] 附图2为本发明实施例中采用的串列倾转渠式艇翼飞艇的俯视图； [0037] 附图3为本发明实施例中采用的串列倾转渠式艇翼飞艇的侧视图； [0038] 附图4为本发明实施例中采用的串列倾转渠式艇翼飞艇的前视图； [0039] 附图5为本发明实施例中采用的飞艇平台示意图； [0040] 附图6为本发明实施例中采用的倾转渠式艇翼的示意图； [0041] 附图7为本发明实施例中飞艇艇身截面曲线示意图； [0042] 附图8为本发明实施例中采用的倾转渠式艇翼的CFD计算网格示意图； [0043] 附图9为本发明实施例中采用的螺旋桨旋转域的滑移网格处理方法示意图；其中，9a是静止域网格，9b是旋转域网格；9c是拼接网格； [0044] 附图10为本发明实施例中采用的倾转渠式艇翼的CFD流场对比图；其中，10a是现有技术艇翼的空间速度云图；10b是本发明渠式艇翼的空间速度云图； [0045] 附图11为本发明实施例中采用的倾转渠式艇翼的CFD流场对比图；其中，11a是现有技术艇翼的表面压力系数云图，11b是本发明渠式艇翼的表面压力系数云图； [0046] 附图12为本发明实施例中采用的倾转渠式艇翼的CFD流场对比图；其中，12a是现有技术艇翼的螺旋桨所在平面压力系数云图，10b是本发明渠式艇翼的螺旋桨所在平面压力系数云图； [0047] 图中：1.飞艇平台；2.倾转渠式艇翼；3.动力系统；4.左前固定翼安装段；5.右前固定翼安装段；6.左后固定翼安装段；7.右后固定翼安装段；8.尾翼；9.艇身；10.内翼段；11. 半环翼段；12.外翼段；13.电机安装横梁；14.螺旋桨；15.电机；16.现有技术艇翼滑流区域； 17.渠式艇翼艇翼滑流区域；18.现有技术艇翼低压区域；19.渠式艇翼艇翼低压区域。具体实施方式 [0048] 本实施例是一种串列倾转渠式艇翼飞艇的气动布局。 [0049] 本实施例以飞艇的飞行方向为前方，该飞艇为面对称几何体，飞行方向的两侧分别为左侧和右侧；以该飞艇艇身前端顶点作为外挂部件的安装基准点，记为O。在O点建立描述飞艇几何参数的右手坐标系，x轴位于飞艇对称面内水平向后指向飞艇后方，z轴位于飞艇对称面竖直向上，y轴垂直x‑z平面指向飞艇右侧且满足右手法则。 [0050] 所述飞艇包括艇身、艇翼、尾翼和动力装置。其中，所述艇身9采用现有技术中的椭球状，该艇身的总长度为4.8m，高度为0.96m，宽度为1.44m。该艇身的横截面与纵截面均呈椭圆形，为建立飞艇艇身的几何外形，给出相对安装基准点水平距离为0.3m、0.6m、1.4m、 3.9m、4.3m和4.8m的横截面曲线坐标数据以及纵向对称面曲线坐标数据，如表所示。艇身中相对安装基准点距离为1.5m至3.9m为等截面，各截面曲线由散点根据样条线规则生成，艇身三维曲面则是根据各截面曲线根据多截面曲面法则生成，最终获得飞艇艇身的几何外形。 [0051] 表2艇身横截面坐标数据表 [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] [0058] 表4艇身纵截面坐标数据表 [0059] [0060] [0061] [0062] [0063] [0064] [0065] 飞艇外蒙皮采用层合式复合材料，由多层材料复合而成，由外到内分别是外表面涂层、耐候层、阻氦层、承力层、粘接层和内表面涂层。内部填充氦气，利用氦气与空气的密度差异获得浮空的升力。所述飞艇艇身的两侧分别有一组倾转渠式艇翼，分别是该飞艇的左前翼和左后翼，右前翼和右后翼。在该飞艇艇身尾段安装有尾翼。所述飞艇的动力装置有四个，分别安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面。所述动力装置通过横梁13安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面，并位于半环翼段11内，并使动力装置的中心线与该半环翼段的中心线重合。 [0066] 所述飞艇艇身的两侧分别有一组用于连接所述倾转渠式艇翼的固定翼安装段，并使各组固定翼安装段沿艇身前后串列分布。所述两组固定翼安装段中，位于艇身左侧的一组固定翼安装段中包括左前固定翼安装段4和左后固定翼安装段6；位于艇身右侧的一组固定翼安装段中包括右前固定翼安装段5和右后固定翼安装段7。 [0067] 各所述固定翼安装段水平的固定在艇身的两侧，并使各固定翼安装段前缘与所述安装基准点位于同一水平面。所述左前固定翼安装段的前缘距离安装基准点的水平距离为 1.3m，该左后固定翼安装段的前缘距离所述左前固定翼安装段前缘的距离为1.9m。位于艇身右侧的一组固定翼安装段与艇身左侧的一组固定翼安装段关于艇身对称。各所述固定翼安装段展向长度为0.0951m，弦长为0.3m。 [0068] 在所述艇身两侧分别通过各所述固定翼安装段安装有倾转渠式艇翼，各所述倾转渠式艇翼均分为内翼段10、半环翼段11和外翼段12三段。各所述内翼段分别位于各倾转渠式艇翼的内端，各内翼段的靠近艇身一侧的端头处分别形成了各倾转渠式艇翼的翼根，并使翼根分别与各倾转渠式艇翼所在位置处的固定翼安装段固连；各所述外翼段分别位于各倾转渠式艇翼的外端，形成了各倾转渠式艇翼的翼稍。所述半环翼段位于该内翼段10与外翼段12之间。 [0069] 所述内翼段10和外翼段12的翼型均采用NACA4412，弦长均为0.3m，均采用铝板制成。所述内翼段10的展长为0.165m，所述外翼段的展长为0.26m；所述半环翼段11的前缘线半径为0.1205m，并且该半环翼段弦向剖面的型面亦采用NACA4412。该半环翼段环形开口的两个侧边分别与所述的内翼段上翼面或外翼段上翼面光滑过渡连接。 [0070] 所述尾翼有四个，呈X布局安装在艇身尾端。各尾翼根部的尾翼前缘距离安装基准点的水平距离为4.2m。尾翼根部的弦长为0.35m，尾翼梢部的弦长为0.2m；尾翼的展长为 0.6m，后掠角为30度，各尾翼剖面翼型为NACA0012。 [0071] 所述动力装置通过横梁13安装在各所述倾转渠式艇翼的上表面，并位于半环翼段11内，并使动力装置的中心线与该半环翼段的中心线重合。本实施例的动力装置包括 RS2205电机、RAPTOR 20A电子调速器和5045螺旋桨。螺旋桨安装在所述电机输出轴上，并使该螺旋桨桨叶的前缘与所述倾转渠式艇翼的前缘处于同一垂直面上。该电机通过电机座安装在所述半环翼段内，并使该电机座通过电机安装横梁13固定在半环翼段的内壁面上。电机与电子调速器按常规方法连接，该电子调速器与飞艇内部安装的飞行控制计算机和蓄电池连接。蓄电池为电机转动提供能量，飞行控制计算机则通过电子调速器调节电机转速，对飞艇进行运动控制。 [0072] 渠式艇翼在艇翼上布置螺旋桨并使用半环翼段包裹螺旋桨，相比无螺旋桨的现有技术艇翼，渠式艇翼螺旋桨桨盘后方的高速滑流区域17要大于现有技术艇翼螺旋桨桨盘后方的高速滑溜区域16。由伯努利原理可知，渠式艇翼螺旋产生的高速气流在半环翼段上表面形成了比现有技术艇翼低压区18面积更大的渠式艇翼滑流低压区19。面积更大的渠式艇翼低压区19使得渠式艇翼上下表面压力差增加，使得渠式艇翼升力系数增加。由表1数据可知，渠式艇翼滑流低压区19使得渠式艇翼升力系数由现有技术艇翼的0.1778增加至 0.4642，升阻比由8.7增加至113，相比CN201921163202.2、CN205952280U、CN 201367113Y、 CN 111846191A、CN 212022950U等现有专利所采用的现有技术艇翼取得良好的动力增升效果，有效地解决了现有技术艇翼的低速飞行时产生的升力较小、增加飞艇结构重量的缺陷。